Recent progress on rock and paleomagnetism by means of deepsea drilling
深海掘削による古地磁気・岩石磁気学の最近の進歩
Abstract
This review considers the progress in rock and paleomagnetism since the start of the Integrated Ocean Drilling Program (IODP) in 2003. Here, we focus on geomagnetic paleointensity and related top-ics, although many other studies have applied rock and paleomag-netic techniques to achieve various aims on IODP expeditions. High-quality, relative paleointensity records derived from North Atlantic cores have led to the establishment of a high-resolution paleointensi-ty stack for the last 1.5 m.y. Several relative paleointensity records of the Eocene to Miocene have been obtained from equatorial Pacific cores; previously, few records were available before 3 Ma. These re-cords show large-amplitude paleointensity variations on timescales of 104 year during a stable polarity, including paleointensity minima
similar to those at polarity transitions. These are similar to the varia-tions known for the last 800 kyr, and are considered to be character-istic of geomagnetic field variations. Inter-core correlation and age estimation using relative paleointensity variations can now be ap-plied back to the Eocene. It has been proved that variations in the magnetic properties of sediments, which are induced by paleoenvi-ronmental changes, influence estimates of relative paleointensity. In particular, fluctuations in the relative abundances of biogenic and terrigenous magnetic minerals and sedimentation rates contaminate relative paleointensity records. To overcome this problem, we pro-pose two possible strategies: (1) extraction of a real geomagnetic component using principal component analysis from a global set of relative paleointensity records, obtained from various oceanographic settings, and (2) independent estimation of paleointensity using be-ryllium isotope ratios. It is also important to gain a better under-standing of the biogeochemical remanent magnetization carried by biogenic magnetite. The successful recovery of uncontaminated pa-leointensity records will enable us to explore controversial issues in paleomagnetism, such as correlations between geomagnetic field in-tensity and polarity length, and possible linkages among geomagnet-ic field variations, the Earth’s orbit, and paleoclimatic change.
Keywords: paleomagnetism, paleointensity, biogenic magnetite, ocean drilling, IODP
山崎俊嗣
＊山本裕二
＊＊金松敏也
＊＊＊Toshitsugu Yamazaki
＊, Yuhji Yamamoto
＊＊and Toshiya Kanamatsu
＊＊＊2016年8月29日受付．
2017年1月31日受理．
＊
東京大学大気海洋研究所
Atmosphere and Ocean Research Institute, University of Tokyo, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, 277-8564, Japan
＊＊
高知大学海洋コア総合研究センター
Center for Advanced Marine Core Research, Kochi University, B200 Monobe, Nankoku, 783-8502, Japan
＊＊＊ 海洋研究開発機構
Japan Agency of Marine-Earth Science and Technology, 2-15 Natsushima, Yokosuka 237-0061, Japan
Corresponding author: T. Yamazaki, [email protected]
©The Geological Society of Japan 2017 251
は じ め に
深海掘削は，現在の国際深海科学掘削計画（
International
Ocean Discovery Program, IODP
）の前身である約50
年 前に開始された深海掘削計画（Deep Sea Drilling Project,
DSDP
）の時代から，通常の海洋調査船では採取できない海底下の試料を提供し，古地磁気学の進歩になくてはならない
ものであった．特に，
1980
年代の水圧式ピストン・コアラー（
Hydraulic Piston Corer, HPC
）の開発は，物理的乱れ の少ない連続的な堆積物コアを採取可能とし，古地磁気学にとって画期的であった．掘削船
JOIDES Resolution
号で現在 使 わ れ て い る そ の 改 良 型 は
Advanced Piston Corer
（
APC
）と呼ばれ，運用方法を含め細かい改良が続けられた 結果，堆積物の種類にもよるが，海底下400 m
を越える堆 積物コアの採取に成功している．古い時代の古地磁気変動 や，大きな堆積速度の堆積物を用いて高分解能の地磁気変動 を研究しようとする場合には，通常の海洋調査船で使用する ピストン・コアラーで採取できる深度より大きな深度からの 試料が必要とされることから，深海掘削は今日でも古地磁気 学にとってなくてはならない手段である． コアを採取するIODP
航海には，多くの場合2
人以上の 古地磁気専門家が乗船する．船上で実施する「標準測定項目 （standard measurement
）」の一つに古地磁気分析が含まれ ており，通常，半割コアを用いた予察的な古地磁気測定を 総 説行って古地磁気極性層序を確立し，コアの年代推定を行う責 務を負う．さらに詳細な古地磁気・岩石磁気研究は，これら の結果をもとに計画を立てサンプリングを行い，陸上で実施 する．大別して，過去の地球磁場変動の実態解明や，堆積 物・岩石中の磁性鉱物や残留磁化獲得過程の解明など，いわ ば本来の古地磁気・岩石磁気学研究と，古地磁気・岩石磁気 学手法を用いて，年代推定，古環境復元，テクトニクスへの 応用などを通じて各航海の科学目的の達成に貢献しようとす る研究とが並行して行われてきた．
2003–2013
年に実施さ れたフェーズである統合国際深海掘削計画（Integrated
Ocean Drilling Program, IODP
）においては，とくに，古 地磁気強度変動の研究で大きな進展があったと著者らは考え ている．古地磁気強度は地磁気ダイナモ過程を理解する上で 大変重要な情報である．本論では，堆積物を用いた古地磁気 強度変動の研究について，その土台となる堆積物の磁性鉱物 と堆積残留磁化獲得過程を含めて紹介する．その他の，古地 磁気・岩石磁気手法を応用した研究の成果については，最後 にその概要を紹介する． 生物源磁鉄鉱と堆積物の残留磁化獲得過程 海底堆積物を用いた古地磁気研究において，残留磁化獲得 機構の理解が重要であることは論を待たない．IODP
によ る古地磁気研究の成果について紹介する前に，堆積物の残留 磁化を担う磁性鉱物として生物源磁鉄鉱が重要であることの 認識が深まってきていることを紹介する．この点に関してもIODP
掘削コアが重要な役割を果たしている． 走磁性バクテリア（Blakemore, 1975
）起源の磁鉄鉱が深 海底堆積物中に存在することは，堆積物から抽出した磁性鉱 物の透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope
：TEM
）による観察から，1980
年代中頃にはすでに知られていた（
Petersen et al., 1986; Stolz et al., 1986
）．生物源磁 鉄鉱（Fig. 1
）は，単磁区サイズ（数10 nm
）に揃った粒径，バクテリアの種により決まった結晶形態（六角柱状
,
涙滴状,
正八面体状），チタンをほとんど含まない純粋な組成，鎖状 の結晶配置などの特徴を持つ（
e.g., Kopp and Kirschvink,
2008
）．特に単磁区サイズであるという特徴から，安定な残 留磁化の担い手になり得ると考えられてきた．しかし，TEM
による観察だけでは，生物源磁鉄鉱の存在量を定量的 に議論することは困難であった．深海底堆積物における陸源 や海洋地殻起源，あるいは自生の磁性鉱物と比べての重要性 は，2000
年代初頭までは必ずしも明らかではなかった．し か し，
first-order reversal curve
（FORC
）測 定（e.g.,
Fig. 1. Transmission electron microscope images of biogenic magnetite in magnetic extracts from (A) Eocene ooze in the
equatorial Pacific (Hole U1331A-8H2-25), (B) Pleistocene ooze in the equatorial Pacific (Hole U1337A-2H4-25), and (C and D) red clay in the South Pacific Gyre (Hole U1365A-2H3-94). Three typical morphologies of biogenic magnetites are shown: octahedral (A and C), tear-drop shape (B), and hexagonal prism (D). (A and C: Yamazaki, unpublished, B: Yamaza-ki, 2012, D: Yamazaki and Shimono, 2013).
Roberts et al., 2000, 2014
）や非履歴性残留磁化（ARM
）， 等温残留磁化（IRM
）の保磁力成分解析（e.g., Egli, 2004
）な ど，近年の岩石磁気学的測定・解析手法の進歩により，生物 源磁鉄鉱の存在を定量的に評価することが可能となってきて いる（Yamazaki, 2008; Egli et al., 2010; Li et al., 2012;
Chang et al., 2014
）．これらの手法では，単磁区サイズに 揃った粒径や鎖状の結晶配置等の生物源磁鉄鉱の特徴が利用 されている．その結果，磁鉄鉱の溶解が起きている還元的な 環境の堆積物を除き，生物源磁鉄鉱は場所や岩相によらず深 海底堆積物中に普遍的に存在していること，そして，堆積物 の残留磁化を担う主要な磁性鉱物として量的にも重要である ことがはっきりした（Roberts et al., 2011, 2012;
Yamaza-ki, 2012; Yamazaki and Ikehara, 2012
）．IODP
掘削試料 による研究からも，生物源磁鉄鉱の重要性を示す成果が相次いで得られている．
Expedition 320/321
で採取された赤道太平洋のコアにおいて，生物源磁鉄鉱が主要な磁性鉱物であ る こ と が 確 認 さ れ た（
Yamazaki, 2012; Channell et al.,
2013
）（Figs. 1A, 1B
）．Expedition 329
で掘削されたSite
U1365
は，南太平洋環流域の西端に位置し，約125 Ma
の海洋地殻を覆って約
75 m
の赤色粘土（一部チャート）が堆積している（
Expedition 329 Scientists, 2011
）．この赤色粘 土の表層から海洋地殻直上にわたる全層準において，生物源 磁鉄鉱が主要な磁性鉱物であることが明らかとなった （Yamazaki and Shimono, 2013; Shimono and
Yamaza-ki, 2016
）（Figs. 1C, 1D
）．この発見は，以下のように走 磁性バクテリアの従来の生態学的モデルに疑問を呈すること となった．走磁性バクテリアの生態に関しては，堆積物中の 酸化から還元環境への深度方向の化学勾配において（Fig.
2
），鉄還元境界付近が好適な生息環境であり，そこで生息 密度が最大になると一般には考えられている（e.g., Kopp
and Kirschvink, 2008; Lefèvre and Bazylinski, 2013
）．しかし，極めて堆積速度が小さく有機物含有量の低い
Site
U1365
では，表層から基盤直上まで溶存酸素が豊富に含ま れ，堆積物は赤色を呈し，鉄還元境界は存在しない（Expe-dition 329 Scientists, 2011
）．したがって，赤色粘土にお いて生物源磁鉄鉱が豊富に存在することは，鉄還元境界とは 関係なく生息する走磁性バクテリアの種があることを示唆す る． 堆積物の残留磁化獲得における生物源磁鉄鉱の役割には未 解明な点が多い．生物源磁鉄鉱を考慮しない従来の堆積残留 磁化獲得モデルでは，残留磁化は堆積物の圧密過程で獲得さ れ，海底面より下のある深さ（lock-in depth
）で固着するとされる（
Fig. 3
）．Lock-in depth
の大きさについては古くから議論が絶えないが，数
cm
から15 cm
程度と推定されている（
e.g., Suganuma, 2010; Horiuchi et al., 2016
）．もし， 鉄還元境界付近で生物源磁鉄鉱が多く生産され，走磁性バク テリアが地磁気に配向していた状態がある程度保存されると するなら，従来の磁化獲得過程に加えて，鉄還元境界付近で 生物化学的残留磁化を獲得することとなる（Fig. 3
）．しかし， 堆積環境によって異なる鉄還元境界の深さに対応して残留磁 化が獲得されていることを示す証拠は，まだ得られていな い．生物源磁鉄鉱の元々の鎖状の配列が，生物擾乱等で乱さ れていく過程も明らかでない．また，単磁区サイズに揃って いる生物源磁鉄鉱の粒径分布は，陸源の磁性鉱物の粒径分布 とはかなり異なっていると推定され，堆積残留磁化の獲得効 率も異なると考えられる．このように，これまでも未解明な 点が多かった堆積物の残留磁化獲得機構は，生物源磁鉄鉱の 寄与を考慮するとさらに複雑になると考えられる．しかし， 堆積物から古地磁気記録を正確に読み取るためには，その理 解が欠かせない．今後の研究が必要である． 古地磁気強度変動1
．IODP
開始時の状況 地磁気は方位と強度からなるベクトルである．しかし，古 地磁気方位に比べ，古地磁気強度の復元ははるかに困難であ る．古地磁気強度を求めるための材料としては，主に火山岩 と堆積物が用いられ，それぞれ手法や得られる結果の長所・ 短所が異なる．火山岩が獲得する熱残留磁化は，その物理が すでに概ね解明されていて実験室で再現可能であることか ら，古地磁気強度の絶対値を求めることが原理的には可能で あるという長所があり，テリエ法とその改良版や綱川・ショー法などの手法が用いられている（
e.g., Tauxe and
Yamazaki, 2015
）．しかし，熱残留磁化から得られる古地磁気強度は溶岩が噴出して冷却した時の値であり，年代的に は離散値しか求まらないという限界もある．深海掘削試料も 含め，世界各地の火山岩から求められた古地磁気強度絶対値 は
PINT
データベース（URL1, Biggin et al., 2009
）によって公開されており，
2015
年5
月に改訂された版では過去35
億年まで溯る9466
個のデータが登録されている．ただし，古いものでは
1938
年に出版された論文のデータから登録されていること，また
2000
年代以降，学界において旧来Fig. 2. Idealized chemical profiles of pore water in a
sedi-mentary column and position of the Fe-redox boundary (modified from Roberts, 2015).
の測定法および解析の信頼性に疑問が投げかけられているも のの（
e.g., Yamamoto et al., 2003; Paterson et al., 2014;
Cromwell et al., 2015
），すでに登録されている個々のデー タの質についての吟味は利用者に委ねられているという現状 があるので，このデータベースの取り扱いには注意が必要で ある． 一方，海底堆積物は，連続的に地磁気強度変動を記録して いる可能性がある点で重要である．しかし，前述のように堆 積物の残留磁化獲得機構には未だに不明の点が多い．実験室 で天然と同じ獲得過程を再現できていないため，古地磁気強 度の絶対値を復元することはできていない．しかし，磁性鉱 物種や粒径等の磁気特性の変動が小さい深海堆積物コアを用 いて，堆積物の岩相変化に伴う残留磁化獲得効率の変動を人 工的残留磁化（ARM, IRM
等）により補正することで相対的 な古地磁気強度変動を推定する試みが，1990
年代にはさか んに行われるようになった（e.g., Tauxe, 1993
）．そして，90
年代末には，松山/
ブルン地磁気逆転付近とそれ以降の 過去約80
万年間について，当時までに得られた個別の記録 をスタックした変動曲線が作られた（Sint-800; Guyodo
and Valet, 1999
）．その結果，地磁気極性が一定の期間で も，地磁気強度は数万年の時間スケールで大きな変動を繰り 返して来たことが明らかとなった（Fig. 4
）．さらに，この変 動曲線に数多く見られる地磁気強度の極小と，地磁気極が地 理極から大きく離れる現象として報告されていた地磁気エク スカーションが，年代的に概ね一致していることも明らかと なった．IODP
が開始された2003
年当時は，より古い年代 へ遡って相対古地磁気強度変動を解明する努力や，より高分 解能の記録を得る努力が進められていた．この頃の状況は， 山崎（2005
）で解説されている．当時，200
万年より前に遡 る相対古地磁気強度記録はわずかであり，中新世以前の記録 は，南大西洋のDSDP Site 522
から得られた漸新世の記録（
Tauxe and Hartl, 1997
）が唯一であった．また，
10
4年オーダーの地磁気変動は基本的には汎地球的 な双極子磁場変動を反映していると考えられるため，古地磁 気強度変動の標準曲線が確立すれば，酸素同位体比の標準曲 線と同様に，標準曲線との対比により古地磁気強度変動に基 づいた海底堆積物コアの年代推定が可能となる．酸素同位体 比とは独立の，また例えば炭酸カルシウムを含まない堆積物 のような酸素同位体比層序を適用できない堆積物の高分解能 年代推定手法として，古地磁気強度変動を用いた年代層序 （paleointensity-assisted chronostratigraphy
）の可能性が 注 目 さ れ つ つ あ っ た（Stoner et al., 2000; Stott et al.,
2002
）．古地磁気強度の年代層序への応用に関する和文の解 説は，菅沼（2011
）を参照されたい． 堆積後の初期続成過程における磁性鉱物の溶解・生成を理 解することは，堆積物から信頼性の高い古地磁気記録を得る ためにたいへん重要である（e.g., Roberts, 2015
）．海底堆 積物中では有機物の分解に伴い，まず酸素が消費され，次に 硝酸イオン，マンガン酸化物が還元される（Fig. 2
）．さらに 三価鉄の二価鉄への還元が始まる鉄還元境界以深では，鉄 （水）酸化物さらには磁鉄鉱の溶解が始まる．溶解による磁鉄 鉱の消失は，体積に比して表面積の大きなより細粒の粒子か ら始まると考えられ，磁性鉱物粒径分布が変化して堆積残留 磁化の獲得効率に大きく影響するため，磁鉄鉱の溶解が起きFig. 3. Schematic diagram showing (post-) depositional and biogeochemical remanent magnetization acquisition of
た堆積物では，相対古地磁気強度の復元は一般に困難であ る．
IODP
の開始の頃までに，海底堆積物における磁鉄鉱 の溶解の実態についての理解が進み（e.g., Karlin, 1990;
Yamazaki et al., 2003
），相対古地磁気強度変動を復元する ためには，磁鉄鉱の溶解が起きないような環境の堆積物コア を用いる必要性が認識されていた．2
．過去300
万年間の相対古地磁気強度変動 過去300
万年間の古地磁気強度研究の大きな進展は，2004–2005
年に実施されたExpedition 303/306
によってもたらされた．
North Atlantic Climate
と名付けられた本研究航海では，ラブラドル海，および北大西洋北部の
ice-rafted debris
（IRD
）が 供 給 さ れ る 地 域 に お い て，Site
U1302
∼U1314
の13
サイトで掘削が行われた（Channell
Fig. 4. Global relative geomagnetic paleointensity stack Sint-800 of Guyodo and Valet (1999) and possible correspondence
of geomagnetic excursions and paleointensity minima (after Yamazaki, 2005).
Fig. 5. Paleointensity variations during the last 2 m.y.: stacked paleointensity curve PISO-1500 (Channell et al., 2009)
(gray) and axial dipole moment model PADM2M (Ziegler et al., 2011) (black). The average of the PISO-1500 stack during the Brunhes chron was scaled to that of PADM2M (6.17×1022 Am2).
et al., 2006
）．航海の主な目的は，鮮新世から第四紀の古環 境変動を高い時間分解能で復元すること，特に，北大西洋の 最終氷期でよく知られているミレニアムスケールの気候変動 が，より古い時代にはどうであったかを知ることであり，そ のための手段として酸素同位体比と相対古地磁気強度変動を 組み合わせた高分解能の年代軸の構築を目指した．高分解能 のデータを得るため，多くの掘削地点がドリフト堆積体に設 定され，大きな堆積速度（5
∼20 cm/kyr
）の堆積物コアが採 取された．Expedition 303/306
の多くのサイトで，高分解 能，高品質の古地磁気データが得られた（Channell et al.,
2008, 2014, 2016; Mazaud et al., 2012, 2015; Xuan et
al., 2016
）．Site U1308
で得られた相対古地磁気強度記録 を中心として，この海域および他の海域ですでに得られてい た相対古地磁気強度記録のうち，特に堆積速度が大きく酸素 同位体比データを伴うものを選択して，酸素同位体比と相対 古地磁気強度の変動を同時にマッチングさせるようスタッキングを行い，
1.5 Ma
までの相対古地磁気強度変動曲線PISO-1500
が構築された（Channell et al., 2009
）（Fig. 5
）． この曲線は，分解能が高いことと信頼できる年代軸を持つこ とを特徴とし，標準曲線として広く用いられることとなっ た． 一方，前述のSint-800
スタックの延長として，堆積速度 や年代推定の手法にかかわらず利用可能なデータを多くス タッキングさせることにより，過去200
万年間のグローバ ルな古地磁気強度曲線Sint-2000
が作成された（Valet et
al., 2005
）．さらに，火山岩による絶対古地磁気強度のデー タも加えて，最尤推定法により過去200
万年間の軸双極子磁場強度モデル
PADM2M
（Ziegler et al., 2011
）が作成された．
Sint-2000
ではスタッキングの際に年代軸の調整を 行っているのに対し，PADM2M
では行っていないという 違いがあるが，PADM2M
においても用いられたデータの 数としては堆積速度の遅いコアが多いため，Sint-2000
とPADM2M
は比較的よく似ている．ここでは，PADM2M
とPISO-1500
を比較する（Fig. 5
）．堆積速度および年代軸 の精度の違いから，PISO-1500
の方が短波長大振幅の変動 を示し，この点においては実際の地磁気変動により近いと考 えられる．PADM2M
では，松山/
ブルン地磁気逆転前の 松山期後期の古地磁気強度が平均的にPISO-1500
より小さ い．もしPADM2M
が正しければ，平均的な古地磁気強度 が古地磁気極性と関係している可能性，あるいは数十万年 オーダー以上の長期的な古地磁気強度変動が存在する可能性 を示唆することになり，地磁気ダイナモ過程にとって重大なFig. 6. Relative paleointensity variations from 2.0 to 3.2 Ma: (upper) IODP Site U1314 (black, Ohno et al., 2012) and Site
U1308 (gray, Channell et al., 2016) in the North Atlantic, and (lower) the EPAPIS-3000 stack from equatorial Pacific piston cores (Yamazaki and Oda, 2005).
意味を持つ．しかし，
PADM2M
には品質の低いデータも 含まれている可能性があり，ブルン期に獲得された粘性残留 磁化を完全に消去できていないために，見かけ上松山期の古 地磁気強度が小さくなっている可能性がある．一方，PISO-1500
は一部にはインド洋や赤道太平洋のデータも含むもの の，多くは北大西洋のコアから得られたデータであり，いわ ば北大西洋スタックというべきものである．PISO-1500
に 地域的かつ長い期間存在するような非双極子磁場の影響が含 まれていた場合，真にグローバルな古地磁気強度変動を反映 していない可能性がある．今後の検証が必要である．Expedition 303/306
においてはさらに，3.2 Ma
まで遡 る解像度の高い相対古地磁気強度記録も得られた（Site
U1314, Ohno et al., 2012; Site U1308, Channell et al.,
2016
）（Fig. 6
）．200
万年を越える相対古地磁気強度記録 は未だ少なく，グローバルな変動曲線は構築されていないため，これらの記録は貴重である．
Fig. 6
で，Site U1308/
U1314
の記録と赤道太平洋のピストンコアを用いて得られた
300
万年前までの地域的なスタック曲線（EPAPIS-3000,
Yamazaki and Oda, 2005
）を比較する．堆積速度がSite
U1314
で は10 cm/kyr
程 度，EPAPIS-3000
で は1 cm/
kyr
程度と大きな差があるため，EPAPIS-3000
では短波長 の変動は失われているが，より長い時間スケールの変動は概 ね一致している．したがって，これらは汎地球的な地磁気強 度変動を反映していると考えられる．EPAPIS-3000
の方が 見かけ上2
万年程度古い方にずれているが，これは堆積残 留磁化の獲得深度（lock-in depth
）の影響が，堆積速度の遅 いEPAPIS-3000
で大きくなるためと考えられる．EPA-PIS-3000
を構成するコアのうちの1
本では，10Be
記録と の比較によりlock-in depth
は約15 cm
と実測されている （Suganuma et al., 2010
）． 堆積速度の大きな堆積物は一般的には有機物含有量が大き く還元的になるため，浅い深度で磁鉄鉱の溶解が始まり，古 地磁気研究には不向きであることが多い．しかし，Expedi-tion 303/306
では海底下200 m
以深まで良好な相対古地磁 気強度記録が得られた．岩石磁気的分析によれば，磁鉄鉱の 著しい溶解は起きていない（Kawamura et al., 2012
）．これ は，ドリフト堆積物を用いたという戦略と，北大西洋という 地理的要因によると推定される．ドリフト堆積物は，強い底 層流下での堆積プロセスによって堆積速度が大きくなってい るため，大きな堆積速度の割に有機物含有量が低い．また， 北大西洋はグローバルな深層水循環の開始点に近く，底層水 の溶存酸素含有量が高いため，鉄還元境界は深くなると考え られる．3
．始新世∼中新世の相対古地磁気強度変動 従来ほとんどデータのなかった300
万年より古い時代の 連続的な相対古地磁気強度データが，JOIDES Resolution
号改造後の最初の航海として2009
年に実施されたExpedi-tion 320/321
に よ り も た ら さ れ た．Pacific Equatorial
Age Transect
と名付けられたExpedition 320/321
は，赤 道太平洋の始新世∼中新世の古海洋変遷の解明を目的とし，Site U1331
∼U1338
の8
サイトで掘削が行われた（Pälike
et al., 2010
）．各掘削サイトの位置は，太平洋プレートの運 動による西北西方向への移動を元に戻した時に，ターゲット とする時代には赤道付近にあり，かつ海嶺（東太平洋海膨）の 近くになるように巧妙に選定されている（Fig
．7
）．赤道付 近では生物生産量がやや高く，堆積速度がやや大きくなって いるので，より高分解能の記録が期待できる．海嶺付近は水 深が浅く，堆積物には炭酸カルシウムが保存されていること が期待され，古海洋学的な研究に適している．太平洋プレー トの運動により西北西に移動して赤道付近の高生物生産量帯 からはずれ，また年代とともにプレートの冷却により沈降し て炭酸塩補償深度より深くなると，その後は極めて小さな速 度で赤色粘土が堆積することとなる．つまり，年代の古い炭 酸カルシウムを含む堆積物が，薄い赤色粘土の被覆の下の，Fig. 7. Coring sites of IODP Expeditions 320
海底下の比較的浅いところに存在していることになり，続成 作用の影響をあまり受けていない堆積物を
APC
により掘削 できると考えられた． 堆積時以後に比較的酸化的な環境にあったと考えられる褐 色の堆積物からは，高品質の古地磁気記録が得られた．Site
U1336
からは，中新世14.5–18.5 Ma
の連続的な相対古地 磁気強度記録が初めて得られた（Ohneiser et al., 2013
）．Channell and Lanci
（2014
）はSite U1334
で 得 ら れ た17.5–26.5 Ma
の期間の相対古地磁気強度変動が，南大洋と北大西洋の
ODP
サイトから得られた記録と対比できることから，グローバルな地磁気変動を反映しているとした．
Site
U1331
，U1332
，U1333
からは，始新世∼漸新世（23–41
Ma
）の相対古地磁気強度変動記録が得られ（Yamazaki et
al., 2013; Yamamoto et al., 2014
），これまでに報告され た最も古い年代の相対古地磁気強度変動記録となっている （Fig. 8
）．これらのデータから，古地磁気強度は始新世∼中 新世においても過去200
万年間と同様に，地磁気逆転時に 極小となるほか，地磁気極性一定の間でも大きな変動をして きたことが明らかとなった．また，相対古地磁気強度変動を 用いた堆積物コア間の精密対比や年代推定についても，始新 世∼中新世まで溯って適用できるようになった． このような良好なデータが得られたのは，前述の掘削サイ ト選定戦略に負うところが大きい．過去2
∼300
万年より古 い海底堆積物は通常のピストンコアラーでは採取することが 困難で，深海掘削によらなければ得られないが，古地磁気研 究用には，APC
で採取された物理的な擾乱の少ない堆積物 コアである必要がある．始新世∼中新世の堆積物がAPC
で 採取可能な比較的浅部（海底下200 m
程度以内）にあり，ま た比較的堆積速度が小さく有機物の供給が少なかったため， 続成作用の影響の少ない酸化的環境にあったことが，良好な 結果の要因と推定される．相対古地磁気強度記録が得られた のは，堆積速度が0.5
∼2 cm/kyr
程度と比較的小さい堆積 物である．そのため記録の時間分解能は高くはないが，比較 的長期間をカバーすることができた．Expedition 320/321
でも，堆積速度が大きく，還元環境を示す灰緑色の堆積物も採取されたが（
Site U1337, U1338
等），磁性鉱物の溶解が起きていて相対古地磁気強度変動の復元は困難であった．
4
．相対古地磁気強度推定の問題点 始新世∼漸新世の古地磁気強度を求めようとする動機の一 つは，古地磁気強度と地磁気逆転間隔の関係の解明にあっ た．たとえば，約4000
万年にわたって地磁気逆転がなかっ た白亜紀スーパークロン時は古地磁気強度が強かった可能性 が，火山岩中の斜長石単結晶やガラスを用いた絶対古地磁気 強度測定，地磁気ダイナモ数値計算などから示唆されている （Tarduno et al., 2002; Tauxe and Staudigel, 2004;
Driscoll and Olson, 2011
）．一方で，白亜紀スーパークロン直後は地磁気逆転頻度が小さかったが（
1
∼2
回/100
万 年），その後しだいに増加して20 Ma
頃には現在と同程度（4
∼5
回/100
万年）になったことが知られている（e.g.,
Mer-rill et al., 1998
）．地磁気逆転頻度として現れる地磁気ダイ ナモの状態の変化に伴って，地磁気強度の平均的な大きさや 変動スペクトルがどう変化したかは大変興味深い．始新世∼ 漸新世は，ちょうど逆転頻度が増加していく時代にあたるた め，この時代の連続的な古地磁気強度変動データは特に重要 である．Tauxe and Hartl
（1997
）は，DSDP Site 522
で得られた約
22–34 Ma
の1000
万年間以上にわたる当時では唯一のデータをもとに，地磁気強度と逆転間隔に弱いながら
も正の相関があると主張した（
Fig. 9
）．このデータをもとに，地磁気変動スペクトラムの年代による変化等，地磁気ダイナ
モの基本的性質に関する議論も行われてきた（
e.g.,
Smith-Boughner et al., 2011
）．Expedition 320 Site U1331
∼U1333
で得られた始新世∼漸新世の相対古地磁気強度デー タも，一見これを支持するように見えた（Fig. 9
）．しかし， 堆積物からこれまでの手法で得られた相対古地磁気強度デー タには，以下のように，地磁気のレコーダーである堆積物の 性質が古海洋変動に伴い変化することの影響が混入している ことが，Site 522
を含むこれらの堆積物コアの研究により はっきりした（Yamazaki et al., 2013
）．DSDP Site 522
お よ びIODP Site U1331
，U1332
，U1333
のデータでは，それぞれのコア全体を対象とすると， 古地磁気強度相対値がARM/SIRM
比および堆積速度と相 関している（Fig. 9
）．前述のように，深海底堆積物において は生物源磁鉄鉱が磁性鉱物として重要であることが明らかと なり，赤道太平洋でも確認されているが（Yamazaki, 2012;
Channell et al., 2013
），ARM/SIRM
比は，以下のような 理由で堆積物中の陸源・生物源磁鉄鉱の割合のプロクシとな る（Yamazaki, 2008; Yamazaki and Ikehara, 2012
）．ARM
の獲得効率は，粒径の小さい単磁区サイズで増加し， かつ，磁性鉱物間の磁気相互作用が小さくなると増加する． 生物源磁鉄鉱は単磁区サイズで，陸源磁性鉱物に比べ平均的 に粒径が小さい．さらに，生物源磁鉄鉱粒子の鎖状の連なり どうしがある程度離れて存在すれば，磁性鉱物が凝集しやす い陸源のものに比べて磁気相互作用が小さいと考えられる． したがって，生物源磁鉄鉱が多く含まれる堆積物はARM
獲得効率が増加し，ARM/SIRM
比が増加する．陸源の磁 性鉱物と生物源磁鉄鉱では粒径分布が異なり，残留磁化獲得 効率も異なると考えられるため，堆積物中でこれらの量比が 変動する場合，残留磁化獲得効率の変動は，これまで行われ てきたような一律にARM
またはSIRM
で規格化する方法 では補正できない．相対古地磁気強度と堆積速度の相関は，Yamazaki and Oda
（2005
）でも指摘されている．その原因 は不明であるが，堆積速度が地磁気をコントロールすること はあり得ず，堆積物の磁化獲得効率に影響して相対古地磁気 強度記録に混入していると考えざるを得ない．結論として，Site 522
で見られた古地磁気強度と逆転間隔の相関も，陸 源・生物源磁性鉱物の量比の変動や堆積速度の変化に影響さ れた見かけのものである可能性が大きいことが明らかとな り，地磁気強度と逆転間隔の関係の議論は振り出しに戻って しまった． 堆積物の性質が変化する影響が相対古地磁気強度推定に混 入してしまう問題は，深海底堆積物コアを用いた古地磁気強 度推定で広く起きている可能性がある．地磁気逆転時の地磁 気強度極小や，極性一定の期間での数万年スケールの変動の ような大振幅の変動については，混入成分に比べて変動のほ うが大きいことや，異なる海洋環境下の堆積物コアから得ら れた記録の間でグローバルに対比できていることから，概ね 真の地磁気変動を反映していると推定される．しかし，より 振幅の小さい変動，あるいは長周期の変動を議論する場合に は，この混入の影響は深刻である可能性があり，注意が必要 で あ る．Yamamoto et al.
（2014
）で は，Site U1331
，U1332
，U1333
の相対古地磁気強度変動を，ARM/SIRM
比が大きく異なる始新世と漸新世とに区分して報告してい る．4
．今後の展望 過去200
万年間については，汎地球的な相対古地磁気強 度変動の標準曲線，すなわち双極子磁場強度変動モデルが作 成されたことを紹介した．より古い時代についても，始新世 以降については，深海掘削コアを用いた今後の研究により汎Fig. 9. (Top row) Relation between mean relative paleointensity and polarity length observed at DSDP Site 522 in the South
Atlantic, and IODP Sites U1331, U1332, and U1333 in the equatorial Pacific. (Middle row) Relation between relative pa-leointensity and the ARM/SIRM ratio. (Bottom row) Relation between mean relative intensity and mean sedimentation rate. Partly modified from Yamazaki et al. (2013).
は，汎地球的に，異なる海洋環境下の堆積物コアから相対古 地磁気強度記録を収集し比較することである．陸源・生物源 磁鉄鉱の割合などレコーダーとしての特性が異なり，かつそ の時間的変動も異なる堆積物コアのデータに主成分分析を適 用することにより，みかけの古地磁気強度記録から，堆積物 の特性変化による影響と真の古地磁気強度変動の成分を分離 できると考えられる．もう一つは，独立の手法として，宇宙 線生成核種（10
Be,
14C
等）を用いて古地磁気強度を推定することである（
e.g., Frank et al., 1997
）．地磁気強度は宇宙線 の地球への入射をコントロールしているため，宇宙線生成核 種の生成率は，地磁気強度変動のプロクシとなる．従来の残 留磁化測定による記録と比較することにより，古環境変動に 起因するバイアスを検出できる可能性がある．10Be
指標に よる相対古地磁気強度変動の推定は近年注目されるようにな り，松山/
ブルン地磁気逆転時やブルン期中の地磁気エクス カーション時の地磁気強度変動の詳細が報告されるととも に，堆積残留磁化のlock-in depth
の推定にも用いられている（
Suganuma et al., 2010; Ménabréaz et al., 2012;
Hori-uchi et al., 2016
）．10Be
は宇宙線生成核種の中では半減期 が長く，過去数百万年間に適用可能と期待される． 混入問題が解決され，振幅の小さい，あるいは長い時間ス ケールの変化についても信頼できる古地磁気強度変動記録が 得られるようになれば，地磁気逆転間隔と地磁気強度の関 係，さらには地磁気変動と地球軌道要素の変動あるいは気候 変動との関係のような重要な問題に答えられるであろう．始 新世より古い時代については，古地磁気研究に適した変質の 少ない堆積物コアを採取することが深海掘削をもってしても 未だ達成できていない．地磁気ダイナモが非逆転モードに あった白亜紀スーパークロン時の地磁気連続変動の解明は大 変重要な課題であり，磁気異常を海底近傍で観測して，海洋 地殻の磁化強度から古地磁気強度を推定する手法が期待され る（Granot et al., 2012
）．古地磁気強度変動にミランコビッ チ周期が存在する可能性については，以前から議論されてい る（e.g., Channell et al., 1998; Yamazaki, 1999;
Thouve-ny et al., 2004
）．これは，気候変動に起因する堆積物の岩 相の変化が古地磁気強度データに混入したための見かけのも の と す る 意 見 が 強 い が（Xuan et al., 2008; Valet et al.,
2011
），地球軌道要素の変化が気候と地磁気の両方に影響し研究で広く行われるようになった（
e.g., Liu et al., 2012
）．Expedition 303/306
では，北大西洋北部における，気候変 動に伴うIRD
の供給や深層水の変動に関する，以下のよう な知見が得られた．Sato et al.
（2015
）は，北大西洋深層水 により運搬されると考えられる高保磁力の磁性鉱物成分の割 合から，約2.68 Ma
に始まる酸素同位体比ステージG3
に おいて，北大西洋深層水の形成が突発的に強化されたことを 推定した．Hayashi et al.
（2010
）は，磁化率と自然ガンマ線 強度を組み合わせたプロクシを用いて，2.1–2.75 Ma
の期 間において，4
万年サイクルの寒冷期の初期に1000
年ス ケールの突発的なIRD
の供給が起きたと推定した．Maza-ud et al.
（2012
）は，1.2 Ma
以降の堆積物コアにおける磁性 鉱物の量と粒径の変化から，西側境界潜流が間氷期に強化さ れたことを推定した．Kanamatsu et al.
（2009
）は，磁性鉱 物の量，粒径，および粒子配列を組み合わせて，中期更新世 における北大西洋深層流の流向の変化を議論した．また，東 南極ウィルクスランド沖掘削（Expedition 318
）では，南極 大陸から運搬される堆積物の供給源の変化を磁性鉱物種の変 動から推定し，鮮新世における東南極氷床の安定性を議論す る研究が行われた（Tauxe et al., 2015
）．南太平洋環流域西端の
Site U1365
（Expedition 329
）では，陸源・生物源磁 性鉱物の量比に関するプロクシ等から，風成塵として供給さ れる陸源磁性鉱物が中期中新世頃から増加し，さらに5 Ma
頃 か ら 急 激 に 増 加 し た と 推 定 さ れ た（Shimono and
Yamazaki, 2016
）．このように，岩石磁気プロクシは，他 の地球科学的プロクシとは独立の情報を与えることができ， 古環境研究に大きく貢献している．ただし，依然として定性 的な議論に留まる場合が多いため，定量的な議論を可能とす る努力が一層必要である．古地磁気研究とは異なり，環境磁 気学研究においては，APC
以外で採取された物理的変形を 被った堆積物コアや乾燥が進んだ古い堆積物コアも研究対象 になり得る．高知コアセンターをはじめとしたIODP
コア 保管庫に保管されているレガシーコアを用いた，新しい発想 と現代の測定・解析手法を駆使した環境磁気学研究も今後期 待される．IODP
では，古地磁気学をマントル・ダイナミクスへ応用する研究も行われた．
DSDP Leg 55
およびODP Leg
古緯度から，ハワイ・ホットスポットが約
80–50 Ma
の間に南へ約
15
度移動したことが，IODP
の開始時には明らかになっていた（
Kono, 1980; Tarduno et al., 2003
）．太平洋 プレート上に存在するもう一つの代表的なマントル深部起源 のホットスポットとされるルイビル・ホットスポットが，ハ ワイ・ホットスポットと平行に移動したか否かを確かめることを目的の一つとして，
Expedition 330
によりルイビル海山列の掘削が行われた（
Koppers et al., 2012a
）．古緯度より，ハワイ・ホットスポットが南下した時期にルイビル・ ホットスポットは緯度方向には顕著な移動をしなかったこと が示され，ホットスポットの移動は個別的であることが明ら かとなった（
Koppers et al., 2012b
）．両ホットスポットの 動きは，マントルの流動にしたがってホットスポットが動く とするモデルからの予測と整合的である（Steinberger et al.,
2004; Hassan et al., 2016
）．ホットスポット運動および真 の極移動の統合的理解のためには，太平洋プレート以外の ホットスポット軌跡（例えば大西洋のトリスタン・ホットス ポット）からの情報も広く必要であり，今後掘削が行われる ことを期待したい．最後に，磁化率異方性（
anisotropy of magnetic
suscep-tibility, AMS
）の応用について紹介する．磁性鉱物配列を表 すAMS
から，底層水の流れ，未固結堆積物の流動，地層 にかかる応力の推定等を行うことができる．AMS
手法は高 感度で，他の方法では検出困難な，粒子配列のわずかな異方 性を検出できる点に特長がある．AMS
の方位と強さから， 応力場を推定するテクトニクス研究への応用が頻繁に行われ るようになった．掘削コアのAMS
方位は，古地磁気方位 等を用いて定方位復元する．掘削船「ちきゅう」を用いた南海 トラフ地震発生帯掘削プロジェクトでは，デコルマ上盤の付 加体先端部，巨大分岐断層上盤，前弧海盆から採取されたコ アの研究から，記録された応力履歴はセッティングにより多 様であることが示された（Kitamura et al., 2010;
Kanamat-su et al., 2012, 2014; Humbert et al., 2014
）．また東北地方太平洋沖地震を発生させた断層を掘削した
Japan Trench
Fast Drilling Project
（JFAST, Expedition 343
）では，デコ ルマ上盤では水平圧縮であるが，下盤では垂直圧縮に急変 し，デコルマを挟んで応力の分断が起こっていることが明ら かとなった（Yang et al., 2013
）．Expedition 308
やExpe-dition 333
では海底地すべり層が掘削され，その流動過程を
AMS
から推定しようという研究も行われた（Meissle et
al., 2011; Kanamatsu et al., 2014; Novak et al., 2014
）． 地すべり層下底面は強い剪断の形跡が残されており，滑り面 を形成して地塊が滑動したと推定される．この剪断は地すべ り体内部へも影響が及んだことが推定された．AMS
の測定 には古地磁気試料を併用でき簡便かつ迅速に測定ができるた め，今後も様々な応用が掘削研究で期待される． 謝 辞 山口飛鳥博士には原稿に目を通していただき，有益なコメ ントをいただきました．西弘嗣博士には，投稿の機会を与え ていただきました．2
名の匿名の査読者からは改善のための 建設的なコメントをいただきました．以上の方々に厚く御礼 申し上げます． 文 献Biggin, A. J., Strik, G. H. M. A. and Langereis, C. G., 2009, The intensity of the geomagnetic field in the late-Archaean: new measurements and an analysis of the updated IAGA palaeointensity database. Earth Planet. Space, 61, 9–22. Blakemore, R., 1975, Magnetotactic bacteria. Science, 190,
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ア総合研究センター助教，15年同准教授，17年 から現職．研究内容：古地磁気・岩石磁気学，特に地質試料の残留 磁化分析による古地球磁場変動の解明．本研究では，原稿執筆を担 当．E-mail：[email protected]，URL：http://www.
kochi-u.ac.jp/marine-core/member/. 金松敏也 海洋研究開発機構・地震津波海域研究 開発センターグループリーダー．90年北海道大 学理学部卒，96年東京大学大学院理学研究科博 士後期課程修了（理学博士），96年海洋科学技術 センター特別研究員，98年海洋科学技術センター 研究員，14年から現職．研究内容：地磁気・岩石 磁気学，海洋地質学．本研究では，原稿執筆を担 当．E-mail：[email protected] （要 旨） 山崎俊嗣・山本裕二・金松敏也，
2017
，深海掘削による古地磁気・岩石磁気学の最近の進歩．地質雑，
