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| ミランコヴィッチメニューへ戻る 東南極のエオリアンダスト（EPICA-Dome CとVostok）過去800年の氷河期の起源 Aeolian dust in East Antarctica (EPICA‐Dome C and Vostok): Provenance during glacial ages over the last 800 kyr 抄録 [1] 南極のアイスコアにアーカイブされたエオリアンの鉱物性ダストは、第四紀の気候進化の重要なプロキシを示している。極地の氷からの最も長く、最も詳細なダストと気候のシーケンスは、今日、VostokとEPICA-Dome C (EDC)のアイスコアによって提供されている。ここでは、ストロンチウムとネオジムの同位体をトレーサーとして用いて、初期更新世から中期更新世の氷河期に東南極に飛来した塵埃の地理的起源を調査している。南極ダストの同位体シグネチャーは、EDCコアから推論されたように、海洋同位体ステージ（MIS）8、10、12、そしてMIS16と20に遡って、支配的な南米起源であることを示唆している。データは、過去800年の間に南米から南極大陸の内陸部へのダストの効率的な移動を可能にする持続的な全体的な西風循環パターンの証拠を提供する。古い氷河期と最近の氷河期の間のいくつかの小さいが有意な非類似性は、古代の氷河期にパタゴニアの貢献がわずかに減少したことを示唆している。 1. 序論 [2] 第四紀における大気塵の変化の評価と主要な塵源域の特定は、古気候研究の重要な課題であり[Kohfeld and Harrison, 2001]、GCMシミュレーションのための基本的なインプットである[例：Mahowald et al., 1999]。更新世後期と完新世の古塵循環は、東南極中央部で回収された多数の氷床コア[Bigler et al., 2006; Delmonte et al., 2004a, 2004b]によってよく記録されているが、Vostok (78°28′ S, 106°48′ E)の氷床コア[Petit et al., 1999; Raynaud et al., 2005]とEPICA (European)の氷床コアのみが、古気候研究の重要な課題となっている。2005] と EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) アイスコア [EPICA Community Members, 2004; Wolff et al., 2006; Jouzel et al., 2007]のみが、ドームC (EDC, 75°06′ S, 123°21′ E)で掘削された気候記録をはるかに遡って中・前期更新世にまで拡張することができた。 東南極台地に到達したエオリアン鉱物は、南半球の大陸大陸から長距離の風を受け、対流圏中層から高層へと運ばれる。東南極高原に到達したエオリアン鉱物は、南極大陸大陸からの長距離風上を経て、対流圏中層から対流圏中層へと輸送されてくる。典型的な濃度は、間氷期にはEDCとボストークの両サイトで約15μg kg-1 (ppb)、氷河期には約800μg kg-1となっています。氷河期/間氷期のダスト濃度比は平均で約50であり、寒冷期に積雪量が減少したためにフラックスが約25倍になった[Lambert et al., 2008]。氷河期の比較的高いダスト濃度は、大陸部の乾燥、一貫した一次ダスト生産、大気浄化の減少、水文循環に関連した大気中のダスト負荷の増大を反映している[例：Yung et al.] 風化と氷河の粉砕が主要な役割を果たしたが、低海面期の露出した大陸棚の寄与は議論の余地がある [Basile et al., 1997; Wolff et al., 2006; Zarate, 2003; Gaiero, 2007]。逆に、氷河期と間氷期の間の全体的な平均輸送（表面風、大気循環、南極上の子午線輸送）のわずかな変化だけが、最近のモデリング研究によって示唆されている[Krinner and Genthon, 2003]。  図１ EDCとVostokのダストと気候の記録。(a) EDC氷床コアからの重水素記録 [Jouzel et al., 2007]はMIS 20.2までの南極の第四紀気候変動を示す。(b) コールターカウンター測定によるEDCダスト濃度 [Lambert et al., 2008]。データはEDC3年代スケール[Parrenin et al., 2007]でプロットされ、氷1kgあたりの鉱物性ダストのμg(ppb)で表されている。(c) GT4タイムスケール[Petit et al., 1999]に基づいてプロットされたボストークダスト濃度の記録。点線は最近の気候記録の延長線上にある[Raynaud et al., 2005]。短点線の水平線は、過去の研究で分析された氷河サンプルの平均年齢を示す[Basile et al., 1997; Delmonte et al., 2004a]。灰色のボックスは、本研究で選択されたサンプルを示す。数字は海洋同位体ステージ(MIS)に対応し、偶数は氷河期の年代を、奇数は間氷期のステージを示す。 4] 今日の南極大陸に到達する大陸性ダストの地理的起源を理解することは、環境と大気循環レジームの過去の変化を追跡するために不可欠である。この目標は、ダストのSrとNdの同位体組成として適切なトレーサーを用いることによって達成できる。南極のダストは、粘土、石英、長石などの一般的な堆積物鉱物から構成されている[Gaudichet et al., 1988]。最終氷期最盛期（約18 kyr B.P.）の氷から採取されたダストの87Sr/86Sr及び143Nd/144Nd（ɛNd(0))の同位体比が最初に発見されて以来、その供給源がアルゼンチンのパタゴニアであることが明らかになった[Grousset et al., 1992]。同位体研究[Basile et al., 1997; Delmonte et al., 2004a, 2004b]は、サンプリングを異なる東南極掘削地点にまで拡大し、後期第四紀氷河期の間の東南極におけるダストの支配的な南米起源の考えを裏付けるものであった。 これまでのところ、SrとNdの同位体データは、最近の氷河期（MIS2、4、6）については合理的に記録されているが、MIS8、10、12については非常に乏しく、それ以前には存在しなかった。本研究では、SrとNdの同位体を用いて、東南極におけるダストの記録を、MIS 6以前の古代更新世の氷河期までさらに遡って、前例のない期間に渡って調査し、拡張した。 2. 材料と方法 5] EDCではMIS 8, 10, 12, 16, 20、ボストークではMIS 8, 10, 12の合計8つのサンプルが作成された（表S1）。これは、散発的な火山活動によって放出された物質が、大陸のランドマークからデフレーションされたバックグラウンドダストの組成に影響を与えることを避けるためである。試料の処理とダスト抽出のための手順は、以前の分析で採用されたプロトコール[Basile et al., 1997; Delmonte et al., 2004a]に従っている。 各サンプルについて、約15mlの液体のアリコートを微粒子濃度と粒度分布測定のために使用した（補助資料を参照）。各試料から抽出されたダストの量は、∼120μgから∼600μg(表S1)と非常に少なかったため、このような微小な試料の化学処理とSrとNdの抽出のための専用ラインの開発が必要となりました(補足資料に詳細が記載されています)。ネオジムは、マルチダイナミックモードの5コレクターFinnigan® MAT261熱イオン化質量分析計(TIMS)でNdO+として分析され、ストロンチウムはTa-酸化物活性化剤を使用したThermo Scientific TRITON TIMSで分析されました。 3. 結果と考察 3.1. 東南極氷河塵 6] 本研究の結果は、書誌データとともに図2（および表S2とS3）に報告されている。全体的に、更新世南極氷河ダスト（MIS 2からMIS 20、n = 31）の同位体フィールドは、平均87Sr/86Sr値0.709009と平均ɛNd(0)値-1.60を中心に囲まれている。EDC（MIS 2～MIS 20, n = 11, 平均87Sr/86Sr = 0.708836; 平均ɛNd(0) = -1.85）とVostok（MIS 4～MIS 12, n = 13, 平均87Sr/86Sr = 0.709359; 平均ɛNd(0) = -1.80）の同位体フィールドは明らかに重なっています。 80)の氷河ダストは明らかに重なり合っている(図2)。このことは、エオリアン鉱物ダストの共通の起源は、少なくとも過去450年(MIS 12)の間にあるという考えを拡張するものである。 しかし、単一の気候段階を考慮した場合、2つのアイスコアの間にはいくつかの違いが生じますが、それぞれのEDCとVostokのサンプルの時間代表性の違いを考慮して解釈しなければなりません（表S1と補助資料を参照してください）。約84%のデータが0.70377 < 87Sr/86Sr < 0.710641と-6.1 < ɛNd(0)< +2.9の範囲に入っている（平均値±2σ、図2の破線参照）。現在利用可能な全データから、過去の研究で得られた2つのサンプル（古いドームCコア[Grousset et al., 1992]とVostok氷床コア[Basile et al., 1997]）のɛNd(0)値は、異常に高い値を示しています。これらの値は火山の寄与の可能性を示唆しているが、著者らはコアを選択する際に火山灰層(ECMプロファイル)を捨てている[Basile et al., 1997]ので、これらの点をデータセットから除外する理由はない。  図2 図形ビューアで開く パワーポイント 87Sr/86Sr対ɛNd(0)の東南極氷期ダストの同位体シグネチャ。黒丸はMIS 8, 10, 12, 16, 20のEDCサンプル（本研究）、灰色丸はMIS 2, 4, 6のEDCサンプル（Delmonteら、2004a）、青四角はMIS 8, 10, 12のVostokサンプル（Delmonteら、2004a。2004a; 本研究]; 青色の四角は、MIS 4と6からのVostokサンプル[Basile et al., 1997; Delmonte et al., 2004a]、白いダイヤは、他の東南極の掘削現場（旧ドームC [Grousset et al., 1992]、ドームBとKomsomolskaya [Delmonte et al., 2004b]）から得られたMIS 2からのサンプル。グレーとシアンの領域は、利用可能なデータに基づいて任意に描かれたEDCとVostokの同位体フィールドを示し、破線は、サンプルの全母集団について計算された平均±2ɛσ区間に含まれるデータを包含している（本文参照）。データは表S2に報告されています。 7] データを詳細に調べると、最近の氷河期(MIS 2, 4, 6)とそれより古い氷河期の間で143Nd/144Ndにわずかな違いがあり、後者は前者に比べてNdの放射性がわずかに低いことがわかった(図2, 3)。全データから、MIS 2, 4, 6の87Sr/86Srの平均値は0.708789であり、平均ɛNd(0)は約-0.7(n = 20)であった。MIS 8から20(n = 11)では、87Sr/86Srの平均値は0.709409、Nd(0)の平均値は-3.22となり、平均値は約2.5となりました。2つのアイスコアを別々に考えると、最近の氷床と古い氷床の間のΔɛNd(0)は、ボストークでは約3.6、EDCでは約1.4となります（図3）。これらの差は小さいですが、Vostok MIS 8, 10, 12 [Delmonte et al., 2004a]の3つの文献データに同じ証拠が存在することから、今回の研究で採用された分析方法と過去の研究で採用された分析方法の違いによるバイアスの可能性は除外されると考えられます。  図3 図形ビューアで開く パワーポイント 最近及び古代の氷河期におけるEDC及びボストク氷河ダストの平均同位体組成とオーストラリア及び南アメリカのデータとの比較。EDCとVostokの平均87Sr/86SrとɛNd(0)同位体組成（標準偏差）は、最近の氷河期（EDCのMIS 2から6、灰色の円、VostokのMIS 4と6、シアン色の四角）と古い時代（EDCのMIS 8、10、12、16、20、黒丸、VostokのMIS 8、10、12、青の四角）のために計算されています。赤色の三角形は、パタゴニア堆積物（上の三角形）とP.A.P.のエオリアンダスト（下の三角形）[Gaiero, 2007; Delmonte et al., 2004a]、赤色のダイヤモンドは、アルゼンチンの黄土のサンプル[Delmonte et al. 2004a]; 灰色の丸印はパンペアン黄土サンプル、63μm以下の分率 [Gaiero, 2007]；黄色の丸印は[Gaiero et al., 2007]からの最近のパタゴニアの試料（表層土、河川堆積物、エオリアンダスト）、63μm以下の分率. 緑の四角、東オーストラリアのPSAからの微細粒度(<5μm)のサンプル [Revel-Rolland et al., 2006]. 緑のダイヤモンド、オーストラリアのサンプルの平均値と標準偏差。 3.2. 地理的根拠 8] 発生源の特定は、氷河ダストと潜在的な発生源地域（以降PSA）からのサンプルを比較して行われる。これらの試料は、鉱物エアロゾルの活動源となっている（一次的または二次的な）南半球の地域から採取された、あるいは過去に採取された混合堆積物で構成されている[例：Grousset and Biscaye, 2005]。さらに、PSAサンプルは、南極に到達したエオリアン鉱物は、典型的には、直径が5μmよりも小さく、2μmのモーダル値の周りによくソートされた単一のマイクロメートルサイズの粒子から構成されているので、氷床コアから回収されたものと同等の粒径での分析を必要とする。実際、粒子径の関数として無視できないほどのSr同位体分画が起こることが知られている[Gaiero, 2007; Gaieroら, 2007; Revel-Rollandら, 2006; Delmonteら, 2004a, 2004b; Basileら, 1997]。 9] 南半球のPSAサンプルの初期の研究[Revel-Rolland et al., 2006; Delmonte et al., 2004a; Basile et al., 1997; Grousset et al., 1992]では、南アメリカの微粒(<5μm)サンプルで定義された同位体フィールドが、南極の氷河ダストを完全に包含していることが明らかになった。このことから、南アメリカは第四紀後期の寒冷期のダストの主要な供給源であると考えられていた。この点で、この研究からの新しいデータは、この証拠をMIS 20まですべての方法で拡張することを可能にし、過去800年の間、基本的に持続的な大気輸送とダストの起源の最初の証拠を提供する。 10] しかし、南半球のPSAに関する先駆的な調査では、南アメリカ南部の特定の起源地域を特定することはできませんでした。最近になって[Gaiero et al., 2007; Gaiero, 2007]、現在[Prospero et al., 2002]と過去[Zarate, 2003]の両方で、南米から南高緯度の高緯度に長距離輸出された塵埃の最も活発な源域はパタゴニアの北側であり、プナアルティプラノ高原(Puna-Altiplano Plateau, P.A.P.)に位置する高緯度の源域である可能性が高いことが指摘されている[10]。 逆に、地形学的・古気候学的な証拠から示唆されるように、アルゼンチンの黄土地域は更新世の氷河期にはダスト源ではなかった可能性が高い [Zarate, 2003; Gaiero, 2007]。 11] アイスコアダストの同位体組成は、アルゼンチン中央部で採取された微粒(<5μm)黄土のサンプルと一致していることが観察された(図3)。Gaiero[2007]の仮説によれば、アルゼンチンの黄土類堆積物と南極のダストは同じ一次起源のものであり、その同位体組成は、パタゴニア堆積物とエオリアンダストの混合であることを示している（図3参照）。 同様に、アルゼンチン黄土とパタゴニア堆積物の粗粒分率（<63μm）（図3）は、Sr同位体分別を考慮した場合、氷床ダスト組成とよく一致することが示された[Gaiero, 2007]。異なる書誌情報源からのバルク（すべてのサイズを含む）南米試料の同位体データを考慮した場合も、同じ結論が導き出される[Smith et al., 2003; Gallet et al., 1998]。 3.3. 古い氷河と最近の氷河 12] 古い氷河と最近の氷河の間のわずかな違い（図3）は、ほとんどの場合、相対的なダストの混合のわずかな変化に起因するものである。南極のダストは主に2つの末端メンバーの混合物で構成されていると仮定すると、1つの可能性として南米から輸出されたダストの組成の変化が考えられる。この場合、MIS2〜6で推定されたパタゴニアのダストの寄与率は、平均値を考慮すると、より古い氷河期では約95%であり、約85%にまで減少します。これらの割合は単一のMISを考慮した場合、MIS2とMIS4ではほぼ純粋なパタゴニアンダストの寄与からMIS8では約75-80%にまで変化します[13]。 13] あるいは、南アメリカと東オーストラリアの混合物を想定することもできる（図 3）。東オーストラリアのエンドメンバーを考慮に入れると、MIS2,4,6で推定されるほぼ純粋なパタゴニアのシグネチャー（約95％）は、より古い氷河期には平均して70-90％にまで減少します[14]。 14] いずれの場合も、氷河期の間の同位体比の違いは、MIS 6よりも古い氷河期（約130-190 kyrs B.P.）の間の東南極へのパタゴニアダストのわずかな寄与を反映している可能性が高い。これは、粉塵輸送パターンの変化や一次粉塵生産量の変化を反映している可能性がある。EDC [Lambert et al., 2008]から得られたエオリアンダストサイズの500年前からの記録は、輸送に直接関係するパラメータであるが、MIS 2, 4, 6とMIS 8, 10, 12の間に有意な差を示しておらず、輸送の変化が観測された地球化学的変動の原因ではないことを示唆している。 古代氷河期にパタゴニアの起源の強さがわずかに減少したか、あるいは他の南米の州からの寄与が比較的重要になったのではないかという仮説は妥当なものです。パタゴニアのソースが弱くなると、最終的には、氷河のカバー率の変化に関連して、細かい氷河物質の産出量が減少する可能性が出てくる。残念ながら、長い大陸記録がないため、中・前期更新世のこれらのパラメータのさらなる評価は困難である[15]。 15] 新しいデータは、南極大陸上の持続的な西風循環パターンの証拠を提供し、更新世の氷河期から紀元前800年までの間に、南アメリカから東南極台地の内部へのダストの効率的な移動を可能にした。 謝辞 16] この研究は、FP6「欧州研究領域の構造化」プログラムの下で欧州共同体研究インフラアクションが提供するSYNTHESYSの資金援助を受けて、スウェーデン自然史博物館で実施された。これは、欧州委員会が資金を提供し、ベルギー、デンマーク、フランス、ドイツ、イタリア、オランダ、ノルウェー、スウェーデン、スイス、英国からの国別拠出金により実施されたESF（欧州科学財団）/欧州共同科学プログラムである「南極におけるアイスコーリングのための欧州プロジェクト」（EPICA）への貢献である。原稿修正に協力していただいた D.Gaiero 氏、有益な議論をしていただいた D.Sugden 氏に感謝する。ロジスティックな支援は、IPEVとPNRAがドームCで、AWIがドローンニング・モード・ランドで提供した。これはEPICA出版物191です。 Reference Basile, I., et al. 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