『米国科学アカデミー紀要(PNAS)』に掲載された新しい研究によると、最大10億年に及ぶ地質時代を代表する岩石が、地球が全面凍結した「スノーボールアース」の時代に古代の氷河によって削り取られたことを裏付ける、さらなる証拠が示されました。
この研究は、地球史上最大級の謎の一つである「大不整合(Great Unconformity)」の成因をめぐる議論に新たな知見をもたらすものです。大不整合とは、地球上の各地域で厚さ最大5キロメートルに及ぶ岩石が浸食され、地質記録に一時的な空白が生じた現象を指します。
「この時代の堆積岩がこれほど多くの場所で欠落していることは、岩石記録における最も不可解な特徴の一つでした」と、同研究の主任研究者で地球科学准教授のC・ブレンヒン・ケラー氏は述べる。「今回の結果により、このパターンの意味がようやく理解できるようになりました」
グランドキャニオンで発見された巨大な地層の空白
「大不整合」として知られる膨大な量の失われた岩石は、19世紀後半にグランドキャニオンで初めて命名されました。この印象的な地質学的特徴は、離れた時代の地層が直接重なり合う場所で観察でき、化石を含む岩石の直上に化石を含まない岩石が重なる形としてしばしば確認されます。
「これは地球史上きわめて興味深い時代です」と、論文の筆頭著者でダートマス大学博士研究員のカリン・マクダネル氏は語ります。「大不整合は、化石記録においてその急激さが常に謎とされてきたカンブリア爆発の基盤を築きました。通常、地質学的・進化的プロセスは緩やかに進行するものだからです」
対立する二つの仮説
1世紀以上にわたり、研究者たちは失われた地質時間の原因を解明しようとしてきました。ここ5年間で、対立する二つの理論が登場しました。一つは、約7億年前から6億3500万年前のスノーボールアース期に古代の氷河が岩石を削り取ったという説。もう一つは、約10億年前から5億5000万年前にかけての超大陸ロディニアの形成と分裂という、はるかに長い期間にわたる一連のプレートテクトニクス活動に着目する説です。
ケラー氏が主導した2019年の研究では、成氷期(クリオジェニアン)の氷河期における大陸氷床による広範な浸食が岩石の消失を引き起こしたことが最初に提唱されました。これは、大規模な浸食がスノーボールアース期と一致したことを示唆する地球化学的指標に基づくものでした。「新しい研究は、先行研究の成果を検証し、さらに前進させたものです」とケラー氏は言います。「ここでは、北米の広範囲にわたって成氷期に岩石の冷却と数キロメートル規模の削剥(露出)が起きたことの独立した証拠を提示しています」
熱年代学が明かす岩石の歴史
本研究は、熱年代学の詳細な解釈に基づいて評価を行いました。熱年代学を用いることで、研究者は鉱物結晶が時間の経過とともに経験した温度や、特定の熱構造のもとでの大陸地殻内での位置を推定できます。こうした履歴から、失われた岩石がいつ除去されたのか、現在地表に露出している岩石がいつ削剥されて姿を現したのかについての証拠が得られます。
研究チームは、北米の4地点で取得された既発表の熱年代学データの複数の測定値を使用しました。クラトンと呼ばれるこれらの地域は、化学的にも物理的にも安定した大陸の一部であり、当時プレートテクトニクス活動が活発ではなかった場所です。
岩石が経験した時間と温度の変化経路を調べるシミュレーションを実施した結果、北米大陸内部の広範囲で、スノーボールアース期の氷河作用に伴う約2~3キロメートルの浸食と整合的な、急速かつ大規模な冷却のシグナルが記録されました。
「他の研究でも熱年代学を使って氷河起源説に疑問を呈していますが、大不整合のような地球規模の現象には地球規模の評価が必要です」とマクダネル氏は言います。「スノーボールアース期の広大な範囲の浸食については、氷河作用が最もシンプルな説明になります。当時、氷床は北米の大部分を覆っていたと考えられており、氷床は効率的な岩石の掘削機となり得るからです」
構造運動説への反論
研究チームによると、テクトニクス活動が失われた岩石を削り取ったという対立仮説は2020年に提起されました。別の研究グループが、古代の氷河に大規模な岩石損失を引き起こすほどの浸食能力があるのかどうか疑問を呈したのです。その研究も熱年代学を用いましたが、テクトニクス的に活動的な単一地点で代替手法を適用し、浸食はスノーボールアース以前に起こったと主張しました。
「根本的な概念は非常にシンプルです。何かが大量の岩石を取り除き、その結果、大量の時間が失われたのです」とケラー氏は述べます。「私たちの研究は、この規模の浸食を説明できるのは氷河浸食だけだということを示しています」
カンブリア爆発との関連
研究者たちによると、今回の新知見は、岩石の浸食と約5億3000万年前のカンブリア爆発期における複雑な生物の出現との関連を説明するのにも役立ちます。スノーボールアース期の浸食は、栄養豊富な堆積物を海洋に供給し、複雑な生命の構成要素にとって肥沃な環境を提供したと考えられています。
また研究では、岩石がどのように浸食されたかに関する二つの仮説は相互排他的ではないことも指摘されています。大不整合の形成過程で、テクトニクスと氷河作用の両方が地球システムの攪乱に寄与した可能性があります。ただし、テクトニクスの影響が及びにくい大陸中央部の浸食を説明できるのは、氷河作用だけのようです。
「最終的に、大不整合に関しては、ロディニア大陸が赤道付近により集中して配置されたという一般に受け入れられている復元モデルと、新原生代特有の環境条件が相まって、地球史上他に類を見ない地質学的幸運の時代であったことが証明されるかもしれません」と研究は述べています。
今後の展望
研究チームによると、今回の研究は、熱年代学モデリング手法を用いて10億年を超える期間を研究した初めてのものです。今後、チームは他の大陸でも同様の調査を行い、大不整合がどのように形成され保存されたかに関する仮説をさらに検証することを目指しています。研究のギャップを解消することは、気候・テクトニクス・生物地球化学プロセスの相互関連性を含む地球の初期の歴史を理解する上で極めて重要です。
「クラトン縁辺部でテクトニックな浸食があったとしても、それが氷河作用を否定するものではありません」とマクダネル氏は言います。「不整合は複合的な特徴であり、私たちの研究は成氷期の浸食が主要な寄与因子だったことを示唆しますが、場所によってはそれより前後の浸食も不整合面の形成に関与していた可能性があります。地球規模の調査がより多くのことを教えてくれるでしょう」
出典
Dartmouth College | Kalin T. McDannell, C. Brenhin Keller, William R. Guenthner, Peter K. Zeitler, David L. Shuster, Thermochronologic constraints on the origin of the Great Unconformity, Proceedings of the National Academy of Sciences Feb 2022, 119 (5) e2118682119; DOI:10.1073/pnas.2118682119