〈第 56 回静岡県学生科学賞３

県教育長賞

県生徒理科研究発表会最優秀賞〉

有孔虫化石による古海洋環境推定-静岡県西部に分布する相良層群と掛川層群について静岡県立浜松北高校 地学部化石班
2 年 大石雄太 1 年 佐井常慈 髙橋翔哉 森下智之

1.研究概要本研究は、有孔虫化石を利用して静岡県沖の約 1000 万年前〜200 万年前の古海洋環境の変遷を探ることを目的としたものである。そのために、まずは有孔虫化石の群集解析を行い、その裏付けをとるために有孔虫殻の酸素・炭素安定同位体比の測定を行った。また、海流影響力の変動の原因に着目し、当時の古地理図や他地域の化石記録と本研究を比較することにより検討を行った。
2.研究目的静岡県西部地域には相良・掛川層群が分布おり、火山灰層も多く分布していることから層序学的研究に多く用いられてきた。しかし、古環境に関する研究はあまり知られていない。また、安定同位体比に関しては青島・鎮西(1972)の研究が知られているが、古環境の推測に至るデータは得られていない。そこで私たちは、有孔虫化石を用いて堆積当時の古環境の推測する研究を行うことにした。
3.研究方法有孔虫は、現在も海洋に生息している種が多く示相化石として有効であるとともに、群集解析に必要な量の個体数を集めることが比較的容易であるため研究手段として選択した。また、調査を行う地層としては、静岡県西部地域に広がる相良層群・掛川層群を選択した。この地層群は、新生代新第三紀中新世末期〜第四紀更新世前期にかけて堆積したとされている。そのうち、長い期間で見た環境変動を解き明かすために、大きな範囲を占める相良層(約 1000 万年前)、堀之内層下層部(約 500 万年前)、堀

図 3.1

浮遊性有孔虫の一種

之内層上層部(約 300 万年前)、土方層(約 200 万年前)をフィールドとして選択し、 Globigerina bulloides(×70)
相良層で 5 地点、堀之内層下層部で 6 地点、堀之内層上層部で 3 地点、土方層で6 地点の計 20 地点で有孔虫化石群集のデータを得ることができた。
有孔虫化石の採取方法は、まず、地質図や地形図を用いて相良層・堀之内層下層部・堀之内上層部・土方層の地層の露頭を探し、風化していない砂岩や泥岩を 200〜500ｇ採取した。その後、岩石を細かく砕き、200 メッシュのふるいで濾す。その後、ふるい上の残渣を乾燥させ、その中に含まれる有孔虫化石を、双眼実体顕微鏡と有孔虫スライドを用いてくまなく図 3.2 有孔虫抽出の様子抽出し、種の同定を行った。個体数は 200 個体を目安とした。

4.研究結果および考察
Ⅰ)有孔虫化石の群集
有孔虫化石の種の同定を行いその産出数を調べた結果、浮遊性有孔虫では、全ての地層においてNeogloboquadurina pachyderma の産出頻度が高く、堀之内層から土方層にかけて Globigerina bulloidesと Globolotaria crassaformis crassaformis の 2 種が共通して産出頻度が高くなっていることが分かった。

底生有孔虫では、堀之内層下層部・堀之内上層部では共通して Hanzawaina nipponica の産出頻度が高く、土方層では Hyalinea bathica の産出頻度が高くなっていることが分かった。
古海洋環境を推測として、水深の変化・海流影響力の変化・垂直方向にみた生息域の変化・湧昇流影響力の変化を調査した。基本的には、現在海洋に生息している有孔虫の生態と化石種を比較して環境を推測した。
① 水深の変化
この調査では、全体に占める浮遊性種と底生種の割合を調べた。その結果の図 4.1 を見ると、土方層以前の地層では浮遊性有孔虫の割合が高く、土方層で底生有孔虫の割合が高くなったことが分かる。水深が深くなると浮遊性有孔虫の割合が高くなり、浅い水深の方が底生有孔虫の割合が高くなる。したがって、土方層以降水深が浅くなったことが推測される。
図 4.1
底生・浮遊性比の変化② 海流影響力の変化
現在の日本近海に生息する浮遊性有孔虫のうち、Globigerinoides ruber をはじめとする暖流種 25種、Neogloboquadurina pacyderma をはじめとする寒流種 7 種を指標種として設定し、その産出頻度の変化と有孔虫を用いた黒潮指標値「T 値」の変動を調査した。(本研究では、純粋な定義な T 値の値では誤差が大きかったため、指標種の数を増やした T(o)値を適用した。)
その結果が図 4.4 である。堀之内層下層部(約 500 万年前)までは暖流種の産出頻度が高く、T(o)値も高い値となった。一方、堀之内層上層部(約 300 万年前)以降寒流種の産出頻度が高く、T(o)値も低い値となった。このことは、堀之内層下層部から堀之内上層部にかけて暖流影響力が小さくなり、寒流影響力が大きくなったことを示すと考えられる。
図 4.2
海流影響の変化③ 垂直方向にみた生息域の変化
浮遊性有孔虫は種によって生息水深が異なる。そのため、水深 0~50m で 5 種、50~100m で 9種、100m 以深で 13 種の指標種をそれぞれ設定し、その産出頻度の変化を調査した。
その結果が図 4.3 である。この結果より、堀之内層下層部では 100ｍ以深に生息する有孔虫の産出頻度が高くなり、堀之内層上層部以降では 100m 以浅に生息する産出頻度が高くなった。この結果は、水温躍層が浅化したことを表しており、②と同じく暖流勢力が弱まったことが分かる。

図 4.3
深度別浮遊性有孔虫の変化

④

湧昇流影響力の変化
海洋環境において、生物生産量に大きな影響を与える要因として湧昇流という現象がある。湧昇流というのは、深層から表層への海流のことで、深層の栄養塩を表層に運ぶために生物生産量の増加が起こる。その影響力の変化を調査するために湧昇流に多く生息する浮遊性有孔虫 Globigerina
bulloides、Globigerinita glutinata、Neogloboquadrina duterei の 3 種を指標種として、その産出頻度の変化を調査した。
その結果が図 4.6 である。これより、堀之内層下層部から土方層(約 1000 万年前〜約 200 万年前)にかけて指標種の産出頻度が 3 回大きくなっていることが分かる。したがって、地域的もしくは一時的に湧昇流の影響力が 3 回大きくなったことが分かる。
図 4.4
湧昇流指標種の産出頻度の変化

Ⅱ)有孔虫化石殻の CaCO₃の酸素・炭素安定同位体比の測定
今回は、群集解析の結果のより科学的な裏付けを行うために有孔虫殻の酸素・炭素安定同位体比の測定を行った。酸素安定同位体比は 16O に対する 18O の比率、炭素安定同位体比は 12C に対する13C の比率を表し、それぞれδ18O、δ13C と表記する。定義式は以下のようになる。

※式中の「st」は「standard」、「sp」は「sample」を表す。
これらの値は、海洋環境の変動に応じて変化する。δ18O の増加は気候の寒冷化を示し、δ13Cの増加は生物生産量の増加を示す。これらのシステムを図式化したものが図 4.7、図 4.8 である。
この測定では、静岡大学和田秀樹教授のご厚意により静岡大学理学部に設置されている「MAT‐250 質量分析計」をお貸しいただき、測定を行った。
群集解析の結果より大きな環境変動がみられた堀之内層下層部〜土方層(約 500 万年前〜約 200万年前)の 3 つの地層について調査を行った。サンプリング地点の中から、各地層の代表サンプルを 1 地点ずつ抽出し、その中に共通して含まれていた有孔虫化石のうち石灰化深度が異なる
Globigerina bullodes(0-50m)、Orbrina universa(0-200m)、Globolotalia inflata(100-250m)、Globolotalia
crassaformis crassaformis(250m 以深)の 4 種を複数個体について測定した。
その結果が図 4.9、図 4.10 である。この結果を見ると、どの有孔虫種においてもδ18O とδ13Cの値が増加していることがわかる。これらはそれぞれ、気候の寒冷化および生物生産量の増加を表している。したがって、これらは寒流勢力の強まりを示しており、群集解析で得られた結果と一致する。

図 4.5，4.6 酸素安定同位体比（δ18O）および炭素安定同位体比(δ13C)

Ⅲ)古地理図および他地域の研究結果との比較
Ⅰ、Ⅱの結果から、堀之内層下層部から堀之内層上層部(約 500 万年前〜約 300 万年前)に海流影響力が暖流優勢から寒流優勢へと変化したことがわかった。Ⅲでは、当時の古地理図・同年代の他地域に関する化石記録と本研究で得られた結果を比較し、海流影響力の変化の原因を推測していく。
古地理図は湊正雄監修「日本列島の生い立ち＝古地理図鑑」(築地出版 1978)を参考とした。
約 1000 万年前〜約 200 万年前の日本付近の太平洋では、北海道・岩手・仙台各地では、アカガイ

図 4.7 古地理図と推測した古海流やタカハシホタテなど冷水に生息する生物の化石が見つかることから寒流が流れていたことがわかった。また、九州・四国各地ではサラサキサゴやダンベイキサゴなどの暖水に生息する生物の化石が産出し、有孔虫群集も現在の黒潮の群集と類似することから暖流が流れていたことが分かる。
したがって、当時の静岡県沖においてもこの暖流と寒流の影響力がおよんでいた可能性がある。
相良・掛川層群における海流影響力が変化した原因は大きく 2 つあると考えられる。
1 つ目は「伊豆半島の形成」である。約 500 万年前までは伊豆半島の原形となる巨大な半島が形成されていた。(図 4.7 参照)そのため、関東付近まで及んだ寒流の影響はこの巨大な半島に妨げられ、静岡県沖までは達しなかったのではないかと考えられる。しかし、約 300 万年前になると、その半島の大きさが小さくなっていることがわかる。(図 4.7 参照)したがって、これまでさえぎられていた寒流が流れ込んできたのではないかと考えられる。
2 つ目は「世界的な気候の寒冷化」である。約 300 万年前〜約 200 万年前は、気候の寒冷化が起こったことが知られている。この寒冷期を「ゼロ氷期」、もしくは「先ドナウ寒冷期」と呼ぶ。Ⅰの結果の寒流の影響力が増大した時期やⅡの酸素安定同位体比の結果は、この時期と一致する。したがって、気候の寒冷化により暖流影響力が小さくなり、寒流影響力が大きくなったものと考えられる。

5．結論と今後の課題●群集解析の結果、以下のことがわかった。
①水深の変化：土方層(約 200 万年前)以降水深が浅くなった。
②海流影響力：特に堀之内層下層部から上層部(約 500 万年前〜約 300 万年前)に暖流優勢から寒流優勢へと変化したことがわかった。また、水温躍層がそれにともない浅化した。
③湧昇流影響力：堀之内層下層部から土方層(約 500 万年前〜約 200 万年前)の間に 3 回大きくなった。しかし、その影響力は一時的もしくは地域的なものであると考えられる。
●酸素・炭素安定同位体比の測定の結果、気候が寒冷化し、生物生産量が増加したことがわかった。
このことは、寒流影響力の増大を示しているため群集解析の結果と一致している。
●古地理図および他地域の化石記録との比較より、約 1000 万年前〜約 200 万年前の日本の太平洋付近では、南から暖流、北から寒流が流れていたと考えられる。また、静岡県沖の海流影響力変動の原因は、伊豆半島の形成と気候の寒冷化にあると考えられる。
○今後の課題としては、以下のことがあげられる。
①海底環境の変動の推測を行うために、底生有孔虫群集の解析を行う。
②花粉化石の分析などから当時の気候変動について調査を行い、海流と気候変動との関係性を明らかにする。
③古海流のモデル実験を行い、その際の湧昇流の発生のメカニズムを調べる。
6.参考文献・1973 年

青嶋睦治 「掛川層群の底生有孔虫化石群の横の変化について」

日本地質学会学術大会講演要旨
・ 1985 年

Masako Ibaraki 「 Neogene Planktonic Foraminiferal Biostratigraphy of theKakegawa Area on the Pracific coast of Cental Japan」
・2010 年 土隆一編 新版

静岡県 地学ガイド コロナ社・

・1966 年 山路勇著 日本海洋プランクトン図鑑 保育社
・2001 年 西弘嗣

尾田太良 「古環境指標としての浮遊性有孔虫」比較社会文化 : 九州大学大学

院比較社会文化学府紀要
・国土地理院 1：25,000 地形図「山梨」
「掛川」
「相良」
「下平川」
「御前崎」
・1961 年 工業技術地質調査所 1：50,000「掛川地方地質図」
・2007 年 H.A.アームストロング M.D.ブレンジャー著 微化石の科学 朝倉出版
・2006 年 黒柳あずみ他 「浮遊性有孔虫群集と表層水塊の関係に基づく過去 2 万 7 千年間の下北沖の古環境変動復元」 化石 79 号
他全 29 点
7．謝辞
本研究においては多くの方にお世話なりました。心よりお礼申し上げます。(敬称略)静岡大学理学部地球科学科教授 和田秀樹
静岡大学大学院理学研究科

坪井辰哉

静岡大学理学部地球科学科

大河内一輝ほか

前静岡大学理学部教授 茨木雅子
浜松北高校地学部顧問 辻野 兼範
そのほか、発掘地を快く提供してくださった皆様