2特集

31特集 1

海底環境のタイムカプセル～泥岩中に形成される石灰質ノジュール～金沢大学理工研究域自然システム学系教授

長谷川卓

布しているようすがみられる。図の矢印部分ではの反応により，硫化水素と重炭酸イオンとアンモニはっきりと泥の成分が多い箇所に，炭酸カルシウムアとリン酸が生じる（下式⑴）。この際重要なことは，成分が「注入された」
ようすがみてとれる。このよう二酸化炭素ではなく重炭酸イオンが供給されることな筒状の注入様式（図 2 は圧縮後の断面をみているだ（Froelich et al.，1979）。のでだ円形にみえる）は，海底に生息する生物の排(CH2O)106 ＋ (NH3)16(H3PO4) ＋ 53SO42 −ている。そして母岩よりも間隙（つまり粒子と粒子泄物である。このことは，炭酸カルシウムが濃集す→ 53H2S ＋ 106HCO3 −＋ 16NH3 ＋ H3PO4

化石愛好家であれば目の色が変わるだろう。彼らの間の隙間）が小さいため，重い。泥と泥の粒の間ると同時に底生生物が活動していたことを意味して⑴は知っている，それが不思議なタイムカプセルであに炭酸カルシウムが詰まっているのだ。この密閉性いる。すなわち，ノジュール形成は生物が活動するるという事を。泥岩の発達する地層を調査していくゆえに化石が良好に保存される。教科書には「化石ような海底浅部で始まっていたのである。と，しばしば大きな露頭（地層が広く露出する場所）から溶け出した石灰分により」固結したと書かれてノジュールは石灰質の化石を包みこむように発達に行き当たる。注意深くみていくと，明らかに周囲いる場合もあるが，じつは化石の炭酸カルシウムはする場合ばかりではない。よく目にする型としては，の泥岩（以下「母岩」とよぶ）とは異なる物理的，化学溶け出していない場合もあり，だからこそ化石の保木片や生痕化石など，炭酸カルシウムを伴わない有的性質をもった，亜球状で大きさ数 cm 〜数十 cm存が良好なのである。

機質の化石の周囲にもよく発達する。海底に達した

1. 石灰質ノジュール団塊とはの塊をみつけることがある（図 1）。やや軟質な母岩は，地質用のハンマーで掘りこんだり削ったりする

2. ノジュールの成因

酸化的に有機物が分解されると，式⑵のように二酸化炭素が供給される。
(CH2O)106 ＋ (NH3)16(H3PO4) ＋ 138O2→ 106CO2 ＋ 16HNO3 ＋ H3PO4 ＋ 122H2O⑵
式⑶〜式⑹に，二酸化炭素，炭酸，重炭酸イオン，有機物は遊離酸素を電子受容体とした酸化分解によ炭酸イオンおよび炭酸カルシウムの平衡状態を示す

り失われていくが（図 3 の海底面と硫酸還元帯上面

式をあげる。二酸化炭素が供給されると，平衡状態ことができるが，この石灰質ノジュールに出会うとノジュール内部から得られた化石については非常の間の範囲），生物遺骸など大きな有機物の塊が泥は式⑶と式⑷では右へ移動するが，式⑷の右辺にあ「カチン」と音がして明らかに母岩よりも硬い何かをに多くの研究がなされているのに対し，ノジュールの中に埋もれてしまうと，周囲の間隙水に溶けこんる水素イオンが増加すると緩衝効果が生じて式⑸は掘りあてたことを実感する。新生代の地層であれば，本体については研究が少なく，それがどのような成でいる酸素を使いきってしまってもまだ有機物が分左へ，そして式⑹も左へ平衡状態が移る。したがっ貝化石，カニの爪やエビ，そして中生代白亜紀の地因で形成されたのかについては詳細に理解されてい解しきれずに残ることがある。そうなると，有機物て炭酸カルシウムはむしろ溶脱することになり，結層であればアンモナイト，イノセラムス，そして首るとはいえない。石灰質の化石の周囲に形成されるは酸素ではなく海水に豊富に含まれている硫酸イオ果，重炭酸イオンの濃度が増加する。一方，重炭酸長竜なども，このような石灰質ノジュールから非常ことが多いため，「続成が進むにつれ，化石から炭ンを電子受容体として使って分解されていく。海水

イオンが供給される場合の平衡状態は，式⑸も式⑹に良好な保存状態で産出することが多い。いったい酸カルシウムが溶け出し，周囲にしみこんで沈殿，中では塩化物イオンが最も含有率の高い陰イオンだも右に移動し，炭酸カルシウムの形成を促進する。

なぜノジュールからはこのように良好な化石が産出再結晶したもの」だと漠然と信じられているのが現が，その塩化物イオンの約 14 ％もの濃度で硫酸イ式⑸で生じる水素イオンの増加は式⑶，式⑷の状態するのだろうか。

状だろう。しかし地質調査を行って細かく観察してオンが含まれている。そのとき有機物と硫酸イオンが左へ移動することで緩衝される（川幡，2008 を参

炭酸カルシウ

やると，少なくとも一部のノジュールは明らかに堆ムで泥を膠結※１積とほぼ同時に形成されていることがわかる。図 2

させる型の石灰は中心部分のやや濃い部分が強く固結したノジュー質ノジュールのルの「核」であり，その周囲の 3 〜 6 cm 程度がややほかに，二酸化炭酸カルシウムの濃度が低い，ノジュールに「なりケイ素を主成分かけ」の部分である。そこでは相対的に泥の成分がとするケイ質ノ多い箇所と炭酸カルシウムが多い箇所が不均質に分ジュールなども2 cm存在するが，こ単に「ノ ジ ュ ーに す る。 ノ※１

図2

堆積物粒子間の隙に鉱物等が沈殿して粒子を結合させ，固結させることノジュール形成過程で底生生物擾乱を受けた証拠。北海道羽幌の白亜紀の地層。写真の上方が地層の上位に
Snet- ノジュール 2.aiあたる。右下のやや濃い色は，ノジュールの中心部分。

CaCO3 形成阻害

有機物の酸化的分解

メタン生成帯ジュールは，そ 図 1 北海道大夕張の白亜紀の地層中にpH 低下

海底面

CO2

底生生物の活動硫酸イオンがなくなる深さ
数 m〜数十 mル」と よ ぶことみられる泥岩中の石灰質ノジュー
ル。下にあるのはハンマーヘッドで，約 17 cm。 卵形を呈しており，いかにも「タイムカプセル」といった雰囲気だ。

生物遺骸の着底O2

硫酸還元帯

話題とし，以下，ウムからできSO42−

酸素がなくなる深さ数 cm〜数十 cm

ジュールのみをが炭酸カルシ

O2

上位

こでは石灰質ノの 約 50 〜 80 %

酸素が豊富

図3

硫酸還元による有機物分解

SO42−②pH 低下メタン発酵−H2S HS

メタンの嫌気的酸化
SO42−

HCO3−

CaCO3 形成促進

CO2

CaCO3 形成阻害

①CH4ノジュール形成場の概念図。海底付近には酸素が満たされているが，堆積物中に入ると有機物の分解により失われていく。遊離酸素がなくなると，硫酸還元帯になる。硫酸還元帯が主
Snet- ノジュール 3.ai
要なノジュールの形成場と考えられている。硫酸イオンが消費されつくすと，メタン生成帯に入る。反応生成物としての H2O は省略されている。

45特集 1特集 1照）。
CO2 ＋ H2O →← H2CO3→ HCO3 −＋ H ＋
H2CO3 ←＋2−
HCO3 −→← CO3 ＋ H
2＋2 −→Ca ＋ CO3 ← CaCO3

物が分解して，メタンを発生させることもある。地の同位体比（18O/16O および 13C/12C）を知ることにされつくし，硫酸還元が生じて硫化水素が発生する⑶

層中は圧力がかかっているため，そのようなメタンより，当時の海水温度や海洋環境などさまざまな情ことがある。遺骸表面では遊離酸素が存在している⑷

は堆積物の隙間をすり抜けて搾り出され，堆積物表報を得ることができる（炭酸カルシウムの O/ O

場所があり，そこは硫黄細菌（硫化水素や硫黄を酸⑸

面へ向かって上方に移動する。海底面に到達する前は，形成された時の海水の水温と，周囲の水 H2O化させることによって得られる化学エネルギーを利⑹に硫酸還元帯に到達すると，そこでメタンの嫌気的の 18O/16O に依存することが知られている。詳細は用する）の活動の場となる。実際に，硫黄細菌を体分解が生じ，重炭酸イオンが供給され，ノジュール川幡，2008 を参照）
。化石を用いた分析研究は進ん内に共生させることで知られる二枚貝の化石が，大が形成されることになる（図 3）。

でいるのだが，ノジュールを用いた同様の研究はあ型生物遺骸とセットで発見される例もあり，「鯨骨まり行われていなかった。筆者の研究室で卒論・修群集」「竜骨群集」などとよばれることもある。さら

論研究を行う学生が丹念にノジュールの記載と分析に，それらのノジュールを粉にして有機溶媒で抽出

以上に示すように，海底である程度の規模の有機物の塊が存在し，海水の供給が制限されるような場
では重炭酸イオンが供給されるため，炭酸カルシウムが形成されやすくなる。では具体的にはどのような状況でその条件が整うのだろうか。

4. 化石硬組織の保存の場としてのノジュール

18

16を行った結果，ノジュール表面に底生生物活動の痕

すると，ノジュール中に残っている生物指標有機物ノジュールが海底付近で（堆積初期に）形成される跡が残るなど，明らかに硫酸還元帯（図 3）の最上部（バイオマーカー）が得られる。これをガスクロマト場合は，重炭酸イオンの供給源になった生物に由来付近で形成されたという証拠があるノジュールがみ

グラフ質量分析装置 ※３ で分析すれば，どのようなノジュール形成に関与する有機物とはどのようなする有機物とその生物がもっていた硬組織を包みこつかり，それらの酸素同位体比を分析したところ，種類の微生物がノジュール形成に関与したかを調べものだろうか。有機物の塊とは具体的には生物の遺むように発達する。この過程で化石となる硬組織が海底の水温を反映していることがわかった。すなわることができる。

骸である。小規模なものであれば，酸化作用により未破壊の状態で「カプセル」に封入される。化石を取としてち，一部のノジュールは「過去の海底水温計」残らず分解されてしまう。よって，結果的に残るのりこんだノジュールは炭酸カルシウムの膠結作用に機能するのである。一方，硫酸還元帯の中でも深部は，白亜紀の例でいえば首長竜やカメなどの大型脊よって「セメントに埋めこまれたような状態」になる。

（メタン生成帯に近い深さなど）で形成されるような

このように，ノジュールを化石だけではなく化学椎動物や大型のアンモナイト，イノセラムスなどでこうなると，たとえ周囲の地層が圧密を受けて変形場合は，分解有機物由来の酸素がノジュール周囲の分析の方面からも調べていくことで，過去の海底環ある。木片や，底生生物の糞などの密集も残る。泥するような場合でも，「カプセル」の内側の化石は変水（H2O）中 に 蓄 積 し て し ま い， 海 水 と は 異 な る境についてさまざまなことがわかってくる。大学のが堆積する海底では，海水と泥が混じりあって密度形や破壊から守られる。海底直下のノジュールが形18O/16O 値をもつ水の中でノジュールが形成される

地球科学分野では，高等学校の「地学」と比べてはるが高くなり，周囲の海水との混合が制限された状態成される場合は，まだ堆積物の粒子間の間隙が 80 %ことになるため，海水の水温推定はできないこともかに広範囲の視野を必要とする。
「地学」
では学習しとなる。泥に浅く埋もれた程度でも，生物遺骸の周程度あり，そこを海水と同じ組成の間隙水が満たしわかってきた。

ないが，その原理を「物理」
や「化学」で学習している，

囲の水は，酸素に富む海水との混合が制限された状ている。ノジュールが形成されるときは，その隙間また，炭素同位体比からもおもしろいことがわかという内容は多く，「生物」で学習する生命の進化に態になる。するとその遺骸の周囲は準閉鎖的環境とが炭酸カルシウムで置換される。一方，ノジュールる。メタン生成帯でバクテリアが生成するメタンは，ついては，大学では「地球科学」の一分野として研究なって酸素は消費しつくされ，硫酸還元によって生ができない場所では，泥がどんどん上に堆積してい13

C/ C の値がきわめて低い（− 60 〜− 100 ‰：標準が進められている。ノジュールの研究もまさにそのじた重炭酸イオンがどんどん濃集することで，上述

き，その重さで圧密を受けるため間隙水は搾り出さ

試料より 6 〜 10 % 程度 13C に乏しい状態）ことが知ような学際的なテーマの一つである。10 cm ほどのの反応が進行し炭酸カルシウムの沈殿が生じていく。

れ，堆積物の体積は圧縮されて最終的には 1/3 〜られているが，いくつかのノジュールからはそのよ

亜球状の岩石に，過去の海底の出来事の情報が満ち

3. ノジュール形成の場

12

あとがき

少なくとも一部のノジュールはこのような（図 3 の1/4 もの厚さになってしまう。その際にノジュール

うなメタンの存在を示す炭素同位体比が得られていている。化石，有機化学，無機化学，生物学の知識②の過程）プロセスで形成されていることは明らかに守られていない化石は細かく破砕されてしまう可る。そのようなノジュールは図 3 の①のようなプロを総動員して理解する。そして分析装置の運用にはである。このような嫌気的な有機物の分解は，泥質能性が高い。ノジュールでは炭酸カルシウムが満たセスを経て形成されたものであると考えられる。

物理の知識が生きてくる。ノジュールは理科好きなな海底の場合，海底面直下数 cm 〜数十 cm の遊離されているため間隙水が浸入しにくく，酸性間隙水

13C/12C の分析により①で形成されたと確認された高校生にはとても魅力的な材料ではないだろうか。

酸素がなくなる深さで始まり，硫酸イオンがなくなによる化学的続成作用（溶解等）の影響も最小限に抑ノジュールの表面には，生物活動の痕跡が残ることぜひ教材として一考していただきたいものである。

る深さ（数 m 〜数十 m 程度）まで続く（硫酸還元帯：えられることになる。多くの海生生物の化石はこのが多い。①のプロセスは硫酸還元帯の最上部付近で

平朝彦，2004 に詳述されている）。

ようにしてノジュールに守られてきたものである。

生じたと考えられ，ほとんどのノジュールの酸素同有機物が生物遺骸ではない場合もある。地中深くから湧き出るメタンなどの炭化水素の分解が原因で形成されるノジュールがあることが知られているのだ。海底で堆積する泥に含まれる有機物は，硫酸還5. 海底環境の化学データ保存の場としてのノジュール
さて，海洋で生成される炭酸カルシウムとしては，位体が過去の海水温情報を保持している。
図 3 の②のように，生物遺骸が硫酸還元によって分解してできるノジュールの炭素同位体比は，分解Luedtke, N. A., Heath, G. R., Cullen, D., Dauphin, P.,Hammond, D., Hartman, B. and Maynard, V., 1979,

した生物（有機物）の 13C/12C と，もともと水に溶けEarly oxidation of organic matter in pelagic sedimentsof the eastern equatorial Atlantic: suhoxic diagenesis,

元帯で分解されなければ，海底の泥深くに閉じこめ二枚貝などの軟体動物やサンゴ，有孔虫などがよく（約− 20 ‰ていた HCO3 − の 13C/12C の中間的な値られていく。そこでは，海水から硫酸イオンが供給知られ，保存のよいものは化学分析の対象となって程度）を示し，メタンに由来するノジュールとは大されないため，有機物を分解するためにバクテリアいる。それらの化石をリン酸と反応させ，二酸化炭きく異なるのが普通である。新生代のクジラ類や中によるメタン発酵が発生する（図 3 のメタン生成帯）。

素ガス（CO2）に変換したうえで安定炭素・酸素同位生代の首長竜など生物遺骸が巨大である場合は，堆次々と積もっていく泥の重さと地下熱の影響で有機体比質量分析装置 ※２ を用いて分析し，酸素や炭素積物に埋没する前に生物遺骸内部で遊離酸素が消費※２ CO2 分子に負電荷を与えて電気的に加速し，電磁石でつくった磁界の中を飛ばす。一つ一つの荷電粒子にかかる力は同じだが，例えば12CO2 と 13CO2 では質量数が違う（それぞれ 44 と 45）ため，飛行経路がわずかにずれる。このことを利用して 12C と 13C の比率などを調べる。

参考文献
1) Froelich, P. N., Klinkhammer, G. P., Bender, M. L.,

Geochimica et Cosmochimica Acta 43, 1075-1090.
2) 川幡穂高，2008，海洋地球環境学，東京大学出版会，p.269
3) 平朝彦，2004，地層の解読，岩波書店，p.441※３ 気体をクロマトグラフィーの原理で分離して個別分子を取り出し，各々の個別分子に衝撃を与えて分解し，どのようなパーツからできているかを調べることで物質を同定する方法。