Nagoya University

永久凍土中の地下集塊氷の生成過程と気候変動
加藤喜久雄**) 名古屋大学水圏科学研究所、 464 、名古屋市千種区不老町

1. はじめに永久凍土地帯はカナダ北部、アラスカ、シベリアおよびチベットなどに広く分布する。その厚さは通常 100m以上にも及ぴ、 500m 以上に達するところもある。永久凍土地帯でも、夏には地表面は融ける。この夏に融ける地表近くの層を活動層と呼ぶ。この活動層には、その下の永久凍土が水分を透さないため、凍土の融水や降水が蓄えられる。このため、永久凍土地帯でも一般的には植生はある。

永久凍土地帯では特有の地形が見られる。
ビンゴ(小さな丘、写真 1 )、ツンドラ構造
土(地表の模様)、アラス(地下氷の融解により出来た凹地)、地下集塊氷を有するなだらかな丘(写真 2) 、氷模(凍土中へ模を打ち込む形にできた氷体、図 3 参照)などがそれである。これらの地形を生成する原因として、次のようなものがある。

1 )土が凍結するとき、そこの土中水分が凍結するのみでなく、凍結線に向かつて下方の未凍土から水分の移動が起こり、析出氷ができる。そのため、体積増、つまり凍上が起こる。

写真 1

ビンゴ(イブークビンゴ)

2) 凍土の地表面が極寒にさらされる

とき、凍土中に温度勾配に基づく熱応力が正じ、鉛直な割れ目が出来る。そこへ夏に透みこんだ水が凍結する。

3) 地下氷の融解により、地表面が陥没する。
これらの永久凍土中に存在する様ざまの氷体に関する安定同位体の研究例は少なく[1‑2]、これらの氷体がどのような安定同位体特性をもつのか明らかて'なかった。しかし、これらの氷体が水の起源や生成過程を反映した安定同位体特性を示し、このことから逆に、これらの氷体の水の起源や生成過程に関する情報が得られる可能性は十分にある。

写真 2

地下集塊氷(本研究の対象氷体)‑36‑
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カナダ北西部にある、北極海に面したマッケンジー河口デルタ地帯(図 1 )は厚さ350"'400m の連続永久凍土地帯である。ここでは、永久凍土特有の地形の典型的なものが見られる。そこで、ここの永久凍土中に存在する様ざまの形態の氷体について酸素同位体特性の解明を行った [3-5 ]。

その結果、氷体が自身の水の起源や生成過程を反映した安定同位体特性を示すことが明らかになった。これらの同位体特性は、地下集塊氷を除くビンゴ、ツシドラ構造土、氷模については、これまでの水の起源や生成過程に関する考え方を裏付けるものであった。地下集塊氷については、並行して行われた氷!物性に関する研究からも、これまでの水の起源や生成過程に関する考え方に疑問が投げかけられた [4-7 J 。

1984 年からは、文部省科学研究費(海外学術研究)として、地下集塊氷の水の起源や生成過程を気候変動と関連づけて研究を行っている。表土、凍土、氷体にボーリシグしてえたコアを主に扱っているが、現時点では氷体の年代決定が最重要課題となっている。そこで、氷コア中に僅かに存在する泥と、表土や凍土のコア中に存在する木片の 14 C 年代測定をタンテドロン加速器質量分析計により行った。

図 1

北米西北地域の地図(・:本研究の調査地域)

2. 研究方法

2‑‑1.試料
カナダ、ノースウエスト準州 (Northwest Territory) の北極海、ボーフオート湾に面したマッケンジー河口デルタ地帯(図 1 )、 69 22'N 、 133 7'W にある地下集塊
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氷(写真 2) を調査対象とした。

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氷体の上に位置する表土や凍土の厚さは 1--..10m に及ぶ。

表土や凍土の厚さの薄いところを選ぴ、ポーリング.行った。およそ 1m の表土および凍土のコアとおよそ 22m の氷のコアをえた。

氷コアの最下部には、氷河底部の流水により、良く sorting され、やや円磨された砂層が存在した [7J 。

氷コア中に僅かに存在した泥層から、 3mg 以上の炭素量がえられた三試料と、凍土のコア中に存在した木片二試料を測定に供した。

•37•

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2-2. 測定

加速器質量分析計による測定には、すべての試料を元素態炭素にする必要がある.
泥試料については、まず炭酸塩態炭素を除去するために、 1.2N-HCl 水溶液を加え、water...bath 上で加熱し、炭酸塩を分解する。遠心分離を行い、上澄み液を取り除く.

この HCl 抽出操作は二回以上行う.
熱することにより HCl を除去する.

次に、 HCl 抽出を終えた試料に蒸留水を加え、加遠心分離を行い、上澄み液を取り除き、 100 ・ C で真空乾燥する。有機態炭素を CO 2 にするため、試料に約三倍量の酸化コバルトを加え、真空中で 15 分間 950 ・ C に保つ。

生成した CO 2 は、 2 時間 30 分間 950 ・ C に加熱し、熱金属マグネシウムにより還元して非品質炭素にする。
木片試料については、まず二次汚染炭素物質の除去を行う。木片を 4%NaOH 水溶液に入れ、 water-bath 上で 1 "'2 時間加熱したのち、放冷する。

NaOH 抽出液が着色しなくなるまで、この操作を繰り返す。 NaOH 抽出液を取り除いた試料に、 1.2N-HCl 水溶液を加え、 water-bath 上で加熱し、炭酸塩を分解する。

この HCl 抽出操作は二回以上行う。

次ぎに、 HCl 抽出を終えた木片試料に蒸留水を加え、加熱することにより HCl を除去した後、 100 ・ C で真空乾燥する。

この試料を真空封管し、電気炉で400 ・C で3 時間加熱し、炭化する。封管が充分冷えてから、炭化した試料を取り出して、 2N-HCl 水溶液に入れて water-bath 上で加熱し、炭酸塩を分解する。炭化試料に蒸留水を加え、加熱することにより HCl を除去した後、 100 ・ C で真空乾燥する。

非品質炭素は高純度の銀粉とモル比で 1: 1 の割合で混合され、手動のプレス器で直径 3mm 、厚さト2mm のぺレット状ターゲットに成型される。このターゲットを用いて、タンテドロン加速器質量分析計により 14C 計数を行う。

測定年代は 14 C の半減期として 5570 年を用いて計算した。

3. 結果と考察

表土(活動層)および凍土からえたコアについては、地表から 40cm と 75cm の深さで見いだされた木片の年代は、おのおの 7520 士 150 年 BP と 9880 :t 130 年 BP であった。氷コアについては、コア最上部から 1 1.旬、 2 1. 2m 、 2 1. 5m の深さの泥の年代は、 14270 士 250 年
BP 、 17000 士 250 年 BP 、 17070 :t 180 年 BP であった。

地下集塊氷の水の起源と生成過程に関する最も有力な説は、ビンゴと同じ地下水の析出氷説である。

写真 1 のビンゴは、対象とした地下集塊氷から 3km ほど離れたところにある、有名なイプークビンゴである。このビンゴについては、良く研究が行われ、年代測定値もいくつか出されている [8-10J 。

図 2 にイブークビンゴの断面図 [8Jを示した。 A 層はおもにシルト質粘土からなる泥流堆積物であり、背後に後退した氷河に由来するものと考えられる。 この層に含まれる流木の年代としては 12000 士 300 年
BP 、泥炭の年代としては 17860 :t 250 、 14130 士 440 年 BP がえられている。 B 層は、氷河底部の流水により、やや円磨され、良く sorting された砂である。

ここから採取された木片を用いて、 >42900 、 >37500 、 >26000 年 BP の年代がえられている。これらの結果か

ら、氷河とビンゴは共存できないと考えられることから [11 J 、イプークビンゴは少なくとも 12000 年 BP 以降に生成したことになる。

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イプークビンゴの断面図( [8] より)

本研究で対象とした地下集塊氷の上部にある、泥流堆積物からえたコア中の木片の測定年代は 9880:!:130 、 7520 士 150 年BP であった。図 3 に、この地下集塊氷の上部の非常に厚い;泥流堆積物の凍土中に生成した氷模の断面を示した [2] 。

この断面の中ほどで見いだされた木片の年代は 9980 士 140 年 BP であり、本研究の 1m の厚さの泥流堆積物からえたコアにおいて、 75cm の深さのところから見いだされた木片の測定年代とよく一致していることは注目される。

ところが、地下集堤氷からえたコア中の泥層の年代は最下部で 17070 士 180 年 BP 、中ほどで 14270:!:250 年 BP である。このことは、泥流堆積物の年代よりかなり以前、上記の 12000 年 BP 以前に既に氷体が生成していたことを暗示している。
他方、写真2 からも分かるように、泥流堆積物は地下集塊氷を不整合に覆っている。

このことは、泥流堆積物の被覆以前に、氷体が既に生成していたことを示している。

さらに、地下集塊氷中の泥層の年代が氷体そのものの年代を示しているとしたほうが、泥流推積物と氷体の両者の年代のつながりに不自然さがない。

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地下集塊氷の上部に生成した氷模の断面図([2]より)‑39‑
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以上のように、この地下集塊氷は、下部から上部へ向かつて順次生成していったものであり、ビンゴのような上部から下部へ向かつて順次生成していった析出氷ではないと考えられる。また析出氷説では、氷体の上部から下部へ向かつて順次大きくなっていく酸素同位体比の垂直分布の傾向を説明できない [12 J 。さらに決定，的なことは、氷体における花粉の存在である [13J 。泥層からよりも、泥の存在しない氷からのほうが、保存の良い花粉が数多く見いだされたことである。このような花粉の存在は、ビンゴのような地下水からの析出氷においては説明しがたいものである。

したがって、地下集塊氷の生成に関しては、現在の最有力説である析出氷説は否定され、埋設氷説が妥当と考えられる。埋設氷としては、氷河氷と、現地で雪が氷化したものが考えられる。氷の酸素同位体比や花粉が古気温の指標となりうることは、良く知られたところである。これらの地下集塊氷の酸素同位体比や花粉の分析結果は、氷体が下部から上阿部へと生成していった期間には、古気温が順次低くなっていったことを示している [12-13J 。

ここで、最下部で 17070 士 180 年 BP 、中ほどで 14270 :t 250 年

BP という氷体の年代が指し示す、古気温変動の傾向が決定的な重要性をもつことになる。

最終氷期の最寒期末期からの気温が順次高くなっていく傾向の時期であるとすれば、酸素同位体比や花粉が示す古気温の傾向とは全く逆であり、この地下集塊氷がローレンタイド氷床の中心部から北へ流動してきた氷床氷河の埋設氷であることになる。この地下集塊氷がローレンタイド氷床の氷河の残体であることになれば、ローレンタイド氷床の氷体の発見ということになり、この氷体は最終氷期におけるローレンタイド氷床そのものと、氷床の最大拡大期以降の気候変動に関する情報を提供してくれることになる。

一方、 17000 年 BP ごろは亜問氷期であり、その後また気温が順次低くなっていったとする考えもある。この場合には、氷床氷河の埋設氷説も現地性の雪の氷化説も妥当と考えられる。後者の場合には、氷床の最大拡大期以降の気候変動のみならず、北極海沿岸域における環境変動に関する情報を、この氷体は提供してくれることになる。

現在、この地下集塊氷の研究は日本一カナダ共同研究として進められているが、タンテドロン質量分析計による 14 C 年代測定の寄与するところは大変大きい。

謝辞

本研究は文部省科学研究費(海外学術研究)によって行われた。またタンテドロン
質量分析計による 14C 年代測定は、名古屋大学アイソトープ総合センター天然放射能測定装置の学内共同利用研究として行われた。また、同センターの中村俊夫博士には多大のご助力を頂いた。ここに記して厚く感謝の意を表します。

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