神戸集会：冥王代地球表層環境進化解明のロードマップ
丸山茂徳（東工大/岡山大学）・林祥介（神戸大学）・戎崎俊一（理研）

講演の順番と議論• １ 丸山・新井：冥王代地球表層環境進化• ２ 橋本：ＣＯ２－Ｈ２Ｏ大気放射限界問題• ３ 石渡：暴走に近い状態の大気大循環• ４ 戎崎・今枝：新しい惑星形成理論（物質科学を組み込む）• ５ 議論次の課題• １ 原始地球表層環境（個性の研究）• ２ 新しい惑星形成理論→物質科学を組み込み、原始惑星表層環境進化→地球以外の太陽系惑星（個性から普遍的パラメータを探る）• ３ 汎惑星形成理論（中心星のサイズと化学組成を与えると、生命誕生可能惑星の存否が決まる）• ●鍵は原始惑星表層環境進化

東工大＋三朝Ｇ＋理研＋神戸Ｇ• ○固体地球と大気・海洋物質循環の科学（丸山Ｇ）• ○惑星形成理論（理研戎崎＋、物質科学：三朝中村・丸山Ｇ）• ○惑星表層の大気・海洋科学（神戸林Ｇ）• ●各Ｇの長所を結び、世界最前線を創り出す• ●長期的なゴール：生命進化可能惑星の探索指標の確立と生命惑星学の創成原始地球表層環境進化

ＡＢＥＬモデル• １ 根拠（８種の元素同位体の制約：地球ー月系はエンスタタイトコンドライト起源だが水は炭素質コンドライト）起源• ２ まず無水・無海洋の裸の地球が生まれ45.3億年前に固化し、44億年前に大気・海洋が誕生した）• ３ 炭素質コンドライトから100気圧ＣＯ２，300気圧
海洋をどのようにして創るか？

Dry and highly reduced Earth
Present EarthEH

Oxygen isotope fractionation
Ordinary
Mars

Enstatite
Carbonaceous
Vesta

Krot et al., in Treatise on Geochemistry 1.05, 83 (2005)
Clayton, in Treatise on Geochemistry 1.06 129 (2005)

Moon

Chemical zoning in the asteroid belt•

Carry, 2010とDeMeo et al., 2012から作成した各小惑星を隕石と対応させて作成した図。

•

アステロイドベルト中のの各隕石の存在比を示す。Enstatiteは2.5AUより内側で存在する。

•

炭素質コンドライトは主に2.5AUより外側に存在する。

Fig.16

地球の2段階形成モデル：ABELモ
デル
生命誕生に何故、2段階形成が重要なのか原始地球表層の大気の質と量• １ 現在の地球の表層に残された石灰岩（CaCO3）＋石炭・石油・天然ガス＋堆積岩中の有機物＝80100気圧＋マントルの炭素• ２ 炭素質コンドライトの水と有機物含有量から海洋質量＝4㎞厚として、有機物量（CH2O）を計算• ３ 両者のずれをマントル炭素とする

原始地球表層環境進化が如何に重要か！

新井君パワポ

CO2大気分圧と水の存在条件
前提条件• 太陽輝度F=0.7• 反射率A = 0.23

制約条件
1. T>278K
2. 陸地出現
3. 大気CO2条件下における
H2O飽和水蒸気圧
4. H2Oの臨界点温度• 金星：暴走温室効果による水素散逸でH2Oが無くなった• 地球：暴走温室効果はなく、液体の水は存在. 38億年前までにCO2は数bar以下• どのようにして100barのCO 大気を固定したのか？

海洋地殻の炭酸塩化と沈み込み
CO２大気 (100bar, 1022mol)
脱炭酸？
付加体

マントル炭酸塩化？

海洋地殻の炭酸塩化

プレート拡大速度
現在の三倍

CO2
3.2Ga
3.8Ga
現在

flux (mol/yr)
1.5 x 10 14
3 x 1013
2 x 1012

1022/flux
6,600 万年
3.3 億年
50 億年

Shibuya et al. (2012)• 中央海嶺熱水反応で海洋地殻が炭酸塩化・沈み込み帯でマントルへ運ぶ• 問題点 沈み込み温度圧力下で炭酸塩が分解、地表へ戻る可能性• 解決方法– 初期地球の沈み込み帯の温度圧力を制約

Sleep et al. (2001)

３８億年前の付加体：イスア表成岩
subduction

1kmVIIIVIIN(1)

0VI

(2)
(3)

IV1

IV1I

......

IV1

youngerIII

VIII
basaltDuplexchertssedimentary rockolder

VIII

thrusts

Komiya et al. (1999)• 付加体：沈み込み帯で形成される地質• 変成帯：沈み込み帯の温度圧力を記録• グリーンランド・イスア表成岩：38億年前の付加体・変成を受けている→初期地球沈み込み帯の地温勾配を記録

Komiya et al. (1999)

N

変成分帯

Zone A
Greenschist faciesaGreenland

Ikkattoq gneisses(b)ArcheancratonAmitsoq gneisses

65o10’N

Inland iceb

Zone B
Gs/Amp facies

c

ISB

ISB
Lake
50o00’W

ZoneA

ZoneB

Gs

Zone C
Gs/Amp facies
Proterozoic (2215Ma)
High-Mg Andesite dikes

Early Archean (3400-3800Ma)
Amitsoq gneiss
Conglomearates
Dominantly mafic sed.
mafic sed. (turbidite)
Alt. mafic & felsic sed.
Cherts
Hyaloclastites
Pillow lavas
Green rocks(dikes, pillow lavas
or hyaloclastites)
Basic dikes
Ultramafic rocks
Inter-unit thrusts
Inter-horse thrusts

Zone D
Amphibolite facies

1km

Hayashi et al. (2000)

ZoneD

chl
ep
cal
act
hbl
grt
cum
btqz
abCa-plg
metamorphic
facies0ZoneC• 南に向かい緑色片岩相から角閃岩相へ上昇 Hayashi et al. (2000)• 本研究では熱力学計算による詳細な変成PTの制約を行う

Gs/AmpAmp

太古代沈み込み帯の地温勾配
Archean P/T Path

108Ph(M ane
ar r ouy z oam i ca c olet lis
al. ion, 1 al99 U H6) P-Pressure (kbar)

12HP

belts14

Zone A
Zone B

K411
K415
K430
K452
K656

6

Zone C

K70
K562
K62

4

Zone DK755
K260

Hayashi et al. (2000)

2Appel et al. (2001)
Boak and Dymek (1982)

0300

400

500

600

700

800T(oC)• 変成PTが3kbar 380oCから6kbar, 560oCへ単一増加

900

Arai et al. (accepted)

玄武岩の炭酸塩安定領域
Carb. stability for basaltArchean P/T Path

14CO212wt%

5wt%

Pressure (kbar)

12100wt%
MOHO (30km)

8

CO２大気

6脱炭酸
4モホ面
20300

400

500

600

700

800

900

oTemperature ( C)

• 38億年前は玄武岩海洋地殻

海洋地殻の炭酸塩化コマチアイトの炭酸塩安定領域
Carb. stability for komatiite

Archean P/T Path

CO２大気 (100bar, 1022mol)

CO２大気

14

海洋地殻の炭酸塩化CO28wt%
7wt%

Pressure (kbar)

1210

モホ面

6wt%

MOHO (30km)

マントル炭酸塩化5wt%

80wt%

6Hadean P/T path?
420300CO2 flux (mol/yr) 1022/flux
3.2Ga 1.5 x 1014 6,600 万年
3.8Ga 3 x 1013 3.3 億年
現 在 2 x 1012 50 億年

400500600

700800900CO2をマントルへ運ぶ過程で考慮すべき条件
1. マントルポテンシャル温度
2. 海水pH
3. 沈み込み帯温度

oTemperature ( C)

• 冥王代マントルは太古代より200℃高い. コマチアイトの海洋地殻か何故原始惑星の表層環境進化の研究が必要か？
• １ 生命の起源と進化を決定的に支配• ２ 研究が何故困難か？答え：超学際分野；信じられない程の困難（論理が理解できる研究者が極端に少ない：ＥＬＳＩ）• ３ 逆にチャンス：超学際集団をどうアレンジし、ゴールに向かって進めるか？

2 What is life and necessaryconditions to bear life

互いに矛盾する環境場でのみ起きる多段階の前駆的生命進化プロセスを可能にする誕生場とは？

3 Hadean surface environment ofEarthNecessary conditions to bear life

RH043生命の誕生場はどこか？
環境的要素

原始大陸上
温泉説

中央海嶺
熱水系説

火星説

宇宙説

酸化的大気(CO2-H2O, O2なし)

○

×

○

×

窒素の供給

○

×○

×

局所還元的アルカリ熱水系

○

○？

×

乾湿反復環境○×○×

多様な鉱物（Ni,Co,Fe3P)

○

△？

○

KREEP玄武岩

○×？

×

ウラン鉱床

○

×？

×

放電（落雷）○

×？

×

太陽エネルギー

○

×

○

×

低温アンモニア合成(An+)

○

×？

×

還元的気体の高濃度化

○

×?

×

周期性のある環境○

×？

×エネルギー供給源（太陽が使えない）

○

×?

×

ロードマップ：惑星大気の進化• １ 地球• ２ 金星、火星• ３ ガス惑星の衛星• ４ 系外惑星の大気：普遍性を持つ惑星大気の起源と進化論（生命を育む惑星への道筋）

１ 地球• １ 冥王代地球表層環境の進化• ○次の課題：水の量の違いが生み出す表層環境の多様性• ○次の課題：原始大気・海洋組成に固体地球から供給されうる酸素の量（有機物＝ＣＨ２Ｏ ｖｓ 300気圧の酸化剤＝Ｈ２Ｏ）→直接実験（500℃、水＋有機物）• ２ 初期海洋質量に依存した大気・海洋循環の一般化

地球に飛来した炭素：原始大気の酸化還元度• １ 地球に残る証拠から原始大気のＣＯ２を求めると、約100気圧だが、炭素の起源を有機物に換算すると、炭素（ＣＨ２Ｏと仮定）の総量は０００トンで、水と等量（分子）• ２ これが酸化的Ｈ２Ｏ（＋少量のＮ２）と反応して、ＣＯ２100気圧（内訳：ＣＨ４，ＨＣＮ、ＣＯを創り、残り８０気圧のＣＯ２）と300気圧の水になるか？
• ３ ならない場合、酸素を原始大陸から引き抜く必要が生まれる。その場合、どれだけの酸素をどのようにして原始大気に移動させるか？

実験によって直接原始大気の組成を決める（三朝）１ Origin of solar system

Grand TACK Model

Walsh et al (2011 )How to solve the debate and topropose a new model
Kyoto Model(Earth first) vs Nice
Model(Jupiter first): A key is geologyof asteroid belt

Tandem formation of planetesimals

2015/6/2

Misasa Symposium IV60

粘土鉱物の累進的鉱物変化と8元素の同位体進化の地球アナログ

２ Origin and early evolution of Earth２ 金星、火星• １ 金星は何故灼熱化したのか？通説：ＨＺから外れた（答えになっていない）→ＨＺの再定義が必要→ＬＷＺを決める
最大の要素は雲• ○雲は宇宙線、地球磁場、太陽風、雲核（砂塵や火山灰）で決まる→冥王代地球表層モデルとリンクさせて一般化• ○金星の歴史とモデル→表層地質と比較（イシュタール大陸＝花崗岩→ＰＴ運動、原始海洋＋大気）火星３ ガス惑星の衛星• 木星の衛星群、イオ、エウロパ、ガニメデの成因と惑星内部構造の岩石学的モデル

４ 系外惑星の大気：普遍性を持つ
惑星大気の起源と進化論

今後の日程• １ 集会（新しいタイプ；学会に代わる）• ●2泊3日で、初日は2名程度のキーノートの発表を聞く（各1時間）、3-5名程度のコメント（各10分）；午後は自由（夜の部の総合討論に向けて各人パワポ作成）、夜の部は総合討論（司会者が鍵）• ●二つ目のトピックス• ２ 会議の内容をそのまま特集号（国際雑誌,Springer）へ、編集責任者（大学退官者、100万円/1冊で雇用）

図：水圏（イオンの状態）の酸化還元
電位勾配

附録

Astrobiologyの体系化Birth place of life on the Hadean
EarthMaruyama, S. and Ebisuzaki, T.
ELSI, Titech, Tokyo, Japan
Riken, Wako, Japan

NaturalNuclear
Reactor
ただの温泉（＝MOR）ではダメ：非熱的エネルギー源が必要（紫外線、X線、放射線、γ線、高エネルギー粒子＝電離放射線）
activedormant

RH043

Discussion：生命誕生場は原初大陸上の間欠泉（ウラン鉱床）
環境的要素

原始大陸上
自然原子炉温泉
説

中央海嶺
熱水系説

火星説

宇宙説

酸化的大気(CO2-H2O, O2なし)

○

×

○

×

窒素の供給

○

×

○

×

局所還元的アルカリ熱水系

○

○？

×

乾湿反復環境○×○×

多様な鉱物（Ni,Co,Fe3P)

○

△？

○

KREEP玄武岩

○

×？

×

ウラン鉱床

○

×？

×

放電（落雷）○

×？

×

太陽エネルギー

○

×

○

×

低温アンモニア合成(An+)

○

×？

×

還元的気体の高濃度化

○

×?

×

周期性のある環境○×？

×

非熱的エネルギー供給源

○

×?

×

Nuclear Geyser:
Concentration of gas and synthesis of Biomolecules

生命惑星探査と惑星大気1 Research history: Proposed birthplaces of life?