プレートテクトニクス、沈み込み、火山活動など、地球内で炭素が移動する自然現象は、現在では古くて安定しているように見えますが、地球は必ずしも穏やかではありませんでした。 地球が10代の頃であるアーケアン期（40〜25億年前）には、地球の温度は高く、火山の噴火も多く見られました。 この時代の終わりには、「大酸化イベント」と呼ばれる大気中の酸素の増加があり、これが今日私たちが認識している、より成熟したプレートテクトニクスのまさに始まりでした。
『Nature』誌に掲載された新しい論文では、DCO Reservoirs and FluxesコミュニティのメンバーであるBernard Marty氏とMichael Broadley氏（CRPG-CNRS、フランス）、実行委員会メンバーのClaude Jaupart氏（Institut de Physique du Globe de Paris、フランス）を含む研究チームが、26億年前から22億年前の間に火山活動が急激に増加したことを検出しました。 研究者たちは、当時形成された岩石の中にあるインクルージョンと呼ばれる液体の入った泡に閉じ込められたアルカイアの大気の痕跡を分析した。 この大量の揮発性物質の流入が「大酸化現象」の始まりではないかと考えられています。
「30億年ほど前のアーケアン期については、まだよくわかっていません」と、Reservoirs and Fluxes Community Science Steering Committeeの共同議長を務めるマーティ氏は言う。 当時の岩石はほとんど残っていませんし、アーケアン期の大気や火山フラックスについても、「当時は火山学者がいなかったので、ほとんど分かっていません」とマーティは指摘します。
今回の研究では、35億年前から27億年前に形成された岩石の同位体データを調査しました。 “同位体は物質のDNAのようなものです」とマーティ氏。 “同位体は物質のDNAのようなもので、それぞれの元素は過去に何が起こったかを記録する特定のサインを持っています」
具体的には、時系列で火山活動を推定するのに利用できる希ガスであるキセノンの同位体組成を調べました。 キセノンには、原子核に含まれる中性子の数だけが異なる9種類の同位体があります。 129Xeは、マントルでヨウ素が放射性崩壊してできた同位体で、火山の噴火によって地表に出てくるため、大気中の同位体濃度は火山の噴火に直接関係しています。 129Xeは、長い時間をかけて地球の大気中に徐々に蓄積されてきました。
予想通り、研究者たちは、キセノンが蓄積されるまでの時間がはるかに長い現在の大気と比較して、アーケアン期の大気にはキセノンがほとんどないことを確認しました。 しかし、26億年前から20億年前にかけて、129Xeが急激に増加していることに驚きました。
今日のプレートテクトニクスに関連する火山活動では、急激な上昇を説明できないため、Marty氏とCRPG-CNRSの同僚は、地球からの熱放出の専門家であるJaupart氏と共同で、地球の温度と火山活動の経時変化のモデルを作成しました。 火山岩が残した独自の記録によると、放射性元素の分解によって暖められた地球の内部温度は、30億年前から25億年前にピークを迎えたとされています。 原始的なプレートテクトニクスではこの熱を逃がすことができなかったため、地球が過熱して、溶けたマグマやガス、結晶などを含んだ大量の泡状のドロドロしたものができたと考えられています。
まるで10代の癇癪のように、火山活動の高まりによって、地球は大量の蒸気やその他の揮発性物質を吹き飛ばし、その後、プレートテクトニクスのより成熟したパターンに落ち着きました。
研究者たちは、このアルケン期末の揮発性物質の放出が、大気中に酸素ガスが発生した「大酸化現象」の原因ではないかと推測しています。 “
このアルケアン紀末の二酸化炭素の急激な増加は、現在の人間の二酸化炭素排出量と同程度の規模で起こったと考えられます。
今後は、この時代の岩石サンプルをさらに分析し、地球のマントルの「かんしゃく」の時期と、それが地球の進化にどのような影響を与えたかについて、より詳細な分析を行う予定です。
「私たちは、古代の地球の特徴をよりよく把握する必要があります」とマーティは言います。 “アーケアン期は、確かにバクテリアの活動が発達し、生命が開花した時期です。
メイン画像。 オーストラリア北西部のドレッサー層（3.45Ga-like）のようなアルケアン期の岩石は、現在の地球上では不足しており、アルケアン期の地球上の状況を知ることは困難である。 写真提供：B. Marty