Departmental Bulletin Paper グリーンランド・イスア地域の岩石から読み解く約38億年前の生命圏

大友, 陽子  ,  Ohtomo, Yoko

27pp.19 - 23 , 2016-03 , 名古屋大学宇宙地球環境研究所年代測定研究部
Description
The suggestion that graphite in early Archaean rocks is biogenic origin had met with a degree of scepticism. Reduced carbon stable isotope values of graphite in >3.7-billion-year-old sedimentary rocks, Isua Supracrustal Belt (ISB), West Greenland, suggest that vast ecosystems of microorganisms were spread in early Archaean oceans. However, more recent studies suggest that most of graphite-bearing rocks were formed through interactions between crustal fluids and surrounding igneous rocks during later metasomatic events, thereby evoking scepticism on the compelling existence of an extensive sedimentary sequence in the ISB and on the biogenic origin of constituents. 13C-depleted graphite globules, which are considered to be formed from biogenic precursors, have been reported from the well-preserved metamorphosed clastic sedimentary rocks in the ISB, however, these were found at a single locality. It therefore remains unknown whether the remnants of life at other localities in the ISB were lost during metamorphism or were originally absent. The additional discovery of clastic sedimentary rocks containing graphite may provide evidence for the preservation of organic constituents in the ISB, thus supporting the suggestion that microbes were flourished in early Archaean oceans. We performed a geological survey along the northwestern area of the ISB. Banded iron formations (BIFs) contain interbedded black to grey schist layers, typically 40-80 cm thick. Rare earth element patterns in the schist samples lie between that in Post Archaean Australian Shale and surrounding BIFs, suggesting that the protoliths of the schist was a mixture of clastic marine sediments and BIFs. The schist samples contain abundant graphite carbon (0.1-8,8 wt% Cgraphite) which indicates -23.8 to -12.5‰ (average, -17.9‰) of δ13Cgraphite values, ranging within values reported in previous studies. Graphite in the secondary vein sample indicates ~ -12‰ of the δ13Cgraphite value. Theoretical δ13C values of fluid-precipitated graphites indicate that the possible lowest δ13C values exceed -16.4‰ when Rayleigh-type isotope fractionation operates in the fluids, suggesting 13C-depleted biogenic organic matter is postulated as an initial carbon source to explain the lightest carbon isotope compositions (e.g., -23.8‰) in this study. Scanning transmission electron microscope (STEM) and high-resolution electron microscope (HRTEM) observations showed that examined metasediment included graphitic polygonal grains and nanotubes, whereas the secondary vein sample included sheeted flake-like graphite grains and showed the absence of polygonal grains and nanotubes. These observations suggest that graphite in the examined metasediment has a different origin from the secondarily derived graphite. Distorted structures observed by STEM and HRTEM are common in pyrolysed and pressurized organic compounds, containing non-planar carbon ring compounds associated with abundant pores. Therefore, we concluded that biogenic organic matter is suggested as the precursors of the graphite in metasediment. High concentrations of 13C-depleted graphite in these rocks would require widespread planktonic microbial activity to support the high rate of production and sedimentary delivery of organic matter to the >3.7-billion-year-old ocean floor. 生命がいつ地球上に誕生したのかは科学史上の大きな問題である。西グリー ンランド・イスア表成岩帯には約38億年前の岩石が分布しており、岩石中からグラファイトが発見されている。この地域の堆積岩中のグラファイトは13Cに欠乏した同位体組成を示すことから最古の生命の痕跡と考えられている。しかしながら、同地域には、変成流体から無機プロセスで沈殿したグラファイトも見つかっており、変質した岩石から生物由来グラファイトと無機由来グラファイトを見分けるのは非常に困難である。この問題の原因は、成因の異なる2種類のグラファイトの地質学的、地球化学的、鉱物学的特徴を詳細に対比していないことにある。本研究では、イスア表成岩帯北西部で新たに発見した黒色片岩中のグラファイトと、同地域の地殻内流体から沈殿した無機由来グラファイトの特徴の対比を行った。発見された黒色片岩は層厚40-80cmで、約250mに渡って縞状鉄鉱層の層理に平行に分布しており、希土類金属元素組成から砕屑性堆積物と縞状鉄鉱層の混合物であることが示された。この黒色片岩層は0.1~8.8wt%のグラファイトを含んでいた。炭素安定同位体分析では、 黒色片岩中のグラファイトの同位体値が-23.8~-14.7‰という不均質な値を示したのに対して、無機由来グラファイトはほぼ均質に-12‰前後を示した。熱力学計算から算出した、変成流体から沈殿するグラファイトがとりうる炭素安定同位体比は-16‰以上であった。このことは、黒色片岩層中のグラファイトが示した軽い同位体値(-23.8‰)は、流体からの沈殿では説明出来ないことを示している。透過型電子顕微鏡による観察の結果、黒色片岩中のグラファイトは数100nmのチューブ状構造や多面体構造を持つ粒子で構成されていたのに対して、無機由来グラファイトは比較的均質なフレーク状構造を持つ粒子で構成されていた。これらの構造の違いは、黒色片岩中のグラファイトの前駆物質が多様な炭素骨格を持つ生物由来有機分子を含んでいたのに対して、無機由来グラファイトは流体から の沈殿時に薄膜状結晶として形成されたことに起因するものと推定した。以上の結果から、イスア地域の生物由来グラファイトと無機由来グラファイトが異なる特徴を持つことを初めて明らかにした。本研究の結果は、約38億年前の海洋に既に浮遊性微生物が繁茂しており、その生産性は炭素に富む堆積層を形成する程高かったことを示唆している。
名古屋大学宇宙地球環境研究所年代測定研究部シンポジウム報告
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