博 士 （ 理 学 ） 勝 田 長 貴
学 位 論 文 題 名
稿状堆積物の解析手法の開発と 先カンブリア代稿状鉄鉱層への応用
(Developments of analysis methods for striped pattern of laminated sediments and its application to Archean Banded Iron Formation)
学位論文内容の要旨
本 研 究 の 目 的 は ， 縞 状 堆 積 物 の 縞 状 構 造 か ら 過 去 の 地球 環 境変 動を 高分 解能 で 抽出 する た め の 解 析 手 法 の 開 発 を 行 な う こ と で あ る ． こ れ ま で に手 掛 けた 手法 ，そ れに よ って 得ら れ た 縞 状 鉄 鉱 層(BandedhonFomation） の 高 空 間 分 解 能 一 次 元 系 列 デ ー タ お よ びBIFの 縞 模様の特徴について，以下 に述ぺる．
従 来 ， 堆 積 物 断 面 の 二 次 元 デ ー タ を 一 次 元 に 変 換 す る方 法 は， 層理 面に 対し て 垂直 方向 にある特定のラインのデー タを使うか（例えばPetterson，etal．，1994），水平（層理面）方向 へ の 平 均 化 （ 例 え ばmch虹1994） が 大 部 分 で あ っ た ． し か し ， こ れ ら の 方 法 で は ，縞 の層 理面 方 向に 不均 質亅 陸が あ った り多 量の ノイ ズ を含 んで いた り する と， 堆積 物の 微 細構 造が っ ぶ れ て し ま っ た り あ る い は 疑 似 ピ ー ク を 読 み 違 え た りと い う点 で問 題が あっ た ．最 も進 んだ研究としては，Rjpepeetal．（1992）の地震反射 法で使われているnonmlrDOVeol亅二t法を用 い て 変 形 し た 縞 を ス ト レ ー ト に す る 方 法 が 報 告 さ れ て いる が ，ユ ーザ ーの 主観 性 に頼 る部 分 が 多 く ， 我 々 が 要 求 す る 解 析 レ ベ ル に 達 し て い な い とい う のが 現状 であ る． そ こで ，本 研 究 で は ， 堆 積 物 の 縞 模 様 が 変 形 し て い て も ， 高 空 間 分解 能 の一 次元 デー タを 客 観的 に得 ることができる， La．I血ationTracer と名付けられた数学的あるいは統計学的手法（Katsllta， etaL，2002）の 開発 を行 な った ．ITでは ，従 来 の手 法で 問題 と され てい るよ うな 縞 の層 理面 方 向 の 不 均 質 性 を 次 の よ う に し て 取 り 除 い て い る ． ま ず， 縞 状堆 積物 断面 の画 像 デー タを 使 っ て 変 形 し た 縞 状 堆 積 物 の 縞 模 様 の 幾 何 学 を 計 算 す るこ と で堆 積物 の層 理面 あ るい は堆 積 等 時 面 （ 我 々 は こ れ を ア イ ソ ク ロ ン 線 と 呼 ん で い る ）を 抽 出す る． そし て， 層 理面 に沿 っ て2D画 像 デ ー タ を 平 均 す る こ と に よ っ て ， パ イ ア ス のな いlD系 列デ ータ が作 成 され る．
本 研 究 で は ，I´Tの 理 論 と 解 析 ア ル ゴ リ ズ ム の 構 築 お よ び プ ロ グ ラ ム パ ッ ケ ー ジMatlab version513によ る解 析プ ロ グラ ムの 開発 を行 な った ．次 にア ル ゴリ ズム の概 要に つ いて 述ぺ る．
堆 積 物 の 縞 模 様 （ ラ ミ ナ ） は 同 時 刻 に 堆 積 物 が 沈 積 した こ とを 示す アイ ソク ロ ン線 （堆 積 等 時 間 面 ） で あ る ． 縞 が 変 形 し て い な い 場 合 に は ， 層 理 面 に 対 し て 垂 直 方 向に 傾き1の
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単 調 増 加 の ア イ ソ ク ロ ン 関 数 を 与 え れ ば 良 い ． 縞 が 変 形 し て い る 場 合 に は ， 単 調 増 加 関 数 に 縞 の 小 さ い 変 形 を 記 述 し た 関 数 を 加 え た も の が ア イ ソ ク ロ ン 関 数 （ 後 述 ） と な る ． 一 方 ， 画 像 か ら 縞 の 変 形 の 幾 何 学 を 知 る に は 画 像 の 濃 淡 の 変 化 が 最 大 と な る 方 向 す な わ ち 縞 の 傾 斜 （ 走 行 ） を 調 べ れ ば 良 い ． 画 像 中 の 局 所 的 な 縞 の 傾 斜 は ， 画 像 の 濃 淡 の1次 お よ び2次 微 分 係 数 か ら 求 め る ． し か し ， 微 分 操 作 は ノ イ ズ を 増 幅 さ せ る た め ， そ れ を 抑 え る た め に ， 濃 度 勾 配 が 大 き い 部 部 で は1次 微 分 係 数 を 重 視 し ， 曲 率 が 大 き い 部 分 （ 尾 根 や 谷 ） で は2 次 微 分 係 数 を 重 視 す る よ う に 決 定 す る ． さ ら に ， 縞 の 傾 斜 分 布 画 像 を フ ー リ エ 変 換 し 特 定 の 波 数 成 分 を 取 り 出 す フ ィ ル 夕 処 理 を 行 な う こ と で ノ イ ズ 成 分 を 除 去 す る ． こ う し て 求 め た 縞 の 傾 斜 を 層 理 面 方 向 に 逐 次 積 分 し た も の と 層 準 の 相 対 時 刻 を 表 現 す る 関 数 で あ る 層 準 方 向 に 傾 き1の 単 調 増 加 関 数 の 和 す な わ ち ア イ ソ ク ロ ン 関 数 が 得 ら れ る ． 求 め た ア イ ソ ク ロ ン 線 に 沿 っ て 堆 積 物 断 面 の 二 次 元 画 像 デ ー タ を 平 均 す る こ と に よ っ て 高 空 間 分 解 能 の 一 次 元 デ ー タ と そ の 信 頼 性 を 表 現 す る 標 準 偏 差 デ ー タ が 作 成 さ れ る ． 実 在 デ ー タ の 解 析 サ ン プ ル と し て ， 後 述 す るBIFの 画 像 デ 一 夕 が 用 い ら れ た ． そ の 結 果 ， 微 細 で 変 形 し た 縞 模 様 を 忠 実 に ト レ ー ス し た ア イ ソ ク ロ ン 線 が 求 め ら れ ， ノ イ ズ や 欠 損 部 分 を 含 ん だ 不 連 続 な 堆 積 物 断 面 画 像 か ら も ， 信 頼 性 が 高 い 一 次 元 デ ー タ を 客 観 的 に 取 得 す る こ と が 可 能 と な っ た ． 開 発 し たLTお よ び 走 査 型X線 分 析 顕 微 鏡(Scanning X‑ray Analytical Microscope)を 用 い て ，28億 年 前 の カ ナ ダ ・ 、 ス レ ー プ 地 域 の 縞 状 鉄 鉱 層(Banded Iron Formation)の 縞 状 構 造 を 記 載 し た ． 従 来 のBIFの 縞 状 構 造 を 記 載 し た 研 究 と し て は ， 次 の よ う な も の が あ る ．Trendau
（1973） で は ，25億 年 前 の 西 オ ー ス ト ラ リ ア ，H珊ersleyくbup，WbehWbmF0nuationのBIF の 顕 微 鏡 写 真 を 用 い て ， チ ャ ・ ー ト 質 メ ソ パ ン ド 中 の マ イ ク ロ パ ン ド の 本 数 を 数 え て ，21〜28 枚 で 平 均23●3枚 の 周 期 性 が あ る こ と を 発 見 し た ．Mat馴maga，etaL（2000） で は ， 西 オ ー ス ト ラ リ ア のCleaverVinef01mation（33〜31億 年 前 ） お よ びHamersleyQoup（25億 年 前 ） のBIF の 縞 状 構 造 に つ い て ， シ ン ク ロ ト ロ ン 放 射 光 源 を 用 い て 得 ら れ た ） （RF画 像 に よ る 元 素 分 布 お よ び ゼ ー ン ズ （X線 近 吸 収 帯 端 構 造 ） に よ るFe，Mnの 酸 化 状 態 に よ っ て 記 載 が 行 な わ れ て い る ． し か し ， 以 下 に 示 す よ う な 全 長5．4m空 間 分 解 能O．1n皿 のBIFの 元 素 組 成 お よ び 鉱 物 組 成 の 一 次 元 空 間 系 列 デ ー タ は こ れ ま で に 報 告 さ れ て お ら ず ， 本 研 究 で 開 発 し た 手 法 が 過 去 の 地 球 環 境 変 動 を 知 る 上 で 重 要 な 地 質 学 的 記 録 媒 体 を 提 供 で き る ツ ー ル で あ る と 考 え てい る．
走 査 型X線 分 析 顕 微 鏡 （Sc孤DingXIrりAna1舛icalMicroscope） に よ っ て 得 ら れ た28億 年 前 のBIFの 主 要7元 素 姆 ば 画 像 （Si，P S，K，Ca，Mn，Fe） は ，LTに よ っ て 一 次 元 の ） （RFカ ウ ン ト 柱 状 図 に 変 換 さ れ る ． こ のXRFカ ウ ン ト 柱 状 図 は ，BIFの 縞 状 構 造 を 抽 出 す る た め に ，EPMAに よ る 定 量 デ 一 夕 を 用 い て ，BIFを 構 成 す る 主 要 鉱 物 の 組 成 を 重 量 比 で 表 現 し た 柱 状 図 （ 鉱 物 重 量 比 柱 状 図 ） へ 変 換 さ れ る ． 鉱 物 重 量 比 柱 状 図 か ら ， カ ナ ダ ・ ス レ ー プ 地 域 （28億 年 前 ） のBIFの 縞 状 構 造 に は ， 次 の よ う な 特 徴 が あ る こ と が 分 か っ た ． 第 一 に ，BIF の 縞 状 構 造 はcm単 位 とmm単 位 の2っ オ ー ダ ー か ら の 縞 模 様 か ら 構 成 さ れ て い る ．cm単 位の縞には，Fe‐richな縞（magnetite，1一一二2種類のarnpbib01es）とSiーdchな縞（quanZ，magnetite） で 構 成 さ れ て い る ．Feldchな 縞 の 中 に は ，mm単 位 の 縞 がmagnetiteと1〜2種 類 の 卿phiboles か ら 構 成 さ れ て い る ．Si・richな 縞 の 中 に は ，mm単 位 の 縞 がmagnetiteとquartZか ら 構 成 さ
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れ て い る ． 第 二 に ， こ れ ら の 縞 模 様 に は ， リ ズ ミ ッ ク な 変 動 パ タ ー ン が 見 え る ． 特 に ，cm 単位 のFe‑richな縞 模様に は，そ のよう な特 徴が顕 著であ る．
参 考 文献 ：Archer A．W.，1994. Mathematical Geology 26(1)，47‑65. Katsuta，etal．，2002.
Computers＆Geosciences， 血press. Matsunaga，eta1． ，2000. Resource geology50(1)，75‑80.
Petterson，eta1．，1993. Journal of Paleolimnology9，195‑208. Ripepe; etal．，1991. Joumal of Sedimentary Petrology, 61(7)，1155‑1163. Trendall，1973. Economic Geology 68，1089‑1097.
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学位論文審査の要旨
主査 教授 岡田尚武 副査 教授 蓬田 清
副査 助教授 高野雅夫（名古屋大学大学院環境学研究科）
学位論文題名
稿状堆積物の解析手法の開発と 先カンブリア代稿状鉄鉱層への応用
(Developments of analysis methods for striped pattern of laminated sediments and its application to Archean Banded Iron Formation)
海底や湖底堆積物を用いて古環境を高分解能復元する研究は近年めざましく発展したが，
数十億年間を対象とする場合，従来の手法を適用することはできない，これは，化石が産出 しないばかりか，地層の乱れが多く，この時間スケールでは天体力学周期が変化するためで ある，そこで申請者は，地球形成から現在までの天体力学周期の変遷を理論計算により見積 もったI ーK ダイアグラムを用いて，堆積物の縞状構造を定量的に解読する方法論を確立する ことを目的とし，堆積物の縞状構造から数十億年の時間スケールで月ー地球系力学進化に関 連する各種現象（潮汐周期や日射量変動）と地球表層システムの進化変遷の解明を目指した。
従来，堆積物断面の画像を一次元に変換する方法は，層理面に対して垂直方向にある特定 の直線上のデータを抽出するか，水平（層理面）方向にただ平均化するかであった，しかし，
縞の層理面方向に不均質性があったり多量のノイズを含んでいたりすると，疑似ピークを読 み違える点や堆積物の微細構造がっぶれる点で問題があった，そこで申請者は，人工的に作 成した縞状画像を使って，変形した縞状構造の変形幾何学を解析することで縞状構造のアイ ソクロン線（堆積学の層理面）を抽出し，それに沿って画像を平均することで縞状構造の水 平方向の不均質性（褶曲やブーディン構造）を取り除いた一次元プロファイルを作成する，
という解析アルゴリズムとその解析プログラムを開発した．この解析方法は，画像処理法 Lamination Tracer （以下LT と呼ぶ）と呼ばれている．開発した解析アルゴリズムを後述す る縞状鉄鉱床(BIF) に適用した結果，多量のノイズや欠損部分を含んだBIF の断面画像から でも，微細で変形した縞模様を忠実にトレースした層理面が求められ，より信頼性の高い一 次元データを客観的に取得することが可能となった，この研究成果は，国際誌Computers ＆ Geosciences に解析プログラムを添付して投稿し受理された，
BIF の縞状構造の成因及び縞の周期性はよく判っていない．そこで申請者は，BIF の縞状 構造を数100m から数m のスケールで連続的に記載するために，28 億年前の北西カナダ．Slave 地域の BIF を用いて，高分解能のBIF の化学組成と鉱物組成の一次元プロファイルを作成す るアルゴリズムの開発を行なった，BIF 断面のXRF 画像を LT によって，主要7 元素(Si ，S ， P ，K ，Ca ，Mn ， Fe) の一次元プロファイルを作成し，主要4 鉱物が独立に堆積して縞状構造を
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形成していることを明らかにした。また，1 ）cm 単位の縞状構造がありその中にmm 単位の 縞が存在する，2 ）Fe に富む縞とSi に富む縞が互層し，3 ）組成の異なる 3 種類の縞状構 造が存在する，などの新たな事実を明らかにした。
これを要するに，申請者は，縞状堆積物を用いた先カンブリア代の地球環境変動の研究に 関して，新しい方法論をもたらしたと評価できる。
よって申請者は，北海道大学博士（理学）の学位を授与される資格あるものと認める。
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