,10-18 頁,1998 年 8 月 䍨 楳 桩 瑳 畎 敷 獮 漮 㔲 㠬 瀮 ⴱ 㠬 䅵 杵 獴 ⰱ 㤹 㠀 生 物 ポンプにともなう 無 機 元 素 の 挙 動 一 時 にバリウムとゲルマニウムについて 一 前 田 玲 奈 1) 1,はじめに 地 球 の 表 層 環 境 の 物 質 循 環 における 海 洋 のリザ ーバーとしての 役 割 は 大 きい.その 理 由 として, 海 洋 が 地 球 表 面 の7 割 の 面 積 を 占 めているということ と, 海 水 の 鉛 直 構 造 があげられる. 海 洋 は 極 地 域 を 除 と 表 層 と 深 層 の 間 の 密 度 勾 配 が 大 きいので, 表 層 水 と 深 層 水 は 混 合 しにい.そのため, 溶 存 物 質 はいったん 深 層 へ 運 ばれると 大 気 などから 長 期 間 隔 離 される. 海 洋 表 層 では 光 合 成 によって 粒 子 状 有 機 物 が 形 成 され,それが 深 層 へ 沈 降 してい る.この 様 な 物 質 の 流 れは 生 物 ポンプと 呼 ばれて おり, 鉛 直 方 向 に 物 質 を 輸 送 する 働 きをしている. 近 年 では, 大 気 中 の 二 酸 化 炭 素 濃 度 の 増 加 に 伴 う 地 球 の 温 暖 化 現 象 が 問 題 となっている.そのため, 生 物 ポンプによって 大 気 中 から 二 酸 化 炭 素 はどの らい 吸 収 され, 貯 蔵 されているのかを 評 価 するた めの 研 究 が 盛 んに 行 われている.したがって,こう した 生 物 ポンプの 研 究 は, 炭 素 循 環 の 研 究 のなか でも 重 要 であると 考 えられている. 一 方, 生 物 活 動 によって 形 成 された 粒 子 状 物 質 には, 有 機 物 以 外 に 主 なものとして, 炭 酸 カルシウムやオパール 質 ケイ 酸 塩 の 殻 がある.これらの 粒 子 状 物 質 の 沈 降 堆 積 過 程 は,さまざまな 溶 存 無 機 元 素 を 吸 着 し たり 溶 解 することによって, 炭 素 以 外 の 物 質 循 環 に 対 しても 大 きな 役 割 をはたしていると 考 えられる. この20 年 間 に 海 水 中 の 微 量 元 素 の 測 定 精 度 が 向 上 し, 各 海 盆 での 微 量 元 素 の 鉛 直 分 布 が 報 告 さ れている.この 中 には, 栄 養 塩 型 の 鉛 直 分 布 を 取 る 元 素 が 多 数 存 在 するので, 生 物 ポンプによる 元 素 の 鉛 直 輸 送 への 影 響 が 予 想 される.ここでは, 栄 養 塩 に 類 似 した 鉛 直 分 布 を 取 る 元 素 の 中 からバ リウムとゲルマニウムを 選 び,その 海 水 中 での 挙 動 と 堆 積 物 記 録 への 応 用 を 紹 介 する. 1) 東 北 大 学 大 学 院 理 学 研 究 科 ( 連 携 講 座 ): 2 生 物 起 源 物 質 2-a. 有 機 物 海 洋 表 層 では 生 物 の 光 合 成 の 働 きによって 二 酸 化 炭 素 と 栄 養 塩 から 有 機 物 が 形 成 されている. 生 産 された 有 機 物 のほとんどは, 呼 吸 や 食 物 連 鎖 の 過 程 で 酸 化 分 解 され 二 酸 化 炭 素 に 戻 るが, 一 部 の 粒 子 状 有 機 物 は 深 層 に 沈 降 している. 沈 降 粒 子 と なって 深 層 へ 移 動 した 粒 子 状 有 機 物 も,そのほと んどが 絶 えず 溶 解 したり 酸 化 分 解 されたりして 二 酸 化 炭 素 に 戻 り,ほんの 一 部 が 堆 積 物 中 に 埋 没 する. 深 層 で 再 生 した 二 酸 化 炭 素 は 海 洋 の 深 層 循 環 など によりゆっりと 表 層 に 戻 る. 溶 存 二 酸 化 炭 素 は 海 洋 表 層 に 豊 富 に 存 在 してい るので, 生 物 生 産 を 規 制 しているのは 一 般 に 栄 養 塩 である.したがって, 生 物 生 産 がさかんな 海 域 は, 栄 養 塩 が 豊 當 に 供 給 される 場 所 に 限 られる. 外 洋 においてこのような 条 件 を 満 たす 海 域 は 大 き 分 けて2 種 類 ある.1つは, 赤 道 湧 男 帯 に 代 表 さ れる, 貿 易 風 やモンスーンなど 一 定 方 向 に 吹 風 に よって 表 層 水 が 押 し 流 され,それを 補 って 深 層 水 が 上 がって 来 る 湧 昇 域 である.もう 一 つは, 南 極 海 やべ 一 リング 海 に 代 表 される 高 緯 度 海 域 で, 冬 期 に 強 風 と 激 しい 冷 却 によって 混 合 層 の 深 度 が 増 し, 下 層 にあった 栄 養 塩 が 表 層 に 取 り 込 まれてい る. 亜 熱 帯 海 域 では, 温 度 躍 層 が 発 達 しているた め, 表 層 と 深 層 の 混 合 が 起 こりに, 深 層 からの 栄 養 塩 の 供 給 は 弱 い 拡 散 作 用 によってしか 行 われ ず, 生 物 生 産 は 低 なっている. 2-b. 炭 酸 カルシウム 殻 炭 酸 カルシウムを 形 成 するプランクトンは, 外 洋 域 においては 主 に 円 石 藻, 有 孔 虫, 翼 足 類 であ る. 炭 酸 カルシウムには2 種 類 の 結 晶 系 があり, 生 キーワード: 生 物 ボンブ, 無 機 元 素, 溶 存 濃 度 の 鉛 直 分 布 980-8578 宮 城 県 仙 台 市 青 葉 区 荒 巻 字 青 葉
生 物 ポンプにともなう 無 機 元 素 の 挙 動 一 時 にバリウムとゲルマニウムについて 一 一 11 一 策 1 表 炭 酸 カルシウム 束 に 占 める 生 物 種 の 割 合. 炭 酸 カルシウム 粒 子 束 に 占 める 割 合 (%) 䡯 湪 漨 ㄹ 㜸 敵 獥 牡 湤 副 獳 㤸 㤩 䙡 扗 㤸 㤩 ココリス5962 浮 遊 性 有 孔 虫 2922 翼 足 類 716 㔹 ⴷ 㜀 ㄸⴳ 㐭 ㄳ 物 の 種 類 によって,カルサイト(Ca1Cite: 方 解 石 )と アラゴナイト(aragcmite:アラレ 石 )の 殻 を 持 つもの にわかれる. 炭 酸 カルシウム 粒 子 束 に 占 める 生 物 の 種 類 の 割 合 をみると,カルサイト 殻 をもつ 円 石 藻 がほぼ 半 分 以 上 を 占 め,アラゴナイト 殻 の 翼 足 類 は 1 割 程 度 である( 第 1 表 ).また, 海 洋 においてアラ ゴナイトはカルサイトよりも 溶 けやすいため, 古 海 洋 の 研 究 では, 深 海 堆 積 物 に 残 りやすいカルサイト 殻 を 持 つ 有 孔 虫 と 円 石 藻 が 主 に 使 われている. 水 深 3,000m 程 のところに,リンクラインと 呼 ばれる 急 速 に 溶 解 が 進 み 始 める 深 度 があり,この 深 度 以 深 では 炭 酸 カルシウムは 溶 解 の 影 響 下 にある.した がって, 堆 積 物 中 に 残 る 炭 酸 カルシウムの 量 は, 炭 酸 カルシウムの 溶 解 量 と 生 産 量 に 支 配 されてい る.セジメントトラップ 観 測 によると, 全 粒 子 束 に 対 する 炭 酸 カルシウムの 割 合 は, 低 緯 度 海 域 で 高 高 緯 度 海 域 で 低 い 傾 向 をもつが, 絶 対 量 は 経 度 方 向 にはあまり 変 化 していない. 炭 酸 カルシウム 結 晶 中 のカルシウムのサイトをSr (ストロンチウム),Mg(マグネシウム),Ba(バリウ ム)が 置 換 することがあり,この 置 換 の 度 合 から 過 去 の 海 水 組 成 や 水 温 などを 推 定 することができる. また, 炭 酸 カルシウムの 沈 降 粒 子 は 溶 存 アルミニ ウムを 吸 着 し, 深 層 へ 輸 送 する 働 きがあると 考 えら れている(Murrayefa 五,1993). 2-c.オパール 質 ケイ 酸 殻 オパール 質 ケイ 酸 殻 を 形 成 する 生 物 は 放 散 虫, 珪 藻, 珪 質 鞭 毛 藻 である. 海 底 堆 積 物 中 での 生 物 起 源 オパール 含 有 量 の 水 平 分 布 をみると, 含 有 量 は 南 極 海 で 最 も 高, 次 いで 赤 道 湧 昇 海 域, 北 西 太 平 洋 域 の 順 である(BroeckerandPeng,1982). このオパール 含 有 量 の 高 い 海 域 は 基 礎 生 産 量 の 高 い 海 域 と 一 致 しており(Lisitsyn,1967),ケイ 酸 塩 殻 生 物 が 一 次 生 産 者 として 重 要 であることを 示 して る. 生 物 の 種 類 について 比 較 すると 赤 道 域 では 放 散 虫 が 多, 南 極 海, 北 西 太 平 洋 といった 高 緯 度 1998 年 8 月 号 域 では 珪 藻 が 多 い. 海 洋 では 全 深 度 でオパールに 関 して 不 飽 和 なので,オパールの 堆 積 物 中 の 保 存 量 を 決 める 因 子 は, 水 深, 表 層 の 温 度,ケイ 酸 塩 生 成 生 物 の 殻 の 構 造 や 群 集 組 成 と 沈 降 形 態 などで あるが,まだ 定 量 的 に 扱 える 段 階 には 達 していな い. 3 無 機 元 素 の 挙 動 海 洋 の 微 量 元 素 の 信 頼 される 鉛 直 分 布 は,ぽぽ GEOSECS 計 画 からはじまり, 現 在 もデータが 蓄 積 されつつある. 栄 養 塩 は 表 層 で 低 深 層 で 高 い 分 布 を 示 しているが,Be(ベリリウム),Fe( 鉄 ),Ni (ニッケル),Cu( 銅 ),Zn( 亜 鉛 ),Ge(ゲルマニウ ム),Ag( 銀 ),Cd(カドミウム),Ba,Ra(ラジウム) などの 多 の 元 素 の 濃 度 も, 栄 養 塩 に 類 似 した 鉛 直 分 布 を 示 している( 野 崎,1995). 各 栄 養 塩 に 対 する 相 関 をみると,N( 窒 素 )と 良 い 相 関 を 持 つも のはFe,P(リン)に 対 してはCd,Si(ケイ 素 )では Ge,Ag,Zn,と 分 けられる. 一 方,Be,Ba,Se (セレン),Niは 栄 養 塩 と 似 た 分 布 をしているが, 単 純 にN,P,Siとは 相 関 しない.また,Cuは, 栄 養 塩 に 類 似 した 鉛 直 分 布 を 持 つほかの 元 素 と 異 なり 深 度 にともなってほぼ 単 調 に 増 加 している. Bru1and(1983)はこれらの 栄 養 塩 型 の 鉛 直 分 布 を 持 つ 元 素 を 次 の3つに 分 類 した.(1) 浅 いところ で 再 生 し 中 層 で 濃 度 が 最 大 値 をとる 元 素 群.(2) 比 較 的 深 いところで 再 生 し 深 層 で 濃 度 が 最 大 値 をと る 元 素 群.(3) 再 生 が 比 較 的 浅 いところでも 深 層 で も 起 こっている 元 素 群.(1)の 鉛 直 分 布 は,PやN のような 生 体 の 柔 組 織 を 形 成 する 栄 養 塩 の 鉛 直 分 布 に 類 似 している. 柔 組 織 は 分 解 されやすいので, 比 較 的 浅 い 深 度 で 再 生 する. 生 物 が 積 極 的 に 摂 取 している 代 表 的 な 元 素 としてFeがあげられ,これ は 酵 素 系 に 必 要 とされる 元 素 である(Martinefa 五, 1988).しかし, 酵 素 系 で 使 われていないと 考 えら れるCdが,Pと 強 い 正 の 相 関 を 取 ることが 知 られ ている(Boy1eef 五,1976;Bruland1980).(2)の 鉛 直 分 布 はSiの 鉛 直 分 布 に 類 似 している.これら の 元 素 は, 炭 酸 カルシウムやオパールの 殻 を 形 成 する 生 物 の 結 晶 格 子 中 に 取 り 込 まれると 考 えられ る. 骨 格 や 殻 は 柔 組 織 より 分 解 されにいので,こ れらの 元 素 はPやNよりも 再 生 する 深 度 が 深 なっ
一 12 一 前 田 玲 奈 㠰 角 ト 冒 600 撃 マ 㬀 一 400 目 賞 㠲 恩 さ 䅬 汓 楴 敳 桡 汬 潷 瑲 慰 猩 Corg 宝 36.2Ba+45.8 刽 㤳 舎 / 㐀 舎!! ぺ//れ 命 令 〆 吟 1 終 令 希! 命 〵ㄵ 䉡 楯 汵 砀 第 1 図 有 機 炭 素 量 とバリウム 濃 度 の 散 布 図. 北 西 大 西 洋, 赤 道 太 平 洋, 北 東 太 平 洋 の 浅 部 のセジメント トラップ 観 測 から 得 られたものを 示 した(Dymond efa 五,1992). ている.(3)の 元 素 の 輸 送 機 構 としては, 沈 降 粒 子 表 面 の 微 細 環 境 下 で 無 機 的 な 沈 殿 によって 深 層 に 運 搬 されたり, 海 底 での 溶 解 再 生 による 循 環 など が 考 えられている. (1)や(2)の 鉛 直 分 布 を 取 る 元 素 は,それぞれの 栄 養 塩 の 挙 動 についての 間 接 指 標 (proxy)となる ことが 期 待 され 研 究 が 進 みつつある. 特 にCdにつ いては, 海 水 申 の 濃 度 が 有 孔 虫 殻 中 に 記 録 される ことから, 栄 養 塩 のPの 間 接 指 標 として 研 尭 が 最 も 進 んでおり,その 総 説 も 多 い(たとえばDeBaare 亡 a 五,1994).そこで,ここではCd 以 外 の 元 素 で 研 究 の 進 んでいるBaとGeについてとりあげてまとめる. 3-a 一 バリウム 3-a-1. 海 水 中 のバリウムの 挙 動 溶 存 バリウム 濃 度 の 鉛 直 分 布 は, 表 層 水 中 で 非 常 に 低 深 層 水 中 に 高 なるという 硝 酸 塩 やリン 酸 塩 などの 栄 養 塩 の 鉛 直 分 布 と 類 似 しており,これ は 表 層 での 生 物 による 摂 取 と 深 海 での 沈 降 粒 子 の 溶 解 による 供 給 を 示 唆 している(Chane 亡 五,1976. 1977;Jeandelefa 五,1996).これまで, 海 洋 循 環 のトレーサーであるラジウムー226の 代 用 になると 考 えられて, 海 水 中 のバリウム 濃 度 のマッピングが 全 海 洋 で 行 われてきた. 第 1 図 に 示 すように, 海 水 中 の 粒 子 状 バリウムの 量 は, 粒 子 状 有 機 炭 素 とよい 正 の 相 関 を 持 ってい る.Dymondef 五 (1992)は,セジメントトラップ 観 䑥 灴 栨 洩 䍯 牧 愀 〴 〸 〱ㄶ〲 ヒ コ 㐰 㔰 CalifomiaCu 耐 entヅ 山 ' 一 一 '!\ Ⅼ 坁 愬 档 1!E 榊 り 第 2 図 深 度 に 対 する 有 機 炭 素 /バリウム 比 の 変 化 セジメ ントトラップ 観 測 サンプルから 得 られた 有 機 炭 素 量 とバリウム 量 の 比 をプロットしたものの 回 帰 曲 線 を 示 した(Dymonde 亡 a 五,1992). 測 によって, 粒 子 状 の 生 物 起 源 バリウムと 有 機 炭 素 の 深 度 分 布 を 測 定 した.その 結 果, 生 物 起 源 バリ ウム 粒 子 束 は 深 度 が 増 すにつれて 増 加 するが, 有 機 炭 素 粒 子 束 は 分 解 を 受 けて 減 少 することがわか った.そのため, 有 機 炭 素 粒 子 束 の 生 物 起 源 バリ ウム 粒 子 束 に 対 する 比 (Corg/bio-Ba)は, 深 度 が 増 すにつれて 減 少 していた.また,その 減 少 率 は 海 域 によって 異 なり, 大 西 洋 で 小 さ 太 平 洋 では 大 きなっていた( 第 2 図 ). Bishop(1988)は 海 洋 上 層 の 懸 濁 粒 子 中 に 含 ま れるバリウム 濃 度 を1-53μmの 小 さい 粒 子 と53μm より 大 きい 粒 子 に 分 けて 測 定 した.その 結 果, 懸 濁 粒 子 中 のバリウム 濃 度 は, 表 層 水 中 では 大 きい 粒 子 で 高, 有 光 層 の 下 層 の 酸 素 極 小 層 では 小 さ い 粒 子 で 高 なることが 示 された. 小 さい 粒 子 中 の バリウム 濃 度 は 酸 素 極 小 層 で 最 大 値 を 取 って,そ れより 深 なるにつれてわずかに 減 少 していた.ま た, 懸 濁 粒 子 の 分 析 (Dehairse 亡 五,1980;B1shop,1988)によって, 粒 子 状 のバリウムはほとんど がバライト(BaS04)の 結 晶 中 に 含 まれ,それが 表 層 から 深 層 への 主 な 経 路 となっていることが 明 らか になった.バライト 粒 子 は 海 洋 では 一 般 的 な 懸 濁 物 質 で, 表 層 の 基 礎 生 産 の 多 いところでバライト 粒 子 も 多 なっている. 海 水 はバライトに 関 して 不 飽
生 物 ポンプにともなう 無 機 元 素 の 挙 動 一 時 にバリウムとゲルマニウムについて 一 一 13 一 言 δ400 Φ さ 〳 GeoB,O 伽 CaC03(%)TOC(%)Ba(PPm)8a 榊 e(%)sed ratecac03tocopal 1 側 1mm 1 1 国 制 mm 1cm 吋.1gm.2W'1 岬 2y gmミリ 5070900 00 51 00100020000 00 10 20 312;1010200.00.10.00.10.20.30.00 GeoBてH7 䍡 䌰 ナノ 呏 䌨 㡡 灭 慲 楴 攨 卥 搮 牡 瑥 ⴱ bu1 由 陥 d1m8n 一 一 u1 実 8 記 111,on-6m 吋 r 㘰 㜰 㤰 〵 ㄲフ ッシェル 1 40o ε 3 o 伀 ω さ 〸 ㄲ 漂 尊 1 曙 ピ 〱〲 ⱏ 伮 Φω 㡡 物 瑥 漭 け 鵠 ωω 〲 〴ⴀ 㐀 㬀 㜀 ㄱ 0ω 0 一 ω o l 榊 8 淋 粥 〴 アハ ート 㐀 㔀 㘀 昀 㘀 㜀 1 t 1 i 1 團 Gl i 1 醸 1 i it 第 3 図 南 大 西 洋 アフリカ 沖 の 堆 積 物 コアの 記 録.GeoB1041は03.28.21S,07.35.8 W 水 深 4,034m,GeoB1117は03. 48.51S,14.43.2W 水 深 3,984mから 得 られた.GeoB1041がより 大 陸 側 に 位 置 している(Ginge1eandDahmke, ㄹ 㤴 和 である. しかし, 今 のところバライト 形 成 のはっきりとした メカニズムはわかっていない.バライトの 形 成 過 程 にはいつかあるらし,プランクトンや 底 生 生 物 に よって 形 成 されるバライトや(Dehairse 亡 五,1987), 中 央 海 嶺 周 辺 での 熱 水 活 動 による 供 給 (ArrheniusandBcmatti,1965;Dymond,1981)などが 提 案 されている.しかし,バライト 粒 子 濃 度 の 深 度 分 布 やCorg/b1o-Baプロファイルから,ほとんどのバ ライトは 有 機 物 の 懸 濁 粒 子 表 面 の 微 細 な 環 境 にお いて, 還 元 的 で 硫 酸 塩 に 富 む 状 態 になると, 無 機 的 に 沈 殿 すると 考 えられている. 3-a-2. 堆 積 物 中 のバリウム 堆 積 物 中 のバリウムは,バライト 以 外 にも 炭 酸 カ ルシウム,オパール, 有 機 物, 陸 源 物 質 のアルミノ ケイ 酸 塩 に 微 量 元 素 として 含 まれている. 堆 積 物 申 のバライト 含 有 量 を 求 めるには,X 線 回 折 法 を 用 いてバライト 結 晶 のピークの 高 さからバライト 含 有 量 を 求 める 方 法 と,バリウムの 化 学 分 析 値 を 補 正 計 算 して 含 有 量 を 求 める 方 法 がある.Ginge1eand 1998 年 8 月 号
一 14 一 前 田 玲 奈 䔀 漮 漽 㰀 ヒ コ ㄱ 㴴 㔀 全 ム 於 ムム 組 ムム 机 払 金 全 ムムム ムヘ 伮 住 伮 〱 〲 〳 〴 〵 歩 䔀 漬 䔀 漺 ε 藺 匝 伮 〱 〲 〳 〴 〵 n=206マ ー 0,296ムム ぬ 必 {キロ 会 批 8 ム 弦 占 〱 〲 〳 〴 ARb it.9m22y 〱 〳 㐰 〵 寸 σ 0 ト 0 伀 Φ σ it m22 一 1 it m22 でバライト 含 有 量 をその2 種 類 の 方 法 で 求 めた. 補 正 計 算 では,バライト 以 外 のバリウム 含 有 量 (Bab ) 仮 定 し, 以 下 の 関 係 式 を 用 いた. Babg=(30ppm*CaC03/100) 十 (120ppm* Ba t=bat.t-bab 冨 䉡 物 瑥 㩂 慮 有 量 (%),A1-Silicはアルミノケイ 酸 塩 含 有 量 (%), Ba tはバライト 中 のバリウム 量,Bat.tは 堆 積 物 中 の によるバライト 含 有 量 の 値 は 正 の 良 い 相 関 を 示 し, 相 関 係 数 は0.8(n=320)であった.これらの 方 法 で ライト 含 有 量 のダウンコァでの 変 動 峠, 氷 期 に 高 間 氷 期 に 低 い 周 期 的 な 変 動 を 示 している( 第 3 図 ). を 比 較 すると,GeoB1041の 相 関 係 数 が0.72(ド 45),GeoB1117の 相 関 係 数 がO.60(n=206)であ 同 位 体 ステージ6と8で 相 対 的 に 高,ステージ5, 7,9で 低 い 値 を 取 り,バライトの 変 動 に 類 似 してい このように,バライトの 沈 積 流 量 は 有 機 炭 素 沈 積 流 量 ともっともよい 相 関 をもつことが 示 された. ゲルマニウムは 地 殻 中 では 微 量 元 素 であるため 海 水 中 の 濃 度 も 非 常 に 低 い. 海 洋 中 でのゲルマニ マニウムの 形 もとるらしいが,ここではこの 中 から 無 機 ゲルマニウムの 挙 動 についてまとめる. ケイ 素 に 置 換 してわずかに 存 在 する. 海 水 中 の 溶 存 無 機 ゲルマニウムの 供 給 源 は2 種 類 あり, 岩 石 の る.ゲルマニウムに 対 するケイ 素 の 比 (Ge/Si)は 供 給 源 で 異 なる.Ge/Si 比 の 平 均 値 は, 河 川 の 場 合 ている. 第 5 図 に 各 海 盆 の 無 機 ゲルマニウム 濃 度 の 鉛 直 0.20.10.O n=45ムr=o.719ムムムムム 会 ムムムニ 及 ム F 寸 F0コ 1σ रⰰ ⰰⰰⰰヒ コⰰ 㐰 㔉 I 藺 匝 第 4 図 堆 積 物 サンプル 中 のバライトとほかの 生 物 起 源 物 質 との 散 布 図 (GingeleandDahmke,1994). Dahmke(1994)は, 南 大 西 洋 の5つコアサンブル を 炭 酸 カルシウムで30ppm,オパールで120ppm, 有 機 炭 素 で60ppm,アルミノケイ 酸 塩 で400ppmと 0pa1/100) 十 (60ppm*TOC/100) 十 灐 洪 䅬 ⵓ 椱 楣 ここで CaC03は 炭 酸 カルシウム 含 有 量 (%), Opa1はオパール 含 有 量 (%),TOCは 有 機 炭 素 含 全 バリウム 含 有 量 とした. このようにして 求 めた 化 学 分 析 値 とX 線 回 折 法 求 められた 南 大 西 洋, アフリカ 沖 の 赤 道 発 散 帯 に 位 置 する2 本 コア(GeoB1041,GeoB1117)のバ これは 有 機 炭 素 含 有 量 の 変 動 と, 正 の 良 い 相 関 を 示 している. 第 4 図 に 示 すように, 沈 積 流 量 で 両 者 る. 次 にGeoB1117のオパールと 炭 酸 カルシウム の 沈 積 流 量 の 変 動 についてみる.オパールは 酸 素 るように 見 えるが, 相 関 係 数 は 低 い. 炭 酸 カルシウ ムではバライトの 変 動 との 類 似 性 もみられない. 3-b.ゲルマニウム 3-b 一 て 一 海 水 中 における 無 機 ゲルマニウムの 挙 動 ウムは, 主 に 無 機 ゲルマニウム[Ge(0H)4]として 存 在 するほか,メチルゲルマニウムやジエチルゲル ゲルマニウムは, 化 学 的 性 質 や 原 子 の 大 きさが ケイ 素 と 似 ているため, 鉱 物 中 では 結 晶 格 子 中 の 風 化 したものが 河 川 などを 通 じて 海 洋 に 運 搬 され るものと, 中 央 海 嶺 での 熱 水 活 動 によるものがあ O.58*10 石 (MortlockandFroe1ich,1987), 熱 水 孔 の 場 合 8-14*10 6(Mortlocke 亡 a 五,1993)となっ
生 物 ポンプにともなう 無 機 元 素 の 挙 動 一 時 にバリウムとゲルマニウムについて 一 一 15 一 䝥 䴩 〲〴 〸 〱 ㄲ〱 㐰 ω 䌰 ヒ コ 㐰 㔰 εloo 粛 ~ 災 ノ1 {Ge o=3.6±o.4pm{p.ool 邊. SEAWATER o~ 肌 州 丁 1CccE 州 GlS 匡 N01101 18 1HOl{ OCE^^{C.O^RW1H.5-2,4,7 o 86 2NWP^C1 戸 COCE^H-6EOSEC5227,1 ヨ2 8E 日 1 C3 団 ^t6 団 0SECS219,1 21 ^N 了 {RCTICOC 匡 ^ 一 CEOS 匡 CS293,1,147 㘰 第 5 図 溶 存 ゲルマニウムの 鉛 直 分 布 (Froelichand 䅮 摲 敡 ⰱ 㤸 ㄩ 分 布 を 示 す(Froe1ichandAndrea,1981;Froelich eτ 五 1985.1989). 無 機 ゲルマニウム 濃 度 は, 表 層 で 低 深 層 で 高 いという 栄 養 塩 に 類 似 した 鉛 直 分 布 を 示 している. 無 機 ゲルマニウムは, 溶 存 シリ カと 比 較 すると 良 い 正 の 相 関 を 示 すが,リン 酸 や 硝 酸 に 対 しての 相 関 は 良 ない(Froe1ichand Andrea,1981).このことから 無 機 ゲルマニウムは 生 物 の 硬 組 織 に 摂 取 され, 有 機 炭 素 や 窒 素,リン 酸 よりも 深 い 深 度 で 溶 解 すると 考 えられる.また, 無 機 ゲルマニウム 値 が 特 に 低 い 北 大 西 洋 を 除 と, Ge/Si 比 の 値 は 大 洋 間 でほとんど 違 いがない. 第 6 図 に 全 海 洋 の 無 機 ゲルマニウムとシリカの 散 布 図 を 示 す.その 回 帰 式 は 次 のようになる (Froeliche 亡 a1.,1989). Ge(pM)=(O.699±0.O04*10.6)*Si(μM) 十 녏 爲 㴰 ⰹ 㤲 このように, 無 機 ゲルマニウムはシリカに 対 して, 高 い 相 関 係 数 を 伴 いながら 変 動 している.また, 回 帰 式 の 無 機 ゲルマニウム 軸 の 切 片 は, 正 の 値 を とっている. 3-b-2.オパール 質 ケイ 酸 塩 穀 Ge!Si 比 オパール 質 ケイ 酸 塩 殻 を 持 つプランクトンには, 珪 藻 と 放 散 虫 がある.MumaneandSta11ard (1988)は, 海 水 のGe/Si 比 を 最 も 良 反 映 してい るオパール 質 ケイ 酸 塩 殻 申 のGe/Si[(Ge/Si) 1] をもつ 生 物 として,32μm 以 下 の 珪 藻 を 提 案 してい 1998 年 8 月 号 佬 估 SilμM 第 6 図 大 西 洋,インド 洋, 北 西 太 平 洋,べ 一 リング 海, 南 極 海 の 溶 存 ゲルマニウムと 溶 存 シリカの 散 布 図 (Froelichefa 五,1989). る.その 理 由 は,64μm 以 上 の 放 散 虫 や 大 きな 珪 藻 では,(Ge/Si) 副 Iがより 低 い 値 を 取 ってばらつき も 多 いためである. ところで, 海 水 中 の 溶 存 ゲルマニウムとケイ 素 の 回 帰 直 線 は,ゲルマニウム 軸 に 対 して 正 の 切 片 を とっている.これを 説 明 するために,Mumaneand Sta11ard(1988)は, 珪 藻 がオパール 質 ケイ 酸 塩 殻 を 形 成 するときに,ゲルマニウムをケイ 素 の 重 い 同 位 体 として 取 り 込 んでいて, 分 別 作 用 が 働 ためで あると 考 えた.これに 対 しFroeliche 亡 a 五 (1992)は 2 種 類 の 代 表 的 な 海 洋 種 の 珪 藻,n 1 ss1os1ra oce 刎 1c とna1 ss1os1raaηfarcffc のケイ 素 とゲ ルマニウムをオパール 質 ケイ 酸 塩 殻 中 に 取 り 込 む 割 合 を 求 めるため, 培 養 実 験 を 行 った.その 結 果, 急 激 に 成 長 するとき 珪 藻 は 海 水 のGe/Si 比 のまま 取 り 込 んでいる 事 を 示 した. 海 洋 表 層 の 低 シリカ 濃 度 の 定 常 状 態 での 成 長 中 においては, 南 極 種 (Taη 亡 arc 亡 fca)はわずかにゲルマニウムを 分 別 して いるが, 成 長 周 期 を 通 して 蓄 積 された(Ge/Si) p 割 1 は 海 水 中 でのGe/Si 比 と 区 別 することはできなか った.したがって,(Ge/Si) p.iは, 形 成 時 の 周 囲 の 海 水 Ge/Siを 反 映 していると 考 えた.Shemeshef a 五 (1988)は, 北 太 平 洋 と 南 極 海 の 完 新 世 に 相 当 するコアトップサンブルで,(Ge/Si),1を 分 析 し, 0,693±O.039*10'6という 結 果 をえた.この 値 は, 現 在 の 海 水 Ge/Si 比 (O.699±0,004*1016)とほぼ 同 じである.
一 16 一 前 田 玲 奈 愰 ば 慬 䝥 椀 (pm/μm) 㜀 㘀 㔀 硸 ぷ 十 乱 キロ 枚 硸 硸 砀 糾 十 ζ 十 十 砀 十 ト ル Prebmmed Si1ica(μM) 㔀 ㄳ フ ッシェル 戀 㠰 㘰 ば 慬 〲〴 㘰 㠰 〱ㄴ 䅧 攨 歹 爩 㐷 剃 ㄳⴲ 㔹 㑓 AntarctiひAOantic 十 E1τ9 RC1み259 餓 RC1L76 減 RC11-77 企 RC11-78 鰯 RC13-271 口 RC15-93 RC13-254 す ⴱ 〸 禽 Y29-105 㜰 伮 㘰 䝥 椀 (pm/μm) 㔰 㐰 〱 〳 㐰 〵 Age 吋 ) 第 7 図 南 大 西 洋 セクション 南 極 海 の 堆 積 物 コアから 得 られた(Ge/Si) 目 1の 記 録.a:150kyrまでの 記 録. 黒 で 示 された ものはPolarFrontZoneの 南 側 のコア, 自 で 示 されたものはその 北 側 のコアの 値 である.E-17のみ 南 太 平 洋 セクシ ョンである.b:PolarFrcmtZoneの 南 側 から 得 られたコアの 記 録. 自 丸 はオパール%, 黒 丸 が(Ge/Si) 記 1である (Froeliche 亡 a1,1992). 3-b-3. 堆 積 物 の 記 録 Froelichefa 五 (1989)は, 太 平 洋 側 の 南 極 海 の コアE17 二 9の 最 終 氷 期 末 期 の(Ge/Si) 割 1の 分 析 を 行 った.その 結 果,(Ge/Si) p 田 1は 氷 期 の 約 O.5*10 から 最 終 氷 期 末 期 の 約 O.7*10 光 まで, 約 5,000 年 の 間 に 増 加 していた. 大 西 洋 側 の 南 極 海 のピストンコ アRC13-259からえられたデータ(Mortlockefa 五, 1991)は, 酸 素 同 位 体 ステージ2,6,8,10の 氷 期 の (Ge/Si) 日 1はO.45~0.60*10-6で, 完 新 世 と 間 氷 期 のステージ5e,7,9,11の 値 (>0.7*10{)よりも 低 い.また,(Ge/Si) 1が 低 いときはオパール%も 低, 高 いときには 高 なっている( 第 7 図 ). オパールの 沈 積 流 量 と(Ge/Si) p,1の 変 動 を 局 地 的 な 生 物 起 源 オパール 生 産 量 の 変 化 によるものと 仮 定 すると,(Ge/Si) p 副 Iは 表 層 水 中 の 溶 存 シリカ 濃 度 と 生 物 起 源 オパール 生 産 量 の 変 化 を 反 映 してい ることになる.(Ge/Si) p.1の 変 化 は, 河 川 からの 溶 存 シリカの 供 給 量 の 変 化 や, 熱 水 活 動 の 変 化 など も 考 慮 しなければならない.Froelichefa 五 (1989) では,それによる 全 海 洋 の 海 水 のGe/Si 比 の 変 化 は, 海 水 中 のシリカとゲルマニウムの 供 給 量 の 変 化 に 対 する 反 応 速 度 が2 万 年 なので,(Ge/Si) 1の1 万 年 以 下 の 速 い 変 化 を 引 き 起 こすことはできない とした.したがって,(Ge/Si) Iの 記 録 は, 表 層 水
生 物 ポンプにともなう 無 機 元 素 の 挙 動 一 時 にバリウムとゲルマニウムについて 一 一 17 一 中 の 溶 存 シリカ 濃 度 の 変 化 と 生 物 によるオパール 形 成 量 の 変 化 の 両 方 を 反 映 していると 考 えられる. しかし,Froelichef 1.(1992)は, 珪 藻 の 培 養 実 験 によって 珪 藻 が 殻 形 成 時 に 大 きなGe/S1 比 分 別 をしていないことを 示 した.そして(Ge/Si) 割 1の 変 動 は 海 水 のGe/Si 比 の 変 動 を 表 しており, 海 水 の GelSi 比 が 風 化 にともなう 河 川 からのシリカ 供 給 量 によって 変 動 し, 風 化 度 の 指 標 となる 事 を 示 すと 考 えた. 4,まとめ 海 水 中 の 微 量 元 素 の 多 が 栄 養 塩 型 の 鉛 直 分 布 を 表 している.その 理 由 として 次 の3つが 考 えられ る:(1) 酵 素 系 に 利 用 するため 積 極 的 に 生 物 が 摂 取 しているもの,(2) 化 学 的 性 質 の 類 似 によって 生 体 殻 に 取 り 込 まれるもの,(3) 粒 子 態 有 機 物 の 表 面 に 無 機 的 に 沈 殿 するもの. バリウムは 沈 降 粒 子 の 分 析 によって, 粒 子 表 面 上 に 無 機 的 な 沈 殿 をしていることがわかり, 生 物 ポ ンプの 働 きとの 深 い 関 係 が 明 らかになった. ゲルマニウムは,ケイ 素 の 鉛 直 分 布 との 強 い 相 関 から,オパール 殻 形 成 時 に 取 り 込 まれていること は 明 らかである.しかし, 堆 積 物 の(Ge/Si) 割 1の 記 録 が 何 を 示 しているのかは,まだはっきりとしてい ない. 生 物 ボンブによる 無 機 元 素 の 鉛 直 輸 送 のメカニ ズムを 明 らかにするためには,セジメントトラップ 観 測 で 採 取 された 沈 降 粒 子 の 分 析 によって 沈 降 過 程 における 挙 動 と, 培 養 実 験 を 通 じて 生 体 への 無 機. 元 素 の 取 り 込 み 方 を 明 らかにする 必 要 がある. 謝 辞 1 地 質 調 査 所 海 洋 地 質 部 の 川 幡 穂 高 博 士 には 原 稿 を 読 んでいただき, 様 々なご 指 導 をいただい た.また, 東 北 大 学 大 学 院 の 斎 藤 出 氏 と 東 京 大 学 海 洋 研 究 所 の 江 口 暢 久 氏 には, 原 稿 をまとめる にあたりコメントをいただいた.ここに 感 謝 いたしま す. 文 献 䅲 牨 敮 極 猬 䜮 ⱡ 湤 䉯 湡 瑴 椬 䔮 㤶 㔩 㩎 数 瑵 湩 獭 慮 摶 甭 捡 湩 獭 楮 theocean,progressiveoceanog1' 副 phy3,7-22. Bishop,J.KB.(1988):Thebarite-opa! 一 〇 rganiccarbonassociationin oceanicparticulatenla 耐 er,nature332,341-343. Boy1e,E.A.,Sclater,F.,andEdmond,J.M (1976):0nthemarine 来 潣 桥 浩 獴 特 潦 捡 摭 極 洬 乡 瑵 牥 ハ ーツ 㐲 ⴴ 㐮 Broecker,W.S,andPemg,T. 一 H.(1982):Tracersinthesea.,Lamonレ 䑯 桥 摹 䝥 潬 潧 楣 慉 佢 獥 渱 慴 潲 礬 㘹 ば 瀮 Bmland,K.W.(1980):0ce 証 nographicdistributionsofcadmimn, zinc,nicke1,andcopperintheno11=hpaciic,ea 耐 handp1aneta1γ 卩 敮 捥 ㅥ 瑴 敲 猴 㜬 ㄷ 㘭 ㄹ 㠮 䉭 ㅡ 湤 ⱋ ㄹ 㠳 呲 慣 敥 汥 浥 湴 獩 湳 敡 睡 瑥 爬 䍨 敭 楣 慬 Ocea 口 graphy2ndedd tion8,j.p.ri1eyandr.chestereds., 䅣 慤 敭 楣 偲 敳 猬 䱯 湤 潮 㔷 ⴲ Chm,L.H.,EdmondJ.M.,S 腕 11ard,R.F.,Broecker,W.S.,Chumg,Y.C., Weiss,R.F.,andKu,T.L.(1976):R 盆 diumandbariumat GEOSECSsta 日 nin 砒 eat1 割 nticandpac 面,E 脈 handplanetary ScienceLe 航 ers32,258-267. Chan,L.H.,Drummond,D.,Edmond,J.M,andGr 罰 nt,b.(1977): 0nthebariumdata 仕 mtheatlanticgeosecsexped 耐 n, 䑥 数 ⵓ 敡 剥 獥 慲 捨 ⰶㄳⴶ 㐹 DeBaar,H.J.W.,Saager,P.M.,Noltimg,R.F.,andvanderMeer,J. (1994)1Cadmiumversusphosphate1n 曲 eworldocean,marine 䍨 敭 ㅳ 瑲 礴 㘬 ㄭ Dehairs,F.,Chesselet,R,andJedwabJ.(1980)1Discretesuspended 灡 牴 楣 ㅥ 獯 晢 慨 瑥 慮 摴 桥 扡 物 畭 捹 捬 敩 湴 桥 潰 敮 潣 敡 測 䕡 牴 栀 慮 摐 ㅡ 湥 瑡 特 卣 楥 湣 敌 攱 㵴 敲 猴 㤬 㔲 㠭 㔵 Dehairs,F.,Lambeれ,C.E.,Chesse1et,R.,and 肥 s1er,n (1987): 周 敢 楯 汯 杩 捡 汰 牯 摵 捴 楯 湯 晭 慲 楮 敳 畳 灥 湤 敤 扡 物 瑥 慮 摴 桥 b 出 umcyc1ein 此 ewestemmed1terraneanseabiogeochem1s 町 㐬 ㄱ 㤭 ㄳ 㤮 Deuser,W.G.andRoss,E.H.(1989):Seasomllyahmmdantplank- 瑯 湩 捦 潲 慭 楮 楦 敲 慯 晴 桥 卡 牧 慳 獯 卥 愺 獵 捣 敳 獩 潮 Ɽ 敥 瀭 睡 瑥 爀 䡵 硥 猬 楳 潴 潰 楣 捯 浰 潳 楴 楯 湳 ⱡ 湤 灡 汥 潣 敡 湯 杲 慰 桩 挱 浰 汩 捡 ⴀ 瑩 潮 猬 䩯 畭 慬 潦 䙯 牡 浩 湩 晥 牡 ㅒ 敳 敡 牣 栬 ㄹⰲ 㘸 ⴲ 㤳 Dymond,J.(1981):Geochemis 亡 ryofnazcaplatesu 由 esediments: Aneva1uationofhydrotherma1,biogenic,detr 三 tal,andhydrogenoussources,geologicalsocie 蚊 famericamemoir154,133- ㄷ 㐮 䑹 浯 湤 ⱊ 卵 敳 猬 䔮 ⱡ 湤 䱹 ⵥⱍ ㄹ 㤲 䉡 物 畭 楮 摥 数 敡 獥 搭 業 敮 琺 䅧 敯 捨 敭 楣 愡 灲 潸 祦 潲 灡 汥 潰 牯 摵 捴 楶 楴 礬 偡 汥 漭 捥 慮 潧 牡 灨 礷 ⰱ 㘳 ⴱ 㠱 Ⰰ 䙡 扷 ⱖ ㄹ 㠹 䅲 慧 潮 楴 数 牯 摵 捴 楯 湢 祰 瑥 牯 灯 摭 漱 ㅵ 獫 獩 湴 桥 subarcticpac 岨,Deep-SeaResearch,36.1735-1751. Froehch,P.N,Jr,andAndreae,M.O.(1981):Themar1negeo- 捨 敭 楳 瑲 祯 晧 敲 浡 浩 畭 㩥 歡 獭 ㅣ 潮 ⱓ 捩 敮 捥 ハ ーツ 㔭 㜮 䙲 潥 汩 捨 ⱐⱎ 䡡 浢 物 捫 ⱇ 䅮 摲 敡 攬 䴮 伮 ⱡ 湤 䵯 牴 ㅯ 捫 ⱒ (1985):Thegeochemist 町 f-norganicgermaniuminnatural waters,joumalofgeophysic 割 1ResearchgO,1133-1141. 䙲 潥 ㅩ 捨 ⱐ 䵯 牴 汯 捫 ⱒ 慮 摓 桥 浥 獨 ⱁ 㤸 㤩 㩉 湯 牧 敮 楣 german1umandsi1 三 a1ntheindianocean:biologicalfractionationdur 三 ng(ge/si)opalformation,globalbiogeochemical 䍹 挱 敳 ハ ーツ 㜹 ⴸ 㠬 Froe1ich,P.N.,Blanc,V.,Mo 肘 1ock,R.A.,Ch111rud,S.N.,Dmstan,W. UdomkitA.,andPeng,T. 一 H.(1992):Riverf1ux6sofdisso1ved silicatotheoceanwerehigherdulづnggladals:ge/s1ind1atom, ㄧ 楶 敲 猬 慮 摯 捥 慮 猬 偡 汥 潣 敡 湯 杲 慰 桹 㜬 㜳 㤭 㜶 㜮 Gingele,F.,andDahmke,A.(1994):D scretebariteparticlesand bariumastracersofpa1eoproductiv 吋 insouthatlanticsed1- 浥 湴 猬 偡 汥 潣 敡 湯 杲 慰 桹 㤬 ㄵㄭㄶ 㠮 Honjo,S.(1978):SedimentaヒionofmaterialsintheS 鮒 gassoseaat 1998 年 8 月 号
一 18 一 前 田 玲 奈 愵 ⰳ 㘷 浤 敥 灳 瑡 瑩 潮 ⱊ 潵 爮 䵡 爮 剥 献 ⰳ 㘬 㐶 㤭 㐹 Jeandel,C.,Dupre,B,Leb 証 ron,g.,momin,c.,andminster,j. 一 F. (1996):Lon9 並 udialdistributionsofdissolvedbariuln,si1ica and 副 1ka1inityinthewestem 乱 ndsouthernindianocean, 䑥 数 ⵓ 敡 剥 獥 慲 捨 㐳 ⰱⴳㄬ Lisitsyn,A.P.(1967):Basicrelationsh psindistributionofmodem siliceoussedimentsandthe rconnectionwithcl 1naticzon 勧 一 瑩 潮 ⱓ 潣 捯 渮 偡 汥 潮 琮 慮 摍 楮 灥 琱 慬 偵 扬 ㄷⰲㄸ 灰 Mart1nJ.H.'andFi 吻 蝸 ter,s. 一 E.(1988) 一 :Ironde 丘 encyumitsphytop1 割 nktongrowthinthenorth-eastpaci 五 subarc 丘,Nature331, フ ッシェルㄭフ ッシェルヒ アストル Mo 吋 1ock,R.A,andFroelich,P.N.(1987)1Continentalweatheringof gemmanium:ge/siintheglobalhverdischarge,geochimicaet 䍯 獭 潣 桩 浩 捡 䅣 瑡 㔱 㔭 㠲 Mortlock,R.A.,Charles,C.D,Froelich,P.N.,Zibeuo,M,A,Saltzman,J.,HaysJ.D., 三 ndburckle,l.h.(1991):evidenceforlower productivi 蚊 intheantarcticoceanduringthe1astg-aciation, 乡 瑵 牥 フランㄬ Mortlock,R.A.,Froelich,P.N.,Feely,R.A.,Massoth,G,J.,Butter 一 晩 敬 搬 䐬 䄮 ⱡ 湤 䱵 灴 潮 ⱊ ㄹ 㤳 卩 汩 捡 慮 摧 敲 浡 湩 畭 楮 Paci 五 Oceanhydrothermalventsandplumes,Earthand PlanetaryScienceLe 杭 ers119,365-378. Mumane,R.J.,andStallard,R,F.(1988):Germanium/si11icon 庁 actionationdurimgbiogenicopalfommaticm,pa1eoceanography3, 㐶 ㄭ 㐶 㤮 Murray,KW.,Linen,M.,andIsem,A.R.(1993):Biogenicnuxof 州 tosed1mentinthecentralequatoτialpacihcocean,pa1eoceanogr 劃 phy8,651-670. 野 崎 義 行 (1995): 現 代 海 洋 化 学 の 展 望, 月 刊 海 洋, 号 外 8,5-12. 卨 敭 敳 栬 䄮 ⱍ〱ㄱ 捫 ⱒ 卭 楴 栬 刮 䨮 ⱡ 湤 䙲 潥 捨 ⱐ ㄹ 㠸 DeterminationofGe/Si nmarinesiliceousmicrofossils:sepa- 牡 瑩 潮 Ɽ 敡 渭 湧 慮 摤 楳 獯 瑩 潮 潦 摩 慴 潭 獡 湤 牡 摩 潬 慲 楡 Ⰰ 䵡 爱 湥 䍨 敭 楳 瑲 礲 㔬 ヒ コ 㔭 ファラット ヒ アストル M 畑 DALem(1998):Thebehaviorofimrgan 三 elements 慳 獯 捩 慴 敤 睩 瑨 扩 潬 潧 楣 愱 灵 浰 ⵢ 慲 極 浡 湤 来 牭 慮 椭 umintheocean 一 < 受 付 : 1998 年 6 月 25 日 >