海底熱水噴出孔における「深海発電現象」を解明~チムニーの発達が熱から電気への変換を促進~

2026-01-16 東北大学

本研究は、深海の熱水噴出孔に形成される硫化物チムニーが、熱を電気に変換する「自然の発電装置」として機能する仕組みを明らかにした。伊豆・小笠原海域から採取したチムニー試料を解析した結果、形成初期のチムニーは電気を通さないが、成長・成熟に伴い、鉄・銅・鉛などを含む電気伝導性の高い硫化鉱物が熱水流路に沿って層状に形成されることが判明した。これらの鉱物は熱電変換特性を持ち、チムニー内外の温度差によって電子が熱水側から海水側へ自発的に移動する。すなわち、チムニーの発達過程そのものが、深海底に電気エネルギーを供給する自律的な発電システムを生み出していることを示した。本成果は、深海生態系を支えるエネルギー源の理解や、熱水の熱を利用した新たな発電技術への応用に貢献すると期待される。

海底熱水噴出孔における「深海発電現象」を解明~チムニーの発達が熱から電気への変換を促進~
図1. 伊豆・小笠原海域の熱水噴出孔のチムニーの産状と鉱物組織。(A)水深1332mの海底で観察される活発に熱水を噴出しているチムニー。(B)海底で熱水の温度計測をしている様子。熱水噴出孔の周辺にカニが生息している。(C)若いチムニーの電子顕微鏡写真。重晶石に富み空隙が多い。(D)閃亜鉛鉱が主体の緻密なチムニー。(E, F)成熟したチムニー試料の断面の写真(E)とその電子顕微鏡写真(F)。熱水流路周りに黄銅鉱に富む層ができている。電子顕微鏡写真の黒色部分は熱水流路(空隙)を示す。

<関連情報>

深海底における自己組織化熱電変換システム
Self-organized thermoelectric conversion systems on the deep seafloor

Atsushi Okamoto;Misaki Takahashi;Yoshinori Sato;Ryoichi Yamada;Kentaro Toda;Tomonori Ihara;Tatsuo Nozak
Geology  Published:January 08, 2026
DOI:https://doi.org/10.1130/G53463.1

Deep-sea hydrothermal vents are sites where thermal energy from Earth’s interior is emitted into the ocean, and sulfide- or sulfate-rich chimneys form by mixing of hydrothermal fluids and ambient cold seawater. Sulfide minerals are semiconductors and can convert thermal to electrical energy. However, regardless of the high-temperature difference (up to 400 °C) between vent fluids and seawater, the significance of thermoelectric power generation by chimneys is poorly understood. We measured the electrical conductivity and thermoelectromotive force (TEMF) of typical sulfide minerals and each part of zoned chimney walls from seafloor hydrothermal vents to evaluate their thermoelectric conversion. Young and porous chimneys consist mainly of fine-grained sulfate and Zn sulfide, with extremely low electrical conductivity, resulting in no thermoelectric conversion. In contrast, mature chimneys with inner walls rich in Cu, Fe, and Pb sulfides are n-type semiconductors with a high thermoelectric conversion performance. Given a temperature difference of 200−300 °C between the vent fluids and ambient seawater, the TEMF of the mature chimneys approaches 10−210 mV, which is comparable to the redox potential between vent fluids and seawater (∼500 mV). This TEMF could play an essential role as a power source to overcome the overpotential required for the redox reactions at both sides of the chimney walls. Our findings suggest that seafloor chimneys are a unique self-organized thermoelectric conversion system that supplies substantial electrical energy to deep-sea ecosystems.

1702地球物理及び地球化学
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