ウェブマガジン第14号 新たな同位体指標が創出する炭酸塩古気候学

新たな同位体指標が創出する炭酸塩古気候学

狩野 彰宏(東京大学 大学院理学研究科 地球惑星科学専攻 教授)

1.炭酸塩は優れた古気候記録媒体

私は20年間くらい炭酸塩堆積物を使った古気候・古環境研究に携わってきました。これほど長期にわたり研究を続けていたのは,炭酸塩鉱物がいくつかの優れた特徴を持っていたためです。まず,方解石やあられ石などの炭酸カルシウムは基本的に水から沈殿する鉱物なので,炭酸塩鉱物の成分は水環境の情報を記録していることです。母水の組成が分かっていれば,酸素同位体比や微量元素として含まれるMgやSrの含有量が比較的単純な原理で温度条件を復元します。また,希土類やMnなどの元素は酸化還元条件の指標になります。さらに,炭素同位体比は生物生産性,水環境での炭素循環などを記録します。

生物骨格を含む炭酸塩堆積物がしばしば,年輪・日輪構造を持つことも重要な特徴です。規則的な水温・日射量の1年あるいは1日のリズムは鉱物の沈殿速度などに反映され,堆積物の組織に明瞭な縞を残し,時間軸を与えます。造礁サンゴ骨格などはその典型例であり,亜熱帯〜熱帯域の過去数100年間の海水温変化などを定量的に提示してきました。石灰岩地帯の河川に堆積するトゥファは年輪を,熱水地域に発達するトラバーチンは日輪もしくは年輪を持っており,陸域の気候情報を記録する媒体として優れているでしょう。

分析方法が比較的簡便なのも炭酸塩鉱物の大きな利点です。あまりに,分析方法が複雑だと大好きな野外調査の時間が無くなってしまいます。

図1. 2018年3月の雲南巡検で観察した白水台の古トラバーチン堆積物。明瞭な年輪構造を示す。

2.新たな同位体指標

一方でいくつかの弱点もあります。例えば,炭酸塩の酸素同位体比は最も良く用いられてきた環境指標ですが,それから鉱物生成時の温度を復元するためには母水の酸素同位体比が分かっていなければなりません。炭酸塩の同位体−微量元素と環境条件を結びつける原理は1990年代までにほぼ確立したのですが,炭酸塩を用いた古気候・古環境復元には限界があったのです。

ところが過去10年間で新たな同位体指標が提案されると,炭酸塩の研究は再び活況に転じます。最も重要なのは炭酸凝集同位体温度計の開発です。凝集同位体とは2個以上の重い同位体を含む分子を指し,例えば二酸化炭素の場合には,13Cと18Oを含む質量数47の同位体種などが相当します。重い同位体は重い同位体と結合(凝集)しやすいという性質を持っているので,凝集同位体の存在度は重い同位体の無秩序な結合から計算される存在度よりも大きくなります。これを凝集同位体の存在度異常と呼び,絶対温度と負の相関があることが分かっています。これは1950年代に予測されていたのですが,測定技術が分析を可能にしたのは2006年のことになります。現時点では,凝集同位体の測定は二酸化炭素やメタンなどの限られた分子のみで可能であり,炭酸カルシウムから酸反応で生じた二酸化炭素の凝集同位体異常を温度指標として用いる方法を炭酸凝集同位体温度計と呼びます。この原理では,母水の同位体組成とは全く無関係に温度が復元できます。まさに画期的な古環境指標であると言えます。

図2.炭酸凝集同位体温度計のための6個の検出器を持つ質量分析計

私たちの研究室では,国内でいち早く炭酸凝集同位体に取り組み,2016年頃に測定システムを完成させ,分析を進めてきました。分析・測定には煩雑な部分もあるのですが,独立した温度情報が得られるので,古気候情報の信頼度は大きく向上するのです。中部地方の石筍を用いた結果からは,過去10万年間で最も暖かかったのは6000年前の完新世中期のことであり,地球温暖化前の現世より2-3度,最終氷期最盛期よりも9度ほど気温が高かったことが示されました。分かりやすく東京で例えると,完新世中期は現在の宮崎くらい,最終氷期最盛期は現在の釧路くらいの気温になります。今後,この様なデータは次々と提示されることでしょう。

図3.石筍を用いた古気候の研究例(広島県の試料)。厚さ2.5cmの部分に5千年間の段階的温暖化が記録される。

もう1つの進歩として,中赤外線分光という新しい方法で炭酸塩鉱物の17Oの存在度異常が測定可能になったことが挙げられます。これは18O存在度と質量依存分別の原理で予測される17Oの存在度からの異常を意味するのですが,従来型の質量分析計では測定が大変面倒でした。それが技術の進歩により簡単にできるようになったのです。

17Oの挙動は測定例が少ないため完全には理解されていませんが,水から水蒸気が蒸発する際の湿度条件を大きく反映することが知られています。具体的には,低湿度で蒸発した水蒸気塊から降る雨は17O異常が大きくなります。水環境の17O異常はほぼそのまま炭酸カルシウムに記録されると思われるので,その分析結果は生成場の乾湿条件を記録すると期待されます。

3.今後の展望

炭酸凝集同位体温度計が提案されてから10年が経ち,その間,炭酸塩鉱物の17O異常の新しい分析方法が開発されました。2つの新しい同位体指標が提示する温度と湿度の情報は,炭酸塩古気候学にブレークスルーをもたらすに違いありません。特に,陸上で形成される炭酸塩堆積物に対する適用性は高く,過去の気候条件に関する理解が一気に進むでしょう。

やれること,やりたいことは沢山あります。実は2つの新しい方法は技術的にも進歩の余地があり,完成されたとは言えません。私は定年まで10年を切ってしまい,全てをやり遂げるのは無理です。炭酸塩を用いた地質学・古気候学に関心を持つ若者たちに引き継げればと願っています。

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