陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2022）同位体環境学がえがく世界：2022 年版

ネオジム同位体比から明らかになった日本海の形成史（富山大学

1．日本海の形成過程

堀川恵司

学術研究部理学系）

日本海が太平洋と分離し、閉鎖的になっていく

これまでに分かっている日本海の形成過程や日過程は、東北日本の隆起活動や日本列島の形成と本列島の形成史によれば、かつて日本列島はユー密接に関係していますが、いつ頃、そしてどの程ラシア大陸の一部で、約 2500 〜 2000 万年前に日度の時間スケールで起こったか、については実は本列島とユーラシア大陸の間に溝が形成され、そよく分かっていませんでした。そこで、著者らはれが徐々に拡大し、今の日本海の原型が形成され「海水の由来」を判別できるネオジム（ネオジミたようです。日本海の拡大が終息した 1000 万年ウムとも表記する）同位体比に着目して、日本海前には、日本列島の分布は現在の弧状に近い配置の閉鎖時期を解析することにしました。これは、になっていましたが、西日本は朝鮮半島と陸続き

東北日本の隆起活動によって日本海が閉鎖的になで、東日本の大部分は海面下にあったようです。

れば、太平洋からの海水の流入が制限されるため、当時の日本海は、日本列島によって閉ざされた現日本海深層水の化学組成が太平洋と異なるように在のような半閉鎖的な縁海ではなく、東側に大きなる、この変化をネオジム同位体比から明らかにく開いた湾のような形状をし、日本海と太平洋とできるのではないかと考えたからです。の間で表層水や深層水を交換していたとされてい2．海水の由来が分かるネオジム同位体比ます。しかし、1000 万年前以降、東日本〜北海道地域が徐々に隆起し、太平洋と日本海の間に海水中には、大気から供給されるダスト粒子のあった海峡が徐々に縮小・浅海化して、現在のよ溶脱や、岩石の風化、海底熱水からの供給など、うな半閉鎖的な日本海が作られました（図 1）。

様々な経路から様々な元素が供給され、蓄積して27 81912水温 (℃)
111035日本海太平洋2000

3000

012.5
102水深 (m)1000

1511104333.5

33.25

3000

34.25
34.5

130˚E135˚E140˚E145˚E35˚N

34

太平洋

Ocean Data View / DIVA

水深 (m)

2000

034.5

34.25

日本海

45˚N

2.534.75

75
33.

34

1000

540˚N

塩分 (psu)
33.75

7.5

Ocean Data View

6

Ocean Data View / DIVA

0150˚E

33.75
33.5

130˚E

135˚E

140˚E

145˚E150˚E

155˚E

33.25
33

図 1．日本海―太平洋の水温と塩分の断面図。外洋との深層水の交換がない半閉鎖的な日本海の水温・塩分は太平洋域の水温・塩分と異なった鉛直構造を示す。
231

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います。本稿で取り上げるネオジム（Nd）も海えます。そのため、マグマが固化してできた岩石水に溶けている元素の一つで、主に大陸の岩石がの形成年代が古いほど、あるいは、岩石中にサマ水との反応で溶け（化学風化）、河川を通じて海リ ウ ム が 多 量 に 含 ま れ る ほ ど、 岩 石 は 高 い洋に供給されている元素になります。海水中のネ143

オジム濃度は数十ピコモル（pmol）/kg 程度で、岩石の形成年代・種類（Sm/Nd 比）に応じて、これは海水中の主要イオンの一つであるマグネシ

岩石のネオジム同位体比が多様に変化します。まウ ム（Mg、 約 50 mmol/kg） と 比 べ る と、10 億た、岩石を形成するマグマ源自体の同位体比の変分の 1 の濃度になります。このような海水中に微化（時間と共に 143Nd/144Nd 比が増加）も合わさり、量にしか存在しない元素を、微量元素あるいは極一般に年代の古い大陸地殻が広く分布する北米・微量元素と呼んでおり、ネオジムもそのような微グリーンランド域では、低い 143Nd/144Nd 比を示量元素の一つになります。

す岩石が見られ、より形成年代の若い火山岩が広Nd/144Nd 比 を 持 つ こ と に な り ま す。 つ ま り、

このような微量元素の同位体組成を分析するのく分布する太平洋域では、より高い 143Nd/144Ndは、非常に難しく、大量の海水試料の濃縮が必要比を持つ岩石が分布しています。

であるにもかかわらず、1979 年には既に海水中陸域に露出する岩石のネオジム同位体組成は、のネオジム同位体比の分布が報告されています。

河川を通じて沿岸海水のネオジム同位体比にも影

この結果は、ネオジム同位体比の水塊化学トレー響を及ぼします（図 2）。このような関係は海盆サーとしての有用性を明示した点で非常に重要なスケールでも見られ、北大西洋域の海水は -12 εNd

黎明期の研究結果の一つです。

程度（エプシロンネオジム値2））で、北太平洋のなぜ、1970 年代から海水のネオジム同位体比

海水は -4 εNd 程度の値を示し、周辺陸域の岩石のが注目され、分析され始めたかというと、当時既ネオジム同位体比に概ね一致し、各海域・水塊ご

1）に深海底のマンガンノジュール のネオジム同位とにネオジム同位体比組成が大きく異なることが体比（海水組成を反映する）が分析されており、わかってきています。また、ネオジム同位体比は、その結果から太平洋や大西洋で同位体比が異なる

生物活動によって同位体比が変化することがないこと、ネオジムの海洋での滞留時間が短いことなため、半保存性成分として振る舞うことも分かっ

どから、ネオジム同位体比が海水の混合や循環をてきており、このような性質から「海水の由来」解析できるトレーサーになるのではないかと、考を解析できる化学トレーサーとされています。

えられ始めたためです。
ネオジムは、質量数の異なる 7 つの同位体（142，143，144，145，146，148，150）を持ち、多くの研究で議論に用いられるネオジム同位体比は、143

Nd/144Nd の存在比になります。143Nd/144Nd 比の変動を議論する理由は、質量数 144 のネオジム（144Nd）は安定同位体であるのに対して、質量数143 のネオジム（143Nd）は、質量数 147 のサマリウム（147Sm）の放射壊変（半減期 1.06 × 1011 年）によって、生成される核種だからです。例えば、ある岩石中にサマリウムとネオジムが含まれていた場合、時間が経過するにつれ、147Sm の一部が

図 2．海 水のネオジム同位体比の分布を決める要因の概念図

143

Nd へ放射壊変し、岩石中の 143Nd 量が少し増232

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同位体比の分析から、試料を採取した日本海中央部の深層水が、いつ頃から北太平洋（ネオジム同位体比高い）や南太洋に由来（ネオジム同位体比やや低い）する外洋の海水の影響を受けなくなったのかを調べようとしました。
ネオジム同位体比の結果から、日本海の深層水は、1000‒850 万年前の間は、北太平洋に由来す

図 3．堆積物中に含まれる魚歯・骨片化石の写真。
スケー
ルはおよそ 1 mm。

る海水（ネオジム同位体比高い）の影響を受けており、850 万年‒450 万年前については、南太洋に

3．魚の歯や骨の化石に記録される海水のネオジ由来する海水（ネオジム同位体比やや低い）の影

ム同位体比響を受けていたことが分かりました（図 4）。さ

陸から遠く離れた海洋底では、1000 年間でおらに興味深いことに、450 万年前、約 14 万年間

よそ 1 cm 程度の早さで堆積物が降り積もっていの短期間に、日本海のネオジム同位体比が大きくきます。このような堆積物について単 2 電池一個減少していたことも分かりました。これは、高い

分 程 度 の 量 を 取 っ て 顕 微 鏡 で 覗 く と、0.1 〜

ネオジム同位体比をもつ太平洋の海水が、日本海2 mm 程度の魚の歯や骨片を十数個、場合によっに流入しにくくなったことを示しています。ては百個程度見つけることができます（図 3）。

450 万年前前後は、ちょうど太平洋プレートの0.1 〜 2 mm の骨片数十個というのは、非常に少運動が活発で、プレート縁辺にあたるニュージーない量ですが、魚の歯・骨はアパタイトで形成さランドやパプアニューギニアなどで造山運動が盛れており、海水中のネオジムを濃縮しています。

んだった時期に対応しており、東北日本でも造山このような濃集する性質を持つことで、微小量で運動が活発だった時期と重なります。そのため、あっても歯や骨片化石のネオジムの同位体比の分今回得られたネオジム同位体比データと併せて考3）

析ができます 。最も重要な点は、このように分えると、450 万年前頃に東北日本の隆起により、析される魚歯骨片化石のネオジム同位体比が、当太平洋と日本海を繋いでいた海峡が 14 万年程度時の海底面付近の海水のネオジム同位体比を記録の短期間に浅海化・縮小し、日本海と太平洋の海している点です。このような特性を持つ魚歯骨片

年代 (百万年前)

化石を各時代の海底堆積物から拾い集め、ネオジ-1

ム同位体比を分析することで、ネオジム同位体比

012345ネオジム同位体比来」を知ることができます。
4．ネオジム同位体比から明らかになった日本海の形成史
著 者 ら は、2013 年 に 統 合 国 際 深 海 掘 削 計 画

910-4-5

太平洋南方系水塊-6-7-9346 次航海）において、日本海中央部の大和堆で8-3-8（Integrated Ocean Drilling Program（IODP）

7

太平洋北方系水塊-2の変化から、当時海底面を流れていた「海水の由6日本海サイト(魚歯/骨片)更新世

太平洋からの海水流入が大幅に減少し、日本海のネオジム同位体比が減少
鮮新世

後期中新世

図 4．日 本海堆積物中の魚歯・骨片化石のネオジム同位体比の過去 1000 万年間の変動。同時期の太平洋北方系水塊と南方系水塊のネオジム同位体比も合わせて示した。450 万年前に日本海のネオジム同位体比の急激な減少が見られる。

掘削された堆積物試料（過去 1000 万年間で堆積した全長約 400 m）を対象として、魚歯・骨片化石のネオジム同位体比を分析しました。ネオジム233

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2）エプシロンネオジム値

450 万年前

4εNd=（（143Nd/144Nd）
sample /0.512638‒1）× 103）アパタイトに濃集しているネオジムは、おお‒4 εNd → ‒6 εNd

よそ 100 µg/g 以上の濃度になる。したがっ‒4 εNdて、骨片化石がおよそ 1 mg あれば、ネオジ東北日本列島の隆起によって、ム同位体比の分析ができます。海水のネオジ

太平洋外洋水の流入量が減少し、ム同位体比の分析には、10 〜 20 kg の海水

日本海のネオジム同位体比が減少が必要なことを考えると、アパタイト化石へのネオジムの濃集の程度がよくわかると思い

図 5．450 万年前の日本海の推定される古地理図。東北日本の隆起に伴って、太平洋から日本海に流入する海水が大幅に減少したことが、日本海のネオジム同位体比から示唆される。

ます。
文献

水交換が大幅に減少したことが推測されます

Kozaka Y, Horikawa K, Asahara Y, Amakawa H,（図 5）。つまり、東北日本の隆起が障壁になって、

Okazaki Y (2018) Late Miocene–mid-Pliocene

日本海と太平洋間での深層水交換を減少させたこ

tectonically induced formation of the semi-とから、日本海と太平洋との分離はこの時期に起

closed Japan Sea, inferred from seawater

こったと言うことができます。

Nd isotopes, Geology, 46(10), 903‒906,
https://doi:10.1130/g45033.1.

5．おわりに著者情報

日本海の形成史や日本列島の形成史は、多くの研究者が日本海海底にある大陸地殻の厚さと形、堀川恵司（富山大学学術研究部理地磁気縞、断層の走向と分布、陸上岩石の古地磁学系准教授）2006 年、北海道大学大学院地球環境科学研究科博士

気や日本海海底堆積物に残された微化石記録を丹後期課程修了。博士（地球環境科

念に調べることで復元されてきました。本研究は、学）。日本学術振興会特別研究員（DC1）、高知大海洋コア総合研究

これまで日本海では適用されていなかった「海水センター、名古屋大学・フロリダの由来」を探れるネオジム同位体比を用いること大学（日本学術振興会特別研究員

で、日本海の閉鎖史をこれまでよりも高い時間解PD）、富山大学大学院理工学研究部（理学）助教など像度でかつ鮮明に描きました。

を経て、2013 年より現職。専門は、古海洋学、地球化学。

注釈
1）堆積物中に形成されたマンガンやコバルト、鉄、ニッケルに富んだ球形の塊。

234

（2021 年 3 月 31 日掲載）

（2022 年 3 月 31 日改版）