東北大、白亜紀最大級の「海洋無酸素事変」の詳細な発生年代の決定に成功

東北大学は11月19日、北海道芦別市(あしべつし)の芦別岳北西に露出する地層である「蝦夷層群」から、詳細な年代が不明だった白亜紀前期に海洋生物の多くが絶滅した「海洋無酸素事変」のうちの最大規模の1つである「OAE1a」の時期に堆積した地層を見出し、そこに挟まれる数多くの火山灰層から抽出した珪酸塩鉱物「ジルコン」を用いて年代測定を実施した結果、OAE1aの発生年代が従来仮説より約150万年も若い約1億1955万年前に発生し、その後、約111万6000年にもわたって海洋の広範囲で無酸素環境が持続したことがわかったと発表した。

白亜紀の古地理図と検討した蝦夷層群と巨大火山体オントンジャワ海台の位置(出所:東北大プレスリリースPDF)

北海道芦別市中天狗沢上流に露出する蝦夷層群下部の地層と調査の様子。地層は板を立てたよう直立しているため、垂直の滝を多数形成している(出所:東北大プレスリリースPDF)

同成果は、東北大総合学術博物館の髙嶋礼詩教授、米・ウィスコンシン大学のBradley S. Singer教授らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、米国科学振興協会が刊行する「Science」系のオープンアクセスジャーナル「Science Advances」に掲載された。

白亜紀(約1億4500万年前～約6600万年前)において、規模の違いはあるが、海洋において酸素に枯渇した水塊が広域に発達した海洋無酸素事変がおよそ8回起きたとされており、詳細な発生年代が不明のOAE1aと約9400万年前に起きた「OAE2」が最大規模だったとされている。

OAE1aの地層は、無酸素海洋環境下で堆積したヘドロが固結した「黒色頁岩」という地層の広域な分布が特徴だ。このような地層は欧州や大西洋の周辺地域で広く露出しているが、それらの地域の地層には、数値年代を得るために必要な火山灰層が挟まっていないため、同イベントの発生年代については、1億2500万年前とする説や1億2100万年前とする説など、さまざまな年代が提案されてきた。

またOAE1aの原因として、中央太平洋に形成された「オントンジャワ海台」の噴火とする説が長年有力視されていた。同海台は、現存する火山体としては地球上で最大のもので(日本の総面積の5倍以上、厚さは4kmに達する)、地球史上最大規模の噴火の産物と見なされている。しかし2023年、同海台の玄武岩から、OAE1aの推定年代よりもはるかに若い1億1653万～1億1162万年前という年代が得られたことから、OAE1aの発生原因についても再検討の必要が指摘されていたとする。

白亜紀当時、北海道中央部はアジア大陸に隣接した北西太平洋の半深海底の環境にあった。ここでは、海底で泥や砂が堆積すると共に、アジア大陸の東縁に沿って形成されていた火山弧から火山灰がしばしば飛来し、火山灰層も頻繁に堆積した結果、アンモナイトなどの化石を産出する蝦夷層群が形成された。そこで研究チームは今回、同層群下部を対象に微化石分析、炭素同位体比分析、オスミウム同位体比分析を行い、OAE1aの詳細な発生年代を調べたという。

そして今回、蝦夷層群下部に数多くの火山灰層が挟まっていることが確認され、同層群のOAE1a層に挟まる複数の火山灰層からジルコンが抽出された。同鉱物は、ウランやトリウムを豊富に含む一方で鉛に乏しいことから、「ウラン-鉛(U-Pb)放射年代測定」の対象となる。測定の結果、OAE1aはおよそ1億1955万年前に発生し、その後およそ111万6000年の長期間にわたって無酸素環境が世界中に広がっていたことが判明。OAE1aの発生年代は、従来の推定年代よりも150万年以上若いことがわかったのである。

(A)調査地域(星印)の位置。(B)調査地域(芦別岳北西部)の地質図。この地域の白亜紀の地層は直立しており、北北東-南南西方向に延びている。惣芦別川(そうあしべつがわ)と中天狗沢の2つのセクションで地層の検討が行われた。(C)2つの調査セクションにおける蝦夷層群下部の岩相、炭素同位体比、オスミウム同位体比、示準化石の産出層準。OAE1aの区間は、世界各地の地層における炭素同位体比とオスミウム同位体比の対比を基に決定された(出所:東北大プレスリリースPDF)

OAE1aが先かオントンジャワ海台の噴火が先かという、OAE1aの発生原因に関しては、2つの証拠から、同海台の噴火がOAE1aを引き起こした可能性が高いことが明らかになったとのこと。その証拠の1つとして、蝦夷層群のOAE1a層の最上部から、特異な形態の殻を持つ浮遊性有孔虫「ロイポルディナカブリ」の化石が発見されたことがあるという。同有孔虫は、同海台の噴火後に火山体の上に堆積した地層から、地質学的に短期間だけしか産出しないという特徴を持つといい、今回OAE1a層の最上部からも同有孔虫が発見されたとした。2つ目は、大規模な火成活動を示唆するオスミウム同位体比(188Os/187Os)の急激な減少が、OAE1a層の基底部に見られた点だ。この2つによって、OAE1aの発生は、従来説通り同海台の噴火によって引き起こされた可能性が高いことが明らかになったのである。

世界各地のOAE1aの地層の対比とOAE1aの開始年代と期間。縦軸は地層の厚さ(出所:東北大プレスリリースPDF)

今回の研究により発見された浮遊性有孔虫ロイポルディナカブリの化石(出所:東北大プレスリリースPDF)

OAE1aの詳細な年代が導き出されたことで、火成活動によるCO₂の放出と温暖化、無酸素水塊の拡大と絶滅に至るプロセスを高い時間分解能で解明することが可能となったという。OAE1aの高解像度の研究は、現在の地球において、今後、温暖化がさらに進行した場合に出現する気候・環境変動と生態系への影響を評価する上で、重要な指標となることが期待されるとしている。