(神戸大CPS; Dec. 11, 2017)

Zirconophile: trilogy
ジルコン好き三題噺

東大・駒場・宇宙地球
磯崎 行雄

material to look for

ジルコン ZrSi04
The most promising recording-medium
for Earth-History studies

特長： 珪長質マグマから晶出する火成鉱物
花崗岩類に普遍的 (大陸地殻)
玄武岩にまれ (海洋地殻)
超塩基性岩に極めてまれ (マントル)with enriched inconpartible elements
年代測定に有用
硬い： 機械的摩滅（削剝・変質・変成）に高耐性

menu

1. AZS マシン と43.7億年前事件 (冥王代)2. 新大陸成長モデル （太古代・原生代）
3. 大陸縁リフティングの原動力 （顕生代）

episode 1: Hadean

AZSマシンと冥王代ジルコン

Early Solar System chronology
CAI formed in < 105 yrs at 4567.80 +- 0.5 Ma (t0)chondrules formed in 0.5- 5 Ma after t0
182W: Moon formed in 30-150 Ma after t0
List of the oldest on the Earthfossil: 3500 Ma
biomarker: 3950 Ma
sediment: 3950 Marock: 4100 Ma これより古い岩石はない！
mineral: 4370 Ma

堆積システム：削剥・運搬・堆積
陸源砕屑岩類（terrigenous clastic rocks; 砂岩や礫岩）から後背地 (provenance)の解読

冥王代物質の探索：太古代岩石の分布地域
World record： 4.4 Ga mineral-bearing conglomerate in W. Australia
Late 20th century: advance in dating technique, grain-by-grain (> 10 micrometer)
Early 21st century: the world record @ 4.4 Ga from Westrn Australia

even after the old rocks are gone,
hard mineral grains remain in younger sediments

3.0 Ga Jack Hills 礫岩

世界記録@ 4379 +- 26 Ma
Hadean zircon from Jack Hills
by ANU group

10万粒から３粒！

地球最古物質の探索
微小領域 U-Pb 年代測定の改良／低価格化
LA-ICPMSの普及が決定的でも、１０万粒に３粒では効率的とはいえない…

Why? 最大の障害は……

岩石からのジルコン分離作業 still primitive, dependent on pain-staking human labor,
In particular, hand-pick under binocular .
これまでの地球最古ジルコン： 10万粒から３粒.

① break down

④magnetic
separation② crush＋sieve⑤ heavy liquid③ panning⑥ hand-pick under binocular
これが律速…

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micro-UFO-catcherをつくって、A. リンカーンになろう！

• 既存のマイクロピンセットを改良（連続自動運転化）• 画像処理ソフトを改良（色調などの光学情報を学習）

High-Reliability Automatic Zircon Separator (Hi-Re AZS)
高忠実度自動ジルコン選別装置
Empirism：dark-color in older grains
Limit in human hand-picking ------
Robotics replacing human labor

big customization ofmicro-tweezers

駒場 special machineIsozaki et al. (2018 in press)

Isozaki et al. (2018 in press)

10,000 grains collected in 1 week（the most difficult part was in aligning grains after pick-up）

Isozaki et al. (2018 in press)効率の２段階向上
1) AZS (automatic zircon separator) の開発
１） 長時間単調作業の代行
２） 画像登録され、測定用に配列された試料の迅速収集（１分で１粒を確実にピック・配列）

2) 古そうな粒子だけを事前に選ぶテクニックとして無研磨簡便測定を新考案
TANDEM-LA-LIBS 分析装置で簡便迅速分析（手間のかかる精密年代測定は、少数精鋭粒子のみに対して行えばよい。）

あわせて２桁の効率向上を達成 ！
従来１０万粒中から3粒だったが、約3000粒の中から10粒とれた！

見つけた！ > 4.3 Ga zircons captured by AZS machinefrom the Jack Hills conglomerate, W. Australia

Isozaki et al. (2018 in press)

Short-cut method for getting
approximate ages
before resin-mounting

冥王代 (> 4.0 Ga) ジルコン200粒
最古粒子 (> 4.3 Ga)
１０粒獲得！
Isozaki et al. (2018 in press)

もっと古いのは？
Age limit ormuch olderone??

Possible age limit @4.37 Ga common in Earth and Moon
implications?
Age spectrum of lunar zircons from Apollo samples

Hopkins and Mojzsis (2015)> 3000 km large crator
ejectaMcLeoGeneral belief

1. consolidation of magma oce> 4330 Ma
2. magmatism/resurfacing@4250 Ma
3. later impact@3950 Ma

geochemical trend in > 4.0 Ga zircons

PREENb

Not yet clear but may have a particular secular trend---- faint memory of lost primodial continental crust?? ….

Ti

The oldest 4.3 Ga zircons
containing mineral inclusions,such as apatite Ca5(PO4)3(F, Cl, OH)2
w/ boessential elements e.g., P and OH

Isozaki et al. (2018 in press)

continental crusts were inevitable for life!

“habitable trinity” model(Dohm and Maruyama, 2014)
co-existence with direct contact among atmosphere, ocean, and continentcontinents as
nutrient source

atmosphere

Trinity junction
ocean
continental crusts (+KREEP) withnutrient elements; e.g. P, K etc.

atmpsph.-oceancontact for resolving
nutrients into water
thru surface erosion

ABEL model (Maruyama & Ebisuzaki, 2017)
conventional views:

solid Earth first

No continent on the Early Earth
but solely with komatiitic/basaltic oceanic
crusts occupied
the surface of the young planet

In contrast, ……..

ocean/atmosph. followed4.4-4.2 Earth with the earliest life

bio-essential elements + variety in on-land fresh-water settings

episode 2: Archean-Proterozoic

新しい大陸成長曲線

これまでに提案された多様な大陸成長曲線 (Rino et al., 2008のコンパイル)

世界に現存する地殻の年代区分 （海洋はすべて約２億年前よりも若い）detrital zircon age spectra of modern river sands

Secular change in lifetime of granitic crustand the continental growth:a new view from detrital zircon ages of sandstones

Sawada, Isozaki et al. (2018 in press) Geoscience Frontiers

the compilation
Data integration with previous studies=> Compilation of 5 periods (2.9, 2.6, 2.3, 1.0, & 0.6 Ga)

Previous studies only
1.0 Ga : 9 samples
0.6 Ga : 9 samples

Sawada, Isozaki et al. (2018 in press)

the compilation
Data integration with previous studies=> Compilation of 5 periods (2.9, 2.6, 2.3, 1.0, & 0.6 Ga)
This study + Previous studies
2.9 Ga 2+4 samples
2.6 Ga 2+3 samples
2.3 Ga 3+3 samples

Sawada, Isozaki et al. (2018 in press)緑線：ヒストグラム
赤線：累積曲線detrital zircon age spectra of 2.6 Ga sandstone

Sawada, Isozaki et al. (2018 in press) Geoscience Frontiersdetrital zircon age spectra of modern river sands

・Compilation of detrital zircon age spectra for 5 periods: 2.9, 2.6, 2.3, 1.0 and 0.6 Ga・Clear difference between 2.9-2.3 Ga & 1.0-0 Ga

detrital zircon age spectra from sandstonesfor 6 time slices; i.e. 2.9, 2.6, 2.3, 1.0 and 0.6 Ga

Sawada, Isozaki et al. (2018 in press) Geoscience Frontiers

世界中の教科書に書かれている常識
・一度生成した大陸は，表層に留まる・低密度の大陸は，高密度のマントルには沈み込まない

X

第二大陸：
地球史を通してマントル内に沈み込み蓄積した大陸物質（地表の６倍）Rino et al (2007)

大規模構造浸食：
沈み込み帯における大陸の普遍的破壊（Scholl & von Huene, 2007 など）

丸山(2010)

Clear difference between 2.9-2.3 Ga & 1.0-0 Ga=> Short life of continental crust between 3 and 2 Ga.

・Secular change in size of continents

Sawada, Isozaki et al. (2018 in press) Geoscience Frontiers

Vast granitic subduction into the mantle
in the early Archean & Hadeanmuch shorter life ofcontinental crust before 3 Ga

Kawai et al. (2013)

graniticsubduction
Sawada, Isozaki et al. (2018 in press)

episode 3: Phanerozoic
大陸縁リフトと背弧プルーム

太平洋型造山帯構成要素とその配列 ＜大陸地殻の成長＞
volcanic arc

fore-arc basin(磯崎ほか2010)

日本列島：古生代カンブリア紀から現在まで同様の歴史
しかし古いものほど断片化・二次的に消失

白亜紀の構成要素は比較的よく残っている
手取・関門層群

領石-物部川／和泉層群
四万十付加体

領家花崗岩

三波川・四万十高圧変成帯

白亜紀日本における地形、表層での物質循環： 砕屑岩が研究対象

Dickinson & Suczek (1979)(磯崎ほか2010)不整合で始まる地層はわかりやすい
手取／神通

関門／篠山

和泉 物部川宇和島

先カンブリア時代の粒子
新規花崗岩バソリス帯の隆起 ＝ 巨大なバリア出現
背弧側からの砕屑物流入ルート遮断(Aoki, Isozaki et al., 2014 Terra Nova)

西南日本の白亜系
手取-神通（背弧／弧内盆地）

跡倉
山中
銚子

篠山

関門ー慶尚
（弧内盆地）

天草-御船

大野川-和泉
(前弧盆地)
Group 0: 四万十帯
海溝Group 1a: 四万十帯
前弧盆地
Group 1b: 秩父帯
前弧盆地
Group 1c: 領家帯
前弧盆地
Group 2: 秋吉/周防帯 弧内盆地
Group 3: 飛騨帯
背弧盆地
Group 4: クリッペ？？
Geol. Surv. Japan (1977)

砕屑性ジルコンの年代スペクトル： 山中地構帯の下部白亜系

中畑・磯崎ほか（2016a）

白井層

スペクトルの層序学的変化
三山層

長崎鼻層

犬吠埼層

前弧白亜系砂岩にみる250 Ma 花崗岩の消失
石堂層

海鹿島層

関東地方では、Barremianまでは広範に露出していたが、Aptianに消えたように見える。
約 120 Ma
白井層
中畑・磯崎ほか（2016a）

姫浦層群
鳥屋城層

和泉層群

井関層

御霊層

御船層群
御船／天草（領家帯）

御所浦層群

有田（秩父帯）北谷層

同じ西南日本の白亜系砂岩だが、異質なパタンが…..
跡倉（群馬）・真穴（愛媛）クリッペ

砕屑性ジルコンの年代スペクトル
4年代グループ•白亜紀(120-150Ma)•ジュラ紀(170-200Ma)•ペルム紀(250-280Ma)•原生代前期(1600-2400Ma)
先カンブリア時代粒子が多産
秩父帯／領家帯白亜系と全然違う。

(中畑・磯崎ほか, 2015, 2016b)

跡倉クリッぺの白亜系： 低角度断層
関東山地の２列の白亜系（跡倉クリッぺと山中地(南北に10km離れている)

山中地溝帯の白亜系： 不整合

中畑ほか, 2015)

クリッペ下底の断層

白亜系／三波川変成岩

背弧側から前弧域への across-arc 長距離移動

飛騨帯自体が巨大なクリッぺ (Komatsu, 1990)
弧を横断する200-300 kmの長距離移動

クリッペの移動時期： 55~16 Ma（竹内ほか1990）

日本海形成時の背弧拡大テクトニクス(リフティ ング)
磯﨑ほか,2011から改変).

愛媛県三瓶地域の浅海成白亜系
真穴層
浅海成白亜系砂岩 (ジュラ紀〜白亜紀)
異地性のクリッぺ：跡倉クリッぺに比較可能→ 北側の大陸側から来たらしい（武田ほか,1993）

真穴層
周木層

二及層（武田ほか, 1993を改変）

中新世 (25-20 Ma)での背弧海盆（日本海）拡大

当時の陸地
当時の海溝

日本海盆

古中央構造線

Basin & Range

Colorado Plateau

沈み込み帯の火山弧から離れた地下の熱源

将軍様の古里
長白山

長白山

日本

Big Mantle Wedge

Mantle transition zone
Stagnant slab
Stagnant Pacific slab

Zhao (2009)

長白山

Zhao, Isozaki &Maruyama (2017)

新たな熱源としての沈み込んだ大陸地殻物質

第二大陸：
地球史を通してマントル内に沈み込み蓄積した大陸物質（地表の６倍）Rino et al (2007)

大規模構造浸食：沈み込み帯における大陸の普遍的破壊（Scholl & von Huene, 2007 など）

丸山(2010)

沈み込んだ花崗岩の行方(第2大陸)

西太平洋下に沈み込み帯が集中しているため中国大陸の下には沈み込んだ花崗岩が大量に存在しており、固体地球的に重要な領域第2大陸の分布の予想図

結論

どの時代の地球についてもジルコン年代学は重要で、面白い！
zircono-phobiaにならず、zircono-phileになろう！