西本 昌司

Abstract Understanding climate variability and stability under extremely warm ‘greenhouse’ conditions in the past is essential for future climate predictions. However, information on millennial-scale (and shorter) climate variability during such periods is scarce, owing to a lack of suitable high-resolution, deep-time archives. Here we present a continuous record of decadal- to orbital-scale continental climate variability from annually laminated lacustrine deposits formed during the late Early Cretaceous (123–120 Ma: late Barremian–early Aptian) in southeastern Mongolia. Inter-annual changes in lake algal productivity for a 1091-year interval reveal a pronounced solar influence on decadal- to centennial-scale climatic variations (including the ~ 11-year Schwabe cycle). Decadally-resolved Ca/Ti ratios (proxy for evaporation/precipitation changes) for a ~ 355-kyr long interval further indicate millennial-scale (~ 1000–2000-yr) extreme drought events in inner-continental areas of mid-latitude palaeo-Asia during the Cretaceous. Millennial-scale oscillations in Ca/Ti ratio show distinct amplitude modulation (AM) induced by the precession, obliquity and short eccentricity cycles. Similar millennial-scale AM by Milankovitch cycle band was also previously observed in the abrupt climatic oscillations (known as Dansgaard–Oeschger events) in the ‘intermediate glacial’ state of the late Pleistocene, and in their potential analogues in the Jurassic ‘greenhouse’. Our findings indicate that external solar activity forcing was effective on decadal–centennial timescales, whilst the millennial-scale variations were likely amplified by internal process such as changes in deep-water formation strength, even during the Cretaceous ‘greenhouse’ period.

【背景】赤色砂岩などの酸化鉄を含んで赤色を呈する堆積岩において、酸化鉄が分解してできた数mm~数cm大の白色スポット（: Bleached spotあるいはReduction spot）が見られることがある。その局所的な白色化のプロセスについては様々な要因が考えられており、炭化水素を含む流体、先駆物質の有機物及び微生物活動によるものと説明されてきた。白色スポットの一部に、中心にウランやバナジウムといった重金属元素の濃集部を伴うタイプがある。近年、そのような重金属元素濃集を伴うスポットのウラン同位体比パターンにより、そのスポットが微生物活動によって形成したことが示された^[1]。そのため、一部の先行研究では白色スポットをバイオマーカーとみなし、火星での生命探査に応用する提案がなされている^[1][2]。しかし、ほとんどの白色スポットは上記のような重金属元素の濃集は伴わないため、白色スポットの存在だけで生命活動の痕跡として良いかは議論の余地があると考える。 【研究対象】本研究において、ゼブラロックと呼ばれる豪州北部に産する特徴的な酸化鉄からなるバンド模様を呈する堆積岩中に、中心に特徴的な多角形の結晶を伴う直径100 μmほどの微小な白色スポットを発見した。ゼブラロックの鉄バンド形成プロセスについては議論があるが、鉄を含む酸性流体と母岩との反応によって生じた可能性が提案されている^[3][4]。スポットの産状から中心物質とスポット形成との関連が推測され、先駆物質の痕跡が残る白色化現象として注目した。 【結果】本研究では、偏光顕微鏡観察、XGT分析、ラマン分光分析、SEM-EDX分析及びEMPA分析の結果を基に、ゼブラロック中の白色スポットの形成プロセスについて検討を行った。中心結晶の形状及び元素マッピングの結果から、結晶は、自形で立方体及び八面体となる黄鉄鉱がディッカイト、ゲーサイト及びヘマタイトに置き換わったシュードモルフであると推測した。また、スポットは鉄バンドの縁あるいはバンドの外の鉄が薄く沈澱した箇所でのみ認められ、バンド内の鉄の濃度が大きい箇所では認められなかった。 【考察】スポットの分布から、鉄バンドの酸化鉄鉱物の沈澱とスポット形成が同じイベントで形成したと考えられる。従って、スポットの形成プロセスとして以下のステップが考えられる：(1) Fe²⁺を含む酸性流体が母岩中の炭酸塩鉱物や長石類によって緩衝され、Feがゲーサイト（FeOOH）として沈澱する（：鉄バンド形成）(2) 母岩中の初生黄鉄鉱が酸性流体によって分解し、周囲にH⁺イオンが拡散される。(3) H⁺イオンが拡散した範囲では、局所的にpHが低下してゲーサイトが分解する(4) 初生黄鉄鉱の分解した箇所にはディッカイトが充填し、分解せず残った箇所はゲーサイト及びヘマタイトに変化する(5) その後、全体が酸化してゲーサイトがヘマタイトとなる。ゲーサイトが分解した範囲は酸化鉄フリーの白色スポットとして残るスポットの有無は、初生黄鉄鉱の分解に伴う酸化鉄の分解反応と周囲の酸化鉄の沈澱反応のどちらが優勢であったかによる違いであると考えられる。なお、ゼブラロック中では初生黄鉄鉱が残っていないため、微生物による硫酸還元で生じたものか、続成作用で生じたものかは現時点では断定できない。 【結論】本研究によって白色スポットが必ずしも微生物活動などの有機的な反応だけでなく、硫化鉱物が酸化分解による局所的なpH変化という無機的な反応によっても生じうることがわかった。このことから、全ての白色スポットが必ずしもバイオマーカーとなりうるわけではなく、スポットの起源はその中心物質を精査した上で判断すべきであると考える。 【引用文献】[1] McMahon et al., 2018. Nature Comm. [2] Parnell et al., 2016. Origins of Life and Evolution of Biospheres. [3] Retallack, 2021. Aust. J. Earth Sci. [4] Kawahara et al., 2022. Chem. Geol.

【背景】 岩石と地下水の反応で生じるリーゼガング現象は、岩石中に特徴的なバンド模様を展開する。近年、そのバンドが岩石-流体反応の化学的特性や反応のタイムスケールを推測する手がかりになると指摘されている^[1]。 豪州北部キンバレー地域東部に産するゼブラロックは、リーゼガングバンドの一例として知られる。ゼブラロックはエディアカラ紀のシルト岩層中にレンズ状に産し、酸化鉄鉱物(赤鉄鉱)からなる数mm〜2 cm幅の赤褐色のバンド模様を示す。ゼブラロックが産する露頭は不連続ながら50 km以上に渡って分布し、広域の地質イベントに伴って生じた可能性がある。これまで、ゼブラロックに関する研究は数例あるが^[2][3]、その形成プロセスは未解明である。 本研究では、ゼブラロックの成因を基に鉄バンド形成時の岩石-流体反応の化学的条件を述べる。さらに、ゼブラロック形成に関連した地質イベントや鉄バンドの金属鉱床探査への応用の可能性を提案する。 【結果】 薄片観察、XRD分析及びラマン分光分析の結果、ゼブラロックの主要構成鉱物は、極細粒の石英粒子及び粘土鉱物（カオリナイト、明礬石）である。特に粘土鉱物について、ほぼ明礬石からなるゼブラロックが本研究初めて記載され、(1)カオリナイト (Kao) に富むタイプと、(2)明礬石 (Alu) に富むタイプの2種類に分類された。XRF分析による両タイプの全岩組成は明瞭に異なり、特に鉄バンドのFe濃度は、Kaoタイプが~9%、Aluが~30%と大きな差が認められた。 XGT分析による元素マッピングでは、鉄バンド中のFe濃度は一様ではなく、バンドの片側に偏在した非対称の濃度ピークとして分布している。この傾向は両タイプのゼブラロックで共通して認められ、一つのサンプル中におけるピークの偏りは全て同じ方向であった。 【考察】 ゼブラロックの粘土鉱物組み合わせの違いは、高硫化系浅熱水鉱床の周囲で、熱水の温度やpHの違いに応じて発達する変質分帯(珪化-明礬石帯及びカオリナイト帯)とよく一致している。これはゼブラロックが酸性熱水変質を被ったことを示している。さらに、Kaoタイプに比べてAluタイプに高濃度に含まれる鉄バンドのFeの存在は、Feの溶解度の温度依存性を反映し、Aluタイプの形成に関与した流体の方がより高温であったことを示唆する。実際に、変質分帯において、明礬石帯はカオリナイト帯より熱水系源に近く、より高温（かつ低pH）の流体が関与している。これらの結果から、ゼブラロックの粘土鉱物組み合わせとFe濃度の違いは熱水系のモデルと調和的であり、酸性熱水変質とバンド形成は同じイベントで生じたと考えられる。 ゼブラロックの元素マップで認められた鉄バンド中のFe濃度ピークは、浸透した流体と原岩との反応による鉄沈殿のリアクションフロントと見なすことができる。これは、Feを含む酸性熱水流体が原岩の堆積岩中に初生的に含まれていた炭酸塩鉱物との中和反応し、それに伴うpH上昇で、流体中のFeが酸化沈澱したことで説明することできる^[4]。なお、ゼブラロック中に炭酸塩鉱物はほぼ含まれていないが、同層準の他地域の露頭では炭酸塩鉱物の存在が確認されている。 ゼブラロック形成に関与した熱水活動の候補として、豪州北部に分布するカンブリア紀のカルカリンジ洪水玄武岩の活動が挙げられる。その活動時期は初期−中期カンブリア紀の大量絶滅とほぼ同時期で、地球規模で表層環境に影響を与えたイベントとして注目されている。本研究地域では、ゼブラロックを胚胎する堆積岩層において、それより上位の年代で生じた火成活動はこの一度だけであることも本知見を支持する。 【結論】 本研究によって、ゼブラロックの成因について以下の点が明らかとなった： ・ゼブラロックは酸性熱水活動に関連して形成した ・鉄バンドは、鉄を含む酸性熱水と原岩中の炭酸塩鉱物の中和反応によるpH緩衝によって生じたと考えられる ・ゼブラロックの形成に関与した熱水活動は、カンブリア紀のカルカリンジ洪水玄武岩と関連する可能性が高い また、鉄バンド中の一方向のFe濃度ピークの偏りは浸透した流体の流向を示している^[1]。従って、流向を逆に辿ることで、熱水金属鉱床が賦存することのある熱水系の中心の方向を推測できる可能性がある。熱水変質分帯と熱水の流向の両方を記録するゼブラロックは、熱水鉱床探査の有効な手がかりになると期待される。 【文献】 [1] Yoshida et al., 2020: Chem. Geol. [2] Loughnan & Roberts, 1990: Aust. Jour. of Earth Sci. [3] Retallack, 2020: Aust. Jour. of Earth Sci. [4] Yoshida et al., 2018: Science Advances

The strontium isotope ratio (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) of the shell of Crenomytilus grayanus (Dunker) from the Yamanouchi Member of the Akeyo Formation, Mizunami Group in Toki-cho, Mizunami City, Gifu Prefecture, Japan is determined. The strontium age suggests that the Crenomytilus grayanus-bearing horizon has been deposited at 17.8 ± 0.3 Ma. Therefore, the occurrence of C. grayanus in central Japan may have been related to the Early Miocene global cooling event (Mi1b) at 17.8 Ma.

将来の放射性廃棄物地層処分で遭遇すると考えられる坑道周辺は，地下岩盤（岩石・鉱物）と地下水で満たされた地下地質環境と，グラウト材やコンクリート支保材などの人工材料とのインターフェースである。また，操業に伴って酸化還元反応などの長期的な物理的・化学的変化を伴う。これまでのわが国の地層処分の性能評価においては，これらの複合状態（より現実的な状態）の理解が不十分であり，信頼性の高い安全評価体系を整備するためには，実環境をより現実的に示すことのできる地球化学的現象とそこでの緩衝作用に関する情報（データ）を早急に整備することが必要である。とくにこれらのデータは，多重バリア性能の健全性を明確にするための，ニアフィールド（NF）のSafety caseを抽出／構築する上で不可欠である。結晶質岩を事例にしたNFにおける地球化学的現象の検討本邦に広く分布する花崗岩および花崗閃緑岩などの結晶質岩は，多くの割れ目（帯）を有することが特徴である。結晶質岩中の割れ目頻度は，その岩体の形成年代が比較的若い（ジュラ紀以降）にもかかわらず１～２本／m２程度と高く１），欧米の楯状地を形成する数億年～数十億年の古期花崗岩体中の割れ目に比べて一桁以上の高い頻度（密度）を有する２）。この違いは，我が国が変動帯という特異的な地質環境にあり，結晶質岩が長期に渡る応力・歪みを経てきた結果と言える。また，割れ目充填鉱物の種類に関しても，欧米の楯状地では熱水による沈殿鉱物が主体であるのに対し，わが国では粘土鉱物や粘土状の'ペースト状のもの'といった天水起源の地下水との反応による特徴的な充填鉱物の形成が認められる３）。このような地下環境に空洞を建設することは，長期にわたる地質時間に地下環境を形成する岩石・鉱物と地下水との反応によって形成された'平衡状態'にある「場」を擾乱する。すなわち，処分場閉鎖までの期間に掘削前とは異なった地下地質環境に変化させることを意味する。その状態変化は，我が国と欧米の安定した陸塊では，そこに存在する割れ目や断層の性状が異なるため，必ずしも同様なものになるとは限らない。また，そのような状態変化が閉鎖後にどのように元の状態へと戻っていくのか，あるいは戻らずに掘削前とは異なった平衡状態へと移行していくのか，などといった長期的視点に立脚した処分場全体の安全評価のフレームワークを構築することが必要であり，処分場の数万年という長期的安全性を評価するという観点からはなされるべきであろう。つまり地球化学的には，どのような複合反応が，どのような速度で進行し，将来的にどのような状態へと（みかけの）平衡状態へ再度収束していくのかをできるだけ精度よく外挿する方法を提示することが求められる。このような，多重バリアシステムにおける各種現象の adjust は，長期（地層処分で検討するおおよそ数万年～数十万年の時間スケール）にわたる地下環境機能を精度よく提示するためにも必要であり，とくに地球化学的プロセスはその重要な部分をなす。しかし，未だ地球化学関連専門家による貢献は十分とは言えない状況にある。本報告では，NFバリア機能に関する地球化学的課題を整理し，長期的な安全評価に不可欠な地球化学的プロセスの抽出を試みる。１）Yoshida,H.et al. (2005) Engineering Geology,78, 275-284.２）吉田英一ほか（2009）応用地質, 50, 16-28.３）Yoshida,H.et al. (2009) Engineering Geology, 106, 116-122.

地下における花崗岩の変質プロセスを解明することを目的に, 岡山市で掘削されたボーリングコアの深さ約100mまでについて, 割目帯近傍における花崗岩中の造岩鉱物の変質状態を調べた. この花崗岩は, 粗粒の石英, 正長石, 斜長石, 黒雲母などからなり, 割目帯に沿って水-岩石反応により形成されたと思われる変質帯が伴われる. 今回, 地下40～50m付近の変質帯を伴う割目帯を詳細に調べた結果, 斜長石の絹雲母化と黒雲母の緑泥石化は割目帯や深度と関係なくコア全体に確認することができた. また, 割目帯の近傍ほど斜長石のスメクタイト化と水酸化鉄の沈殿が明らかに進行しており, 割目帯内部では黒雲母の一部がバーミキュライト化していた. 一方で, カリ長石には変質はほとんど認められない. これら造岩鉱物の変質状態の組み合わせは, マグマ貫入後の冷却に伴う熱水変質と, 割目帯から浸透した比較的低温の天水による変質の2ステージのプロセスによるものと考えられる. このような段階的プロセスは, 地下花崗岩の鉱物変化と化学組成変化の解釈に広く適用し得るものと思われる. また造岩鉱物を用いた変質プロセスの解析手法は, 地下花崗岩の水-岩石反応履歴の解明と地下環境の理解において有効であると考えられる.