白亜紀末隕石衝突に伴って何が起きたのか：親銅元素組成をもとにした環境復元

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K03733
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 丸岡 照幸 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (80400646)
• 研究分担者: 西尾 嘉朗 高知大学, 教育研究部総合科学系複合領域科学部門, 准教授 (70373462)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 隕石衝突 / 親銅元素 / 酸性雨

研究実績の概要

白亜紀末には10kmサイズの巨大隕石が地球に衝突し、それが「引きがね」となって生物大量絶滅が起きた。巨大隕石衝突はあくまで引きがねであり、それに伴って起こる環境変動が生物大量絶滅の原因であるが、それが何かは明確になっていない。白亜紀－古第三紀(K-Pg)境界層には隕石に由来する親鉄元素の濃縮が見出されているが、硫化物を形成しやすい親銅元素もK-Pg境界層に濃縮している。親銅元素／親鉄元素比は２-３桁程度コンドライト組成よりも高く、K-Pg境界の親銅元素は隕石由来ではなく、地表で起こる何らかの現象を反映して高濃度になっている。元素組成からこの院石器衝突直後に起きた現象を捉えることを目的として研究を進めた。
本研究では、白亜紀－古第三紀(K-Pg)境界試料に対してレーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法(LA-ICP-MS)による局所微量元素分析を適用した。巨大隕石由来のイリジウムと挙動を共にしている銀・銅を含有する粒子の微量元素組成を調べた。以前の放射光蛍光Ｘ線分析により、銀・銅はそれらの元素を主成分とする粒子とパイライト粒子にそれぞれ存在していることが示されている。これらの粒子は微粒子を構成しており、局所分析が必須となる。銀・銅に富む粒子は、ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳにおいてもその存在を確認することができた。一方、これらの粒子は、銀・銅以外の元素は検出できなかった。
パイライトは、他の時代に堆積したパイライトに比べてNi, Co, Znといった元素に富んでいることが分かった。Ni, Coに関しては隕石由来と考えられる。また、Aｓは典型的なパイライトに含まれる濃度を示していた。現状では議論できる元素数が少ないため、測定条件をさらに検討し、分析可能な元素を増やしていくことで、堆積環境の理解につなげていきたい。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

微量元素分析は主成分（マトリックス）を合わせた分析が必要になる。パイライトの分析においては、米国地質調査所(USGS)から購入できる親銅元素に富み、鉄を多く含むMASS-1という標準試料が多くの研究室で使われている。しかし、USGSの担当者が定年により退職し、その後の担当の方が決まっておらず、標準試料の頒布が滞っている。ここまでのところは、パイライトの主成分であるFeを微量元素としてしか含んでいないガラス標準試料を使って分析を行っているので、濃度定量性には問題がある。また、そもそも硫化物の分析用に準備されたものではないので、測定可能な親銅元素の数も少なく、パイライトの定量分析には適していない。現状では、全岩分析の結果を使い、LA-ICP-MSによる局所分析で鉄と相関の高い元素はパイライトに全量存在すると仮定して、パイライト中濃度を推定している。そのため、複数の担体に存在する元素（例えば、銀や銅）では濃度を正確に求めることは現状では難しい。ただし、局所分析を行ったことにより、どの元素がパイライトに存在するのかに関しては明らかにすることができた。例えば、全岩分析においてFe・Gaは高い濃度相関を持っており、Gaはパイライトに存在すると予想していたが、局所分析ではビーム強度間に相関を持たず、Gaはパイライトには存在していないことが示された。このように元素相関を用いることで、その元素の担体を理解することは可能になった。このような定性的な議論に留まっている。
高知コアセンターにおける分析中にサンプルステージを制御するシステムが故障し、修理が必要な状態となった。このために滞在期間に準備していた試料片のすべてが分析できたわけではないので、進捗としてやや遅れていると言わざるを得ない。この故障に関しては2021年度内に修理は完了している。

今後の研究の推進方策

硫化物微量元素分析のための標準試料(MASS-1)を購入するための、米国地質調査所との交渉（問い合わせ）は今後も続けていく。別の方策としては、粉末標準試料を押し固めたペレットの利用を考えている。2種の硫化物を含む鉱床関連の分析に用いる目的で調整された国際標準試料(JZn-1, JCu-1)を購入し、圧縮装置によりペレットを作成した。これらは主要元素としてFeを含み、硫化物が主要構成鉱物であるので親銅元素も豊富に含まれており、今回の目的に合致している。この試料のLA-ICP-MS分析を行い、ビーム強度の安定性、試料の不均質性などを確認し、標準試料としての利用に問題がないかどうか確認する。この方法がうまくいけば定量性の問題はクリアできる。さらに、スキャン速度なども考慮し、測定できる元素を増やすことができれば、議論可能な元素を増やすことができる。パイライトに含まれている元素を見いだし、その定量分析により得られた濃度をもとに、その形成環境条件を議論していきたい。

研究成果

• [国際共同研究] Bu-Ali Sina University/University of Kurdistan(イラン)
  • 国名: イラン
  • 外国機関名: Bu-Ali Sina University/University of Kurdistan
• [国際共同研究] University of New Brunswick(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of New Brunswick
• [雑誌論文] Progressive ocean oxygenation at ~2.2 Ga inferred from geochemistry and molybdenum isotopes of the Nsuta Mn deposit, Ghana (2021)
  • 著者名/発表者名: Kosuke T. Goto, Yasuhito Sekine, Takashi Ito, Katsuhiko Suzuki, Ariel D. Anbar ,Gwyneth W. Gordon, Yumiko Harigane, Teruyuki Maruoka, Gen Shimoda, Teruhiko Kashiwabara, Yutaro Takaya, Tatsuo Nozaki, James R. Hein, George M. Tetteh, Frank K. Nyame, Shoichi Kiyokawa
  • 雑誌名: Chemical Geology 巻: 567 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1016/j.chemgeo.2021.120116
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interpretation of hydrothermal evolution in the Qolqoleh Gold Deposit, Southwest of Saqqez, Iran: Analysis of pyrite by LA-ICP-MS and sulfur isotopes (2021)
  • 著者名/発表者名: Narges Daneshvar, Mohammad Maanijou, David R. Lentz, Hossein Azizi, Chris R. M. McFarlane, Teruyuki Maruoka
  • 雑誌名: Ore Geology Reviews 巻: 133 ページ: 1-27
  • DOI: 10.1016/j.oregeorev.2021.104087
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 親鉄元素・親銅元素組成に基づく古環境変動解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 丸岡 照幸
  • 学会等名: 第69回質量分析総合討論会
• [学会発表] オルドビス紀末大量絶滅イベントの環境変動解析：寒冷化を伴う大量絶滅イベン トの理解に向けて (2021)
  • 著者名/発表者名: 丸岡 照幸, 上松 佐知子, 指田 勝男, Mat Niza Abdul Rahman
  • 学会等名: 日本地球化学会年会
• [学会発表] Carbon and sulfur isotope systematics of Upper Ordovician to Lower Silurian shales from the Langkawi Islands in Malaysia (2021)
  • 著者名/発表者名: Teruyuki Maruoka, Sachiko Agematsu, Katsuo Sashida, Mat Niza Abdul Rahman
  • 学会等名: International Geoscience Programme (IGCP）-668 2021 Annual Meeting
  • 国際学会
• [備考] SPring-8で解き明かす生物大量絶滅の謎 地層が記憶する6600万年前の環境
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/research_highlights/no_100/