炭酸塩コンクリーションのSr同位体比を利用した年代決定法の検討

抄録

炭酸カルシウム（CaCO₃）を主成分とする炭酸塩コンクリーションは海成堆積岩に普遍的に産出する．炭酸塩の炭素同位体組成（δ¹³C），コンクリーション周辺の堆積構造，コンクリーション成長モデルなどから，これらの炭酸カルシウムは，内包される生物の軟体組織部分を起源とする炭酸（HCO₃^–）と堆積物中の間隙水に含まれる海水中のカルシウムイオン（Ca²⁺）が反応し，堆積後数ヶ月〜数年の短期間に急速に形成されたことが明らかになっている^1,2．この炭酸カルシウムは，海底下の地層中で成長する際，Caと化学的挙動が類似したストロンチウム（Sr）も海水中から取り込む．一般に，海成炭酸塩（岩）に含まれるSrの同位体比（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）は，過去の海水のSr同位体比の変動曲線³との対比に基づき，堆積年代を推定することに利用されている（Sr同位体層序年代）．コンクリーション中の炭酸塩に含まれるSrは，続成作用や変質作用の影響が小さければ，堆積当時の海水中のSr同位体比を保持することとなり，年代指標に成り得ると考えられる．本研究では，石灰岩層などの堆積年代の決定に用いられているSr同位体層序を，炭酸塩コンクリーションに適用し，その有効性について検討した．

　試料は，富山県八尾地域と宮崎県の宮崎平野〜鵜戸山地に広がる宮崎層群に産出するコンクリーションである．八尾地域の中新統黒瀬谷層に産出するツノガイ（Fissidentalium spp.）化石を含むコンクリーション（6試料）と化石を含まないコンクリーション（5試料），ツノガイの貝殻部分（4試料），新第三紀中新世（約1100万年前）〜第四紀更新世（約150万年前）の海成層（宮崎層群）に産出するコンクリーション（13試料）を分析に供した．コンクリーション中のカルサイトを希酢酸で溶出させ，カルサイトフラクションから陽イオン交換樹脂カラムでSrを単離した．Sr同位体比は名古屋大学の表面電離磁場型質量分析計VG Sector 54-30で測定した．

　分析の結果，八尾地域のツノガイ化石を含むコンクリーションのカルサイト部分の ⁸⁷Sr/⁸⁶Srは0.70865–0.70867とほぼ一定であり，ツノガイの貝殻部分の⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.70865–0.70868とも一致した．また，化石を含まないコンクリーションのカルサイト部分の ⁸⁷Sr/⁸⁶Srは0.70865–0.70868であり，これらもツノガイの貝殻部分の値と一致した．Sr同位体層序年代を求めたところ，ツノガイの貝殻部分の年代は16.86±0.34 Maであり，ツノガイ化石を含むものと含まないものの両グループの ⁸⁷Sr/⁸⁶Srの平均値から求めた年代は17.02±0.27 Maであった⁴．このコンクリーションのSr同位体層序年代は，珪藻化石層序・古地磁気層序（15〜17 Ma）⁵や凝灰岩層のジルコンのU–Pb，FT年代（16.4±1.2 Ma〜17.6±0.3 Ma）⁶などから得られている堆積年代とも一致している．これは，炭酸塩コンクリーションが地層の堆積直後に形成されたことを示しており，堆積直後に急速にコンクリーションが形成されたというこれまでの研究結果とも矛盾しない．

　一方，宮崎層群のコンクリーションのSr同位体層序年代は，化石層序などから得られている堆積年代と大きく異なる年代値となった．すなわち，宮崎層群の炭酸塩コンクリーション中のSrは堆積当時の海水のSr同位体比を反映していない．また，八尾地域のコンクリーションのδ¹³C_VPDB値は–19.2〜–15.9‰と低く，生物の軟体組織部分を起源とする炭素成分を示唆しているが¹，宮崎層群のコンクリーションのδ¹³C_VPDB値は–6.5〜+1.1‰と高く，海水の無機炭酸を起源とする炭素成分を示唆している．ストロンチウムと炭素の同位体組成の結果は，宮崎層群のコンクリーションのカルサイト部分の起源物質が八尾地域のコンクリーションとは異なっていることを示しており，コンクリーション形成時の間隙水の性質の違い，形成後の変質の程度の違いなどを反映している可能性がある．

　本講演では，炭酸塩コンクリーションの産状，微量元素組成のデータも併せて，Sr同位体による年代決定が可能な炭酸コンクリーションの選別についてさらに議論する．

¹ Yoshida et al., Sci.Rep. 5, 14123 (2015); ² Yoshida et al., Sci.Rep. 8, 6308 (2018); ³ McArthur et al., In: The Geologic Time Scale 1, 127-144 (2012); ⁴ Yoshida et al., Sci.Rep. 9, 1003 (2019); ⁵ 柳沢, 地調月報 50, 139-165 (1999); ⁶ 中嶋ほか, 地質雑 125, 483-516 (2019)