Jour. Geol. Soc. Japan, Vol. 123, No. 11, p , November 2017 doi: /geosoc 報告 210 Pb 137 Cs 210 Pb and 1

(1)

210

_{Pb and}

137

_{Cs profiles in surface sediments collected using a Remotely Operated Vehicle, off}

Sanriku, NE Japan

無人探査機によって採取された三陸沖の表層堆積物の

210

_Pb

と

137

_Cs

の鉛直

分布

Keywords: 210_Pb,137_{Cs, Hyper-Dorphin, 2011 Tohoku}

Earthquake and Tsunami

藤井美南

＊†

小栗一将

＊＊

新井和乃

＊＊††

笠谷貴史

＊＊

_{川村喜一郎}

＊＊＊

Minami Fujii

＊†

_{, Kazumasa Oguri}

＊＊

_,

Kazuno Arai

＊＊††

_{, Takafumi Kasaya}

＊＊

_and

Kiichiro Kawamura

＊＊＊

2017年2月25日受付．

2017年5月26日受理．

＊

山口大学大学院理工学研究科

Graduate School of Science and Engineering, Yamaguchi University, 1677-1 Yoshida, Yamaguchi 753-8512, Japan

＊＊ _{海洋研究開発機構}

Japan Agency for Marine Science and Technology, 2-15 Natsushima-cho, Yokosuka, 237-0061, Japan

＊＊＊ _{山口大学大学院創成科学研究科}

Graduate School of Science and Technology for Innova-tion, Yamaguchi University, 1677-1 Yoshida, Yamaguchi 753-8512, Japan

† _{現所属：株式会社荒谷建設コンサルタント}

Present address: Aratani Civil Engineering Consultants co., ltd, 1-25-5 Ebanishi, Naka-ku, Hiroshima 730-0831, Japan

†† _{現所属：高知大学海洋コア総合研究センター}

Present address: Center for Advanced Marine Core Re-search, Kochi University, 200 Monobe Otsu, Nankoku, Ko-chi 783-8502, Japan

Corresponding author: K. Kawamura, [email protected]

©The Geological Society of Japan 2017 983

Abstract: We report, in detail, 210_{Pb and}137_{Cs proﬁles in}

three 20-cm-long multi-cores from seafloor sediments that were collected using a remotely operated vehicle from shelf slopes at water depths of less than 1000 m off Sanriku, NE Japan. We detected 137_{Cs at}₈_{cm below}

the seafloor in the three samples. The sedimentation rates with burial compaction were calculated at 0.045–

0.354 g cm–2_y–1_{on the basis of the}210_{Pb concentrations}

in the three samples.

報　告はじめに

2011

年東北地方太平洋沖地震では，津波に起因した深海底まで到達する大規模な混濁流が発生したことが報告されている（

Arai et al., 2013

）．その混濁流は，本震の約

3

時間後に，日本海溝の陸側斜面の水深

1000 m

付近に設置されていた海底圧力計・海底地震計に到達した（

_{Arai et al.,}

2013

）．それによって，周囲の海水温を急激に上昇させ，同時に一部の計測機器を吹き飛ばし，転倒させたことが水圧の急激な増加から示唆されている（

Arai et al., 2013; Miura et

al., 2014

）．その混濁流によるタービダイトは計測機器の周囲から採取されており，堆積物の粒度や堆積構造から堆積プロセスが議論されている（

_{Arai et al., 2013}

）．しかし，その堆積物の詳細な分布範囲は良くわかっておらず，それを明らかにするためには，金井（

2000

）などで示される210

Pb

と 137

_Cs

_{などの放射性核種が用いた極表層における堆積年代決} 定とそれに基づく詳細な堆積速度の変化，そして，それらに基づいた堆積構造の議論が重要である．ここでは，地震後に，東北地方沿岸の三陸沖で採取された海底表層堆積物の210

Pb

と137

Cs

濃度の鉛直分布について，堆積構造とともに詳細に記載し，算出された堆積速度を報告する．この海域では，地震後の表層堆積物の報告例がなく，本報告はその点において重要な情報となる．試料本研究で用いた試料は，

2012

年

5

月

14

日∼

23

日に三陸沖での海洋調査船「なつしま」による

NT12-12

次研究航海での無人探査機「ハイパードルフィン」潜航調査により，プッシュ式コアサンプラーを用いて採泥された（

_{Fig. 1, Table}

1

）．このサンプラーは長さ

30 cm

の採泥管で柱状堆積物を不撹乱採取できる．この航海では，「ハイパードルフィン」による潜航調査が，

HPD#1382

，

_#1383

，

_#1384

，

_#1385

の

₄

回行われた（

_Fig.

1, Table 1

）．調査地の北側の

_HPD#1384

は，岩手県沖の釜石海底谷底，

HPD#1385

は小規模な海底谷底に沿って調査された（

Figs. 1A-C

）．南側の

HPD#1382

と

HPD#1383

は，宮城県沖の水深約

900 m

の陸棚斜面で行われた（

Fig.

1A and D

）．本研究では，各潜航調査においてプッシュ式コアラーを用いて採取された堆積物コア

HPD#1382G

，

HPD#1384G

，

HPD#1384GB

，

HPD#1385B

の

4

試料を用いる（

Fig.

2A-2D

）．

HPD#1382G

は，水深

894 m

で採取され，コア長

25 cm

であった（

_{Fig. 2A}

，

_{Table 1}

）．このコアは，

₀

∼

1 cm

が粘土質堆積物，

1

∼

25 cm

がシルト質細粒砂∼シルト質極細粒砂であった．また，

1

∼

4 cm

と

19

∼

20 cm

に，細粒砂からなる斜交葉理が観察され，それ以深の生物擾乱が観察される層を削り込んで不整合で接している．試料の

CT

値は，コア全体を通しておおよそ

₁₀₀₀

∼

_{1100 HU}

である．

(2)

ただし，

1

∼

4 cm

の細粒砂では，より下位で約

1400 HU

であるが，上位に向かうに従い，約

1100 HU

まで

CT

値が減少している（

Fig. 2A

）．

HPD#1384G

と

HPD#1384GB

は，それぞれ水深

500 m

と

_{462 m}

で採取され，コア長はそれぞれ

_{13.5 cm}

，

23.5 cm

であった（

Fig. 2B-2C, Table 1

）．

HPD#1384G

と

HPD#1384GB

は，陸源・火山性の物質が多く，生物起源のものでは放散虫化石が多く含まれていた．コア全体を通して極細粒砂である．

HPD#1384GB

は

6 cm

以浅で平行葉理が観察され，それ以深の生物擾乱が観察される層を削り込んで不整合で接している．

2

つの試料の

CT

値は，コア全体でおおよそ

1000

∼

1100 HU

である．

HPD#1385B

は水深

937 m

で採取され，コア長は

21 cm

であった（

Fig. 2D, Table 1

）．このコアは全体を通して砂質粘土であった．全体的に生物擾乱によって乱されており，

₀

∼

10 cm

で

CT

値が約

400 HU

，

10

∼

21 cm

で

CT

値が約

500 HU

である（

Fig. 2D

）． 210

_Pb

_と137

_Cs

_の分析 210

_Pb

_{はウラン系列に属する半減期}

_22.3

_{年の放射性核種}

Fig. 1. A: Detailed bathymetric map of the three sampling sites. B: Dive route of HPD#1385 (solid line) and sampling site

HPD#1385B (open circle). C: Dive route of HPD#1384 (solid line) and sampling sites HPD#1384G and HPD#1384GB (open circles). D: Dive routes of HPD#1382 (solid line) and HPD1383 (dotted line), and sampling site HPD#1382G (open circle).

(3)

で，238

U

が226

Ra

，222

Rn

，214

Pb

などを経由して壊変し，生成する核種である．海底堆積物中には，

1

）

supported

210

Pb

（以後210

_Pb

_su）と

₂

）

_excess

210

_Pb

（以後210

_Pb

_ex）の

₂

種類が含まれる．

1

）は，堆積物中に含まれる鉱物中のウラン系列核種から壊変して生成した210

Pb

である．それに対して，

2

）は，大気中に存在する親核種の222

_Rn

や海水中に溶存する226

_Ra

Fig. 2. Lithofacies diagrams, X-ray CT images, and radionuclide 210_Pb

ex, 137Cs, 210Pbtotal and 214Pb proﬁles of samples 1382G

(A), 1384G (B), 1384GB (C), and 1385B (D). MSL indicates the mixed surface layer as a horizon of constant 210_Pb ex.

Table 1 Details of sampling locations (latitude, longitude, and water depth), core lengths, and calculated sedimentation rates

(4)

や222

Rn

の壊変による短半減期の核種を経由して海底に堆積した210

Pb

である．一般的に，深海堆積物の堆積プロセスを考えたときに， 210

_Pb

suにおいて鉱物中のウラン系列が放射平衡にあり，なおかつ，海底への210

_Pb

_exのフラックスが一定であると仮定すると，一定速度で堆積した堆積物中の210

Pb

_ex濃度は，表層から深部に向かって指数関数的に減少する．このとき， 210

_Pb

exのプロファイルを指数関数で近似し，この減少率を計算すれば，約四半減期（

100

年以内）の時間における堆積速度を求めることができる（金井

_{, 2000}

）． 137

_Cs

_は半減期

₃₀

_{年の放射性核種であり，主に}

₁₉₅₃

_年以降の地上核実験で生成され，大気中に大量に放出された．しかし，

1963

年にアメリカ，イギリス，ソ連との間で調印された部分的核実験禁止条約によって，これ以降は核実験による大気中や水中への直接的な放出は減少したため，大気中や海水中の137

Cs

濃度は放射壊変によって徐々に減少している（

Hirose et al., 2008

）．したがって，堆積物中から137

Cs

を検出すれば，その堆積物は

1950

年代以降行われた核実験の影響を受けている，すなわち比較的近年（数十年の間）に堆積したと判別できる．

1

．試料調製 210

_Pb

_と137

_Cs

_{の分析に用いる堆積物試料は，コアの表層} から最下部までにおいて，コアの表層から

10 cm

までは

1 cm

間隔，それ以深では

2 cm

間隔で採取し，乾燥，粉末化して，以下のように作成した．得られた試料は，体積

7 cm

3のプラスチック製容器（宮崎

,

PC

プラキューブ）に封入し，

70

°

C

，

48

時間の条件下で乾燥させ，堆積物のかさ密度を算出した．次に，試料は，小栗ほか（

2011

）に従って，めのう乳鉢を用いて堆積物粒子をシルトサイズに粉砕した．最後に，粉砕した乾燥試料

_{2 g}

をプラスチック製試験管（外径

_{14.5 mm,}

長さ

_{83.1 mm,}

マルエム，

SS-14

）に密封し，

2

ヶ月間放置した．これによって密封された試料内で226

Ra

と222

Rn

の間に放射平衡が成立するため，210

Pb

_su濃度は試料採取直前の値となる． 210

_Pb

suは，先に述べた通り，堆積物の鉱物粒子由来であり，そのウラン系列の放射平衡が成立していると仮定すると，ウラン系列である226

Ra

，222

Rn

，214

Pb

や210

Pb

の試料中の濃度比が等しくなっている．このとき210

Pb

_ex濃度は，試料の測定によって得られる210

Pb

_total濃度から，同じく測定される214

Pb

濃度から換算した210

Pb

_su濃度を差し引くことで以下の式（

₁

）のように求められる． 210

_Pb

ex濃度＝210

Pb

total濃度−210

Pb

su濃度（

1

）

2

．分析機器と測定方法コア試料の210

Pb

と137

Cs

の濃度は，ガンマ線スペクトル分析装置を用いて分析した．その計測では，厚さ

_{10 cm}

の鉛遮蔽体に格納したウェル型ゲルマニウム半導体検出器（

ORTEC, GWL-12030

），およびマルチチャンネルアナライザ（セイコー・イージーアンドジー

, MCA7800

），高圧電源（

ORTEC, 659

）と信号増幅器（

ORTEC, 672

），およびデータ処理装置（

_{NEC, PC-9801BX4}

）からなるガンマ線分析装置を用いた．本研究で測定した核種は210

Pb

（ガンマ線放出エネルギー

46.5keV

），214

Pb

（

351.9 keV

），および137

Cs

（

661.6 keV

）である．これらの標準物質として，210

Pb

と214

Pb

については

_DL-1a

（

_CANMET

），137

_Cs

には

_IAEA375

を，それぞれ

2 g

用いた．測定に要した時間は

DL-1a

で

86424

∼

86436

秒，

IAEA375

で

21597

秒，堆積物試料で

86411

∼

345607

秒とした． 210

_Pb

_，214

_Pb

_および137

_Cs

_{の定量には関数適合法を用いた．} まず，それぞれの核種スペクトルのピークを正規分布とベースラインの和として近似し，そこからベースラインを除外したピーク面積を算出した．つぎに，ピーク面積を計測時間で割ることで，単位時間あたりの値に換算した．それぞれの標準物質についても同様の手法を適用，これらを試料の値と比較することによって，試料中のそれぞれの核種の濃度を得た．これらの計算には，

KaleidaGraph4.1

（

Synergy

Soft-ware

）を用いた． 137

_Cs

_{の検出限界は，ピークスペクトルに平滑化二次微分} 法（野口

, 1980

）を適用することで判別した．具体的には，ピークを二回微分して得られる関数の高さがベースライン変動幅の

2.5

倍以上となった場合を有効と見なし，それ以下の場合は検出限界以下とした．このようにして，210

Pb

と 214

_Pb

_{のピークを得た．なお，試料や標準物質間の密度差に} 伴うガンマ線の吸収効果を最小限に留めるため，試験管中の試料の高さは，約

_{1 mm}

の範囲内で一定にした． 210

_Pb

_と137

_Cs

_{の分析結果} 測定結果を

Fig. 2

に示す．これらのデータを用いて，以下に示すように，

Oguri et al.

（

2012

）に記された手法に基づいて，各試料の堆積速度を算出した．

1

．210

_Pb

_{法による堆積速度の算出法} 堆積物中の210

Pb

_ex濃度の鉛直分布から堆積速度を求めるには，210

Pb

_ex濃度の回帰曲線の係数を得ることが必要である．

Fig. 2

の放射性核種の濃度の鉛直分布では，縦軸は積算重量深度と堆積深度とを表している．積算重量深度とは，面積当たりの堆積物粒子の積算重量であり，その単位は

_g

cm

−₂ となる．そして，積算重量深度を用いて堆積速度を表すと単位は

g cm

−₂

y

−₁ となり，圧密を考慮した堆積速度，すなわち堆積物粒子の海底へのフラックスとなる．積算重量深度

W

（

g cm

−2_）_{は以下の式で表される．}

W

＝∫

z

ρ

dz

（

1

）ここで，

z

＝深度（

cm

），ρ ＝乾燥密度（

g cm

−₃ ）である． 210

_Pb

ex濃度プロファイルから得られる回帰曲線の式は以下で示される．

N

＝

N

₀×

e

−λ×b×_z （

2

）ここで，

N

＝210

Pb

_ex濃度，

N

₀＝

N

の初期値（すなわち海底に沈降した直後の粒子の210

Pb

_ex濃度），λ は210

_Pb

_の壊変定数（

0.0311

年−1_），

_b

_{は回帰曲線の係数である．} この回帰曲線の係数より，

₁

半減期における堆積物の深度

(5)

Z

1/2（

cm

）が求められる．

Z

1/2＝

ln2/

（λ×

b

）（

3

）（

3

）式を210P

b

の半減期（

T

_1/2 ＝

22.3

年）で割ると，堆積後の圧密を考慮しない堆積速度

_Vu

（

_{cm y}

−1_）_{が得られる．}

V

u＝

Z

1/2

/ T

1/2 （

4

）また，深度のかわりに積算重量深度を用いて同様の計算を行うと，圧密を考慮した堆積速度

V

（_c

g cm

−2

_y

−1_{）を求めるこ} とができる．

2

．各試料の堆積速度本研究で測定した放射性核種の濃度と，算出された圧密を考慮した堆積速度（

V

_c）とを

Fig. 2

と

Table 1

に示す．

HPD#1382G

の210

Pb

_ex濃度の鉛直分布は，表層

7 cm

までで減少傾向を示さない（

_{Fig. 2}

）．このような210

_Pb

の減少が見られない層準は混合堆積層と呼ばれる（

Oguri et al.,

2012

など）．

7 cm

以深でも，減少率が不明瞭であり，圧密を考慮した堆積速度の算出はできなかった（

Fig. 2

）．また， 137

_Cs

_{も検出限界以下であった．} 一方，

_HPD#1384GB

の210

_Pb

_ex濃度の鉛直分布は，深さによって異なる

2

つの圧密を考慮した堆積速度（

V

_c）が検出された（

Fig. 2; Table 1

）．このうち，

0 cm

∼

7 cm

では

0.354 g cm

−2

_y

−1_，

_{7 cm}

_∼

_{15 cm}

_{では}

_{0.072 g cm}

−2

_y

−1 であった．約

15 cm

以深では減少傾向が認められず，埋没した混合堆積層である．137

_Cs

は表層

_{8 cm}

まで検出され，検出された部分の濃度は

0.002

±

0.001 Bq/g

∼

0.004

±

0.002 Bq/g

とほぼ一定であった．

HPD#1384G

の210

Pb

_ex濃度の鉛直分布は，

0 cm

∼

5 cm

で減少傾向を示さない混合堆積層である（

Fig. 2

）．

5 cm

以深では指数関数的に減少しており（

_{Fig. 2}

），圧密を考慮した堆積速度（

_V

_c）は

_{0.068 g cm}

−2

_y

−1_{と算出された．また，}

0 cm

∼

3 cm

で137

Cs

が検出されたが，それ以深では検出されなかった．

HPD#1385B

の210

Pb

_ex濃度の鉛直分布は，

HPD#1384GB

と同様に異なる

₂

つの圧密を考慮した堆積速度（

_V

_c）がみられ，

_{0 cm}

∼

_{6 cm}

は

_{0.045 g cm}

−2

_y

−1_，

_{6 cm}

_以深は

_0.076

g cm

−₂

y

−₁ であった（

Fig. 2; Table 1

）．137

Cs

は表層

8 cm

まで検出された（

Fig. 2

）．謝辞

NT12-12

航海の田中等船長をはじめとする「なつしま」乗組員の方々，および大野芳生運航長をはじめとするハイパードルフィンチームの方々（日本海洋事業株式会社）には，航海中大変お世話になった．高知大学の村山雅史教授には

X

線

CT

など，分析機器を使わせていただき，また丁寧なご指導をいただいた．海洋研究開発機構の豊福高志主任研究員，

Pauline Duros

博士，アンジェ大学の

Christophe

Fontani-er

准教授には，生物学的観点から多くの有益なコメントをいただき，また議論をしていただいた．地質学雑誌編集委員の岡本敦博士と匿名査読者には建設的なご意見をいただいた．インスブルック大学のミカエル・シュトラッサー教授には英文校正いただいた．本研究の一部は，高知大学海洋コア総合研究センター共同利用・共同研究（

_{12A005, 12B004}

）のもとで実施された．また，東北マリンサイエンス拠点形成事業

–

海洋生態系の調査研究

–

の研究費の一部を使用させていただいた．以上の方々に心より御礼申し上げる．文献

Arai, K., Naruse, H., Miura, R., Kawamura, K., Hino, R., Ito, Y., Murayama, M., 2013, Tsunami-generated turbidity cur-rent of the 2011 Tohoku-Oki Earthquake. Geology, 41, 1195–1198.

Hirose, K., Igarashi, Y. and Aoyama, M., 2008, Analysis of the 50-year records of the atmospheric deposition of long-lived radionuclides in Japan. Appl. Radiation Isotop., 66, 1675– 1678.

金井豊（Kanai, Y.）, 2000, 鉛–210堆積年代測定法とその問題点（A

study on lead-210 dating）．地球化学（Geochemistry）, 34,

23–39．

Miura, R., Hino, R., Kawamura, K., Kanamatsu, T. and Kaiho, Y., 2014, Accidental sediments trapped in ocean bottom seismometers during the 2011 Tohoku-Oki Earthquake.

Island Arc, doi: 10.1111/iar.12079.

Oguri, K., Harada, N. and Tadai, O., 2012, Excess 210_{Pb and} 137_{Cs concentrations, mass accumulation rates, and}

sedi-mentary processes on the Bering Sea continental shelf.

Deep-Sea Res. II, 61-64, 193–204.

小栗一将・杉崎彩子・飯島耕一・坂本竜彦・北里洋（_{Oguri, K.,}

Su-gizaki, S., Iijima, K., Sakamoto, T. and Kitazato, H.）_{, 2011,} ガンマ線スペクトロメトリーにおける210_Pb,214_Pbの解析方法に関する検討（_{Investigation of analytical methods of}210_{Pb and}

214_{Pb nuclides from gamma-ray spectrometry}_）．_JAMSTEC

Rep. Res. Dev., 12, 27–35．

野口正安（Noguchi, M.）, 1980, γ 線スペクトロメトリー実験と実習（γ-ray Spectrometry Experiment and Practical Training）．

(6)

（著者プロフィール）藤井美南株式会社荒谷建設コンサルタント．12 年山口大学理学部地球圏システム科学科卒，₁₄ 年山口大学大学院理工学研究科博士課程前期修了．同年₄月から株式会社荒谷建設コンサルタント．研究内容：海洋地質学．本研究では，研究統括，原稿執筆，ガンマ線解析，堆積物観察を担当．

E-mail: [email protected]，URL:

www.aratani.co.jp 小栗一将海洋研究開発機構海洋生物多様性研究分野主任技術研究員，₉₉年名古屋大学大学院理学研究科大気水圏科学専攻博士（後期課程）修了（博士（理学）），₀₁年海洋科学技術センター（現海洋研究開発機構），₁₄年から現職．研究内容：海底における生元素循環，海底の現場観測と放射性核種を用いた堆積現象の解明． E-mail：[email protected] 新井和乃高知大学海洋コア総合研究センター特任専門職員．₀₉年千葉大学理学部地球科学科卒， 15年千葉大学大学院理学研究科博士（理学）取得，同年海洋研究開発機構ポストドクトラル研究員， 16年から現職．研究内容：タービダイトを用いた混濁流の古水理条件推定，東北沖地震・津波に伴い発生した混濁流の解明．本研究では，サンプル採取・X線CT解析を担当． Email: [email protected] 笠谷貴史海洋研究開発機構地震津波海域観測研究開発センター主任技術研究員．₀₁年京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻博士後期課程修了（理学博士），₀₂年海洋科学技術センター（現海洋研究開発機構）特別研究員，₁₃年同技術研究副主幹，₁₅年より現職．研究内容：電気・電磁探査を用いた物理探査．音響機器による海域調査と地形解釈．本研究では，地形データ取得とそのデータ解析，作図を担当．E-mail：[email protected] 川村喜一郎山口大学大学院創成科学研究科准教授．₉₅年高知大学理学部地学科卒，₉₉年筑波大学大学院博士課程中退．₉₉年財団法人深田地質研究所研究員，₀₄年筑波大学大学院博士（理学）取得，12年から現職．研究内容：海洋地質学・海底地盤変動学．本研究では，原稿執筆，編集委員会との対応を担当． E-mail: [email protected]