地下凍土融解地域の地質・微生物調査及び機械学習に基づく火星水環境の理解

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00195
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 関根 康人 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (60431897)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): GUTTENBERG NICHOLAS・RYAN 東京工業大学, 地球生命研究所, 研究員 (10747132) ; McGlynn Shawn・E. 東京工業大学, 地球生命研究所, 准教授 (10751084) ; 庄司 大悟 東京工業大学, 地球生命研究所, JSPS特別研究員 (10831109) ; 福士 圭介 金沢大学, 環日本海域環境研究センター, 教授 (90444207) ; 石上 玄也 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (90581455)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 宇宙・惑星化学 / 固体惑星探査 / 陸域水循環・物質循環 / 大気圏・水圏化学 / 生物圏地球化学

Outline of Annual Research Achievements

火星における液体の水の存否、生命生存可能性は長年の謎である。本研究では、これに答える鍵が、火星斜面上に出現・消失を繰り返す暗い筋模様（Recurring Slope Lineae: RSL）にあると考える。RSLは地下凍土層の季節的融解によって形成されている可能性があるが、周回観測のみではその成因を特定できない。本研究では、乾燥寒冷なモンゴル国ゴビ・アルタイ地域に見つかるRSLの地球アナログに着目し、調査・観測を行う。地球RSLの地質調査と現地無人観測ステーションによる長期観測、機械学習による地形パターン認識により、１）RSL形成メカニズムの解明、２）RSL付近の生態系推定、３）水の活動を伴う火星RSLの判定・探索を行う。
初年度は、新型コロナウィルスによる海外調査の制限から、当初の野外調査に関する計画を変更し、研究活動を行った。調査地域の国際共同研究者に依頼し、調査地域の調査、サンプリングを行ってもらったため、計画に致命的な影響はでていない。
１）RSL形成メカニズムの解明については、無人観測ステーションのシステム設計と開発を行った。日本国内の類似野外環境でステーションを設置し、実地テストをくり返すことでノウハウを蓄積した。また、土壌試料や地下水の化学組成から、水の供給プロセスを明らかにすることを目的とし、土壌中での地下水からの鉱物沈殿実験を行った。国際共同研究者が得た乾燥域の湖の水質季節変化データを再現するモデルを構築し、この知見を氷衛星や初期火星の水質復元へと適応し、高精度の水質復元を可能にした。
２）RSL付近の生態系推定については、国際共同研究者の調査により採取・輸送された土壌サンプルからDNA抽出およびシーケンス解析を行った。
３）水の活動を伴う火星RSLの判定・探索については、リモートセンシングデータの収集・解析を進め、機械学習に用いるためのカテゴライズを完了した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

現地調査については、新型コロナの影響により実施が見送られたが、国際共同研究者の協力により、継続的なサンプリングやモニタリングを行うことができた。そのため、致命的な遅れはなく、研究を順調に進めることができている。本年度は、観測ステーションのシステムモデルの設計を完了した他、共同研究者が取得した乾燥域の湖の水質季節変化を説明する水質モデルを構築することができた。また、構築したモデルを用いて、高精度の初期火星水環境を実現する土台となる知見の獲得を行うことができた。また、火星表面画像の機械学習については、膨大な量の画像データの収集とカテゴライズを終了し、これを使った任意画像の分類のステージに計画通り進むことができた。以上により、目標とする研究内容を順調に達成しつつあると言える。

Strategy for Future Research Activity

次年度においても、新型コロナの影響により現地調査は制限されることが予想される。そのため、初年度と同様に国際共同研究者による継続的なモニタリングとサンプリング、さらには観測ステーションの設置を依頼し、研究の遅延が生じないようにする。水質復元については、従来の湖の水質季節変化のモデル化に、冬季の凍結時の水質変化も合わせてモデル化できるように発展させる。凍結時の水質変化は、初期火星のみならず、氷天体の水質復元にも有用である。室内実験では、RSLの形成における塩析出の役割、表層流出現の物理過程に着目し、これを明らかにする。機械学習については、RSLに加え、地下氷の崩壊で形成したと考えられるカオス地形にも着目し、カオス地形の成因別分類を行うニューラルネットワークを構築する。構築したニューラルネットワークを用いて、火星上のカオスの分類を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] モンゴル国立大学(モンゴル)
  • Country Name: MONGOLIA
  • Counterpart Institution: モンゴル国立大学
• [Int'l Joint Research] Centro de Astrobiologia(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: Centro de Astrobiologia
• [Int'l Joint Research] アリゾナ州立大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: アリゾナ州立大学
• [Journal Article] An experimental study of photo-oxidation of Fe(II): Implications for the formation of Fe(III) (hydro)oxides on early Mars and Earth (2021)
  • Author(s): Tabata Haruhisa、Sekine Yasuhito、Kanzaki Yoshiki、Sugita Seiji
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 299 Pages: 35～51
  • DOI: 10.1016/j.gca.2021.02.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Progressive ocean oxygenation at ~2.2 Ga inferred from geochemistry and molybdenum isotopes of the Nsuta Mn deposit, Ghana (2021)
  • Author(s): Goto, K. T., Sekine, Y., Ito, T., Suzuki, K., Anbar, A. D., Gordon, G. W., Harigane, Y., Maruoka, T., Shimoda, G., Kashiwabara, T., Takaya, Y., Nozaki, T., Hein, J. R., Tetteh, G. M., Nyame, F. K., Kiyokawa, S.
  • Journal Title: Chemical Geology Volume: 567 Pages: 1~14
  • DOI: 10.1016/j.chemgeo.2021.120116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radar Sounding of Subsurface Structure in Eastern Coprates and Capri Chasmata, Mars (2020)
  • Author(s): Noguchi, R., Ishiyama, K., Kumamoto, A., Uemura, C., Kasaba, Y., Usui, T., Oura, A., Shoji, D
  • Journal Title: Geopysical Research Letter Volume: 47 Pages: 1~6
  • DOI: 10.1029/2020GL088556
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Habitability and planetary redox (2020)
  • Author(s): Sekine, Y.
  • Journal Title: Viva Origino Volume: 48 Pages: 1~13
• [Journal Article] Hydrogeochemical study on closed-basin lakes in cold and semi-arid climates of the Valley of the Gobi Lakes, Mongolia: Implications for hydrology and water chemistry of paleolakes on Mars (2020)
  • Author(s): Sekine, Y., T. Kirajima, K. Fukushi, B. Gankhurel, S. Tsetsgee, D. Davaasuren, H. Matsumiya, T. Chida, M. Nakamura, N. Hasebe
  • Journal Title: Minerals Volume: 10 Pages: 1~28
  • DOI: 10.3390/min10090792
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In-situ formation of monohydrocalcite in alkaline saline lakes of the Valley of Gobi Lakes: Prediction of Mg, Ca, and total dissolved carbonate concentrations in Enceladus’ ocean and alkaline-carbonate ocean worlds (2020)
  • Author(s): Fukushi, K., Imai, E., Sekine, Y., Kitajima, T., Gankhurel, B., Davaasuren, D., Hasebe, N.
  • Journal Title: Minerals Volume: 10 Pages: 1~15
  • DOI: 10.3390/min10080669
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A framework for understanding Mo isotope records of Archean and Paleoproterozoic Fe- and Mn-rich sedimentary rocks: Insights from modern marine hydrothermal Fe-Mn oxides (2020)
  • Author(s): Goto, K. T., Sekine, Y., Shimoda, G., Hein, J. R., Aoki, S., Ishikawa, A., Suzuki, K., Gordon, G. W., Anbar, A. D.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 280 Pages: 221-236
  • DOI: 10.1016/j.gca.2020.04.017
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] モンゴル南部塩湖群の結氷時における鉱物生成と水-氷-堆積物間元素分配 (2021)
  • Author(s): 依田優大
  • Organizer: 金沢大学環日本海域環境研究センター2020年度共同利用成果報告会、オンライン
• [Presentation] Laboratory investigations of eruption and salt mineralization of subsurface seawater on Ceres and other geologically active icy bodies (2021)
  • Author(s): 依田優大、 関根康人
  • Organizer: 第4回水惑星学全体会議、金沢大学、金沢市、石川県
• [Presentation] 初期地球の衝突熱水系における二酸化炭素の還元と有機化合物の生成 (2021)
  • Author(s): 金子和夢
  • Organizer: 第4回水惑星学全体会議、金沢大学、金沢市、石川県
• [Presentation] 初期火星における強酸性表層水による表層のAlに富む粘土鉱物形成の可能性 (2021)
  • Author(s): 杉内光輝
  • Organizer: 第4回水惑星学全体会議、金沢大学、金沢市、石川県
• [Presentation] モンゴル凍結塩湖における水-氷間の塩の分配と氷天体地下海への応用 (2021)
  • Author(s): 依田優大、 関根康人、 福士圭介、 北島卓磨、 Gankhurel Baasansuren、 Davaasuren Davaadorj、 庄司大悟、 高橋嘉夫
  • Organizer: 第8回衛星系研究会、オンライン
• [Presentation] 機械学習によるカオス地形の識別と分類：火星・氷天体への応用 (2021)
  • Author(s): 庄崎弘基、 関根康人、 N. Guttenberg
  • Organizer: 第8回衛星系研究会、オンライン
• [Presentation] 埋没によるイオのパテラの一様分布への自己組織化 (2020)
  • Author(s): 庄司大悟
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting2020, Virtual
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Laboratory investigations of eruption and salt precipitation of subsurface seawater on Europa and other geologically active icy bodies (2020)
  • Author(s): Yoda M., Sekine, Y.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Classification of Martian chaos terrains using imagery machine learning: Implications for ground ice distributions and dynamics (2020)
  • Author(s): Shozaki, H., Sekine, Y., Guttenberg, N.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact-induced hydrothermal systems on early Earth: Potential places for efficient CO2 reduction and formation of complex organic molecules (2020)
  • Author(s): Kaneko, K., Sekine, Y., Shibuya, T., Ueda, H., Noda, N., Genda, H., Takahashi, Y.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective Formation of Al-Rich Surface Clays Through Highly Acidic Water Activity on Early Mars (2020)
  • Author(s): Sugiuchi, M., Sekine, Y., Tan, S., Noda, N., Takahashi, Y., Ramirez, R.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact-induced hydrothermal systems on early Earth: CH4 production and the origin of life (2020)
  • Author(s): Kaneko, K., Sekine, Y., Shibuya, T., Ueda, H., Noda, N.
  • Organizer: Goldschmidt 2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective Formation of Al-Rich Surface Clays Through Highly Acidic Water Activity on Early Mars (2020)
  • Author(s): Sugiuchi, M., Sekine, Y., Tan, S., Noda, N., Takahashi, Y., Ramirez, R.
  • Organizer: Goldschmidt 2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Field investigation on capturing of lake water salts within surface ice on ice-covered saline lakes in Mongolia: Implications for icy shell compositions of Solar System icy bodies (2020)
  • Author(s): Yoda M., Sekine, Y., Fukushi, K., Kitajima, T., Gankhurel, B., Davaasuren, D., Shoji, D., Takahashi, Y.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recognition and classification of Martian chaos terrains using imagery machine learning (2020)
  • Author(s): Shozaki, H., Sekine, Y., Guttenberg, N.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact-generated hydrothermal systems that can promote organic synthesis: Implications for the origin of life (2020)
  • Author(s): Kaneko, K., Sekine, Y., Shibuya, T., Ueda, H., Noda, N.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective formation of Al-rich surface clays through acidic water activity on early Mars (2020)
  • Author(s): 杉内光輝、 関根康人、 丹秀也、 野田夏実、 高橋嘉夫、 Ramses M. Ramirez
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 低温条件におけるモノハイドロカルサイトの生成 (2020)
  • Author(s): 北島卓磨、福士圭介、関根康人、依田優大、Baasansuren Gankhurel、Davaadorj Davaasuren、武市泰男、高橋嘉夫
  • Organizer: 2020年度日本地球化学会第67回オンライン年会、オンライン
• [Presentation] Water Chemistry of Early Mars Recorded in Interlayer of Smectite and Secondary Minerals from Gale (2020)
  • Author(s): Fukushi, K., Sekine, Y.
  • Organizer: 57th Annual Meeting of the Clay Minerals Society, Discovery Hall, Richland, Washington, US
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Evolution of aqueous environment on Early Mars inferred from reconstructed water chemistry at Gale (2020)
  • Author(s): 福士 圭介、関根 康人
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 氷形成を駆動力とした鉱物形成過程の検証：南モンゴルのアルカリ塩湖凍結時にみられる自生炭酸塩鉱物生成 (2020)
  • Author(s): 北島 卓磨、福士 圭介、ガンフレル バーサンスレン、関根 康人、依田 優大、ダバースレン ダバードルジ
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting2020, Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Habitable aqueous environment on Early Mars inferred from reconstructed water chemistry at Gale (2020)
  • Author(s): 福士 圭介、関根 康人、佐久間 博、森田 康暉、Robin Wordsworth
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting2020, Virtual
  • Int'l Joint Research / Invited