スターティアン「スノーボールアース」氷期の長期化は、異常に低い中央海嶺からのガス放出に関連している

解説

　この論文は、約7億年前に地球が全面的に凍ってしまった「スノーボールアース」と呼ばれる現象の原因と持続期間について調べたものです。この現象は、火山活動によって大量の二酸化炭素が大気中に放出されることで、地球の温暖化が防がれたと考えられています。しかし、この火山活動がどのようにして減少したのか、また、なぜこの現象が5700万年も続いたのかは、長い間謎でした。

 

 

　オーストラリアの研究者たちは、古代の大陸や海洋の動きを再現するコンピュータモデルを使って、この謎に挑みました。その結果、以下のことがわかりました。

 

●火山活動の減少は、古代の超大陸ロディニアが分裂し始めたことで、海底にある火山の数が少なくなったためです。海底の火山は、二酸化炭素を大気中に放出する役割を果たしていたので、その数が減ると、地球の温度は下がります。

 

● この現象の持続期間は、カナダにある大きな火成岩の塊が風化することで、大気中の二酸化炭素が吸収されたためです。この風化は、氷河が火成岩を削り取っていくことで促進されました。風化によって二酸化炭素が減ると、地球の温度はさらに下がります。

 

●この現象の終わりは、海底の火山の数が徐々に増えて、二酸化炭素を大気中に放出するようになったためです。また、陸上の火山も活発になって、二酸化炭素を増やしました。二酸化炭素が増えると、地球の温度は上がります。

 

　この研究は、地球の気候が二酸化炭素の量に敏感であることを示しています。また、地球には自然に温度を調節する仕組みがあることもわかりました。この仕組みは、火山活動や風化といった地球の内部と表面の動きによって作られています。この仕組みを理解することで、地球の歴史や未来の予測に役立ちます。

 

ニュース　シドニー大学　What made Earth a giant snowball 700m years ago? Scientists have an answer

 

要旨

　スターティアン「スノーボールアース」氷期（約7億1700万年前～6億6100万年前）は、地球史上最も極端な寒冷気候の期間と見なされています。この長期にわたる全球的な氷河期を引き起こし、維持した正確なメカニズムは不明である。最も議論されている原因は、約7億1800万年前のフランクリン大火成州の珪酸塩風化と、大陸弧の長さとガス放出の変化である。新世代の二つの独立した新原生代の全プレートテクトニクスモデルを用いて、スターティアン氷期を開始し、維持するためのテクトニクスの役割を定量化することができた。我々は、大陸弧の長さは8億5000万年前から氷期の終わりまで両モデルともに比較的一定であり、役割を果たしていない可能性が高いことを見出した。二つのプレート運動モデルは、ロディニア大陸の分裂のタイミングと進行、海洋盆地の年代、海洋底の深さ、海水準の変化、中央海嶺（MOR）の炭素放出量について予測が異なる。一つのモデルは、MORの放出量と海洋盆地の容積による海水準が、後期新生代の氷河期よりも低いことを予測し、もう一つのモデルは、放出量と海水準が、後期白亜紀の温暖気候を上回ることを予測する。後者のモデルでは、大規模な氷期は起こり得ないだろうが、前者のモデルでは、スターティアン氷期の引き金は、極めて低いMORの放出量（約9メガトン/年）とフランクリン大火成州の風化の組み合わせであった可能性がある。このような最小限の放出量は、珪酸塩風化が著しく低下したときに、5700万年間にわたって寒冷気候を維持することができただろうが、MORのCO2が大気中に徐々に蓄積し、陸上の火山活動とともに氷期の終了につながっただろう。

論文オープン

Adriana Dutkiewicz, Andrew S. Merdith, Alan S. Collins, Ben Mather, Lauren Ilano, Sabin Zahirovic, R. Dietmar Müller; Duration of Sturtian “Snowball Earth” glaciation linked to exceptionally low mid-ocean ridge outgassing. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G51669.1

 

要約

I NTRODUCTION

●この章では、スターティアン氷河期（約7億1700万年前から6億6000万年前）が地球史上最も長くて極端な氷河期であることを紹介する。

●この氷河期の開始と維持のメカニズムは不明であるが、ロディニア大陸の分裂に伴う珪酸塩風化と有機物埋没による大気中CO2の減少が主な原因と考えられている。

●この章では、新しい世代の二つの独立した新原生代の全プレートテクトニクスモデルを用いて、プレート運動がスターティアン氷河期にどのような役割を果たしたかを定量的に評価することを目的とする。

 

GEOLOGICAL BACKGROUND AND PLATE RECONSTRUCTIONS

　この章では、スターティアン氷河期における地質学的背景とプレート再構築の方法について説明する。スターティアン氷河期は、ロディニア大陸の分裂とパンゲア大陸の形成の間の時代にあたり、多くの大陸が低緯度に位置していた。この章では、二つのプレート再構築モデル（Merdith et al., 2023; Matthews et al., 2016）を比較し、それぞれのモデルの特徴と相違点を示す。両モデルとも、スターティアン氷河期の開始と終了の時期における大陸の位置と形状はほぼ一致しているが、大洋の形成と消滅のタイミングと進行度には大きな違いがある。

 

METHODS

　この章では、プレート再構築モデルから派生した海洋プレートの年代と深さを用いて、海水準変動と海嶺からのCO2排出量を計算する方法について説明する。海水準変動は、海洋プレートの熱収縮と海嶺の体積変化による海洋盆地の容量変化に基づいて推定する。

海嶺からのCO2排出量は、海洋プレートの年代と海嶺の長さに基づいて推定する。両モデルから得られた海水準変動とCO2排出量の時系列を比較し、スターティアン氷河期の開始と終了の時期における値を分析する。

 

RESULTS

　この章では、プレート再構築モデルから得られた海水準変動とCO2排出量の結果を示す。両モデルとも、スターティアン氷河期の開始の直前には海水準が高く、CO2排出量が低かったことを示している。しかし、両モデルの間には、海水準変動とCO2排出量の振幅と傾向に大きな違いがある。Merdith et al. (2023)のモデルでは、スターティアン氷河期の間に海水準が約300 m低下し、CO2排出量が約9 Mt C/yrまで減少したことを示している。Matthews et al. (2016)のモデルでは、スターティアン氷河期の間に海水準が約100 m低下し、CO2排出量が約30 Mt C/yrまで減少したことを示している。両モデルとも、スターティアン氷河期の終了の直前には海水準が上昇し、CO2排出量が増加したことを示している。

 

DISCUSSION

　この章では、海水準変動とCO2排出量の結果をスターティアン氷河期の開始と維持のメカニズムと関連付けて議論する。Merdith et al. (2023)のモデルでは、海水準が低く、CO2排出量が極端に低かったことが、氷河期の開始のトリガーとなった可能性がある。このモデルでは、海嶺からのCO2排出量が現代の約10分の1以下であり、フランクリン大火成岩省の風化によるCO2の消費が氷河期の開始を促進したと考えられる。このモデルでは、氷河期の維持は、海嶺からのCO2排出量が低いままであったことと、陸上の火山活動が低下したことによる。Matthews et al. (2016)のモデルでは、海水準が高く、CO2排出量が高かったことが、氷河期の開始を阻害した可能性がある。このモデルでは、海嶺からのCO2排出量が現代の約3倍以上であり、フランクリン大火成岩省の風化によるCO2の消費が氷河期の開始を妨げたと考えられる。このモデルでは、氷河期の維持は、海嶺からのCO2排出量が高いままであったことと、陸上の火山活動が増加したことによる。

 

Conclusions

　この章では、本研究の主な結論をまとめる。スターティアン氷河期の開始と維持のメカニズムは、プレート運動によって決定された海水準変動と海嶺からのCO2排出量に大きく依存することを示した。二つのプレート再構築モデルの間には、海水準変動とCO2排出量の振幅と傾向に大きな違いがあることを示した。Merdith et al. (2023)のモデルは、海水準が低く、CO2排出量が極端に低かったことが、氷河期の開始のトリガーとなった可能性が高いことを示した。Matthews et al. (2016)のモデルは、海水準が高く、CO2排出量が高かったことが、氷河期の開始を阻害した可能性が高いことを示した。両モデルとも、氷河期の終了は、海嶺からのCO2排出量の増加と陸上の火山活動の変化によって引き起こされた。