地球科学のフロンティア

はじめに

現在、南極の氷床の下で400個の個々の湖が文書化されており、”静的”と水文学的に活性なフロースルー湖の種類が定義されている(Smith et al. ら,2 0 0 9年;WrightおよびSiegert,2 0 1 2年)。 ボストーク湖は、76°と79°Sと100°から107°Eの間にあり、Kapitsaらによるその深さの文書化以来、大きな関心の源となっています。 (1996). 長さ約260km、幅約50kmのボストーク湖は、氷底湖の中で最大の湖である。 湖の水深は500mを超え、約4kmの氷の下にあります(Siegert et al., 2011). 湖の年齢の推定値は、それが〜14Maの間存在していたかもしれないことを示唆し、水の年齢は〜1Maであると推定されている(Siegert et al., 2011). ボストーク氷床コアの掘削は、流星起源の氷河氷の下に200m以上の降着湖の水を回収した(Jouzel et al., 1999). さらなる研究では、タイプ1とタイプ2の降着氷があり、タイプ1は豊富な粒子状物質または”介在物”(深さ3539-3609m)を含み、タイプ2の氷は現在の湖の水位(深さ3610-3623m)に近いが、微粒子が存在しないことが確認された(De Angelis et al., 2004). De Angelis et al. (2004)は、タイプ1の氷は侵食可能な湖の堆積物との浅いembaymentで湖の水から形成され、タイプ2の氷は堆積物のアクセスが最小限であった湖のより深い部分で生成されたと主張した。

南極大陸の氷底環境を直接サンプリングする試みはほとんど行われておらず、ボストーク湖からの降着氷は南極の氷床の下で起こる生物地球化学的過程を垣間見ることができる(Wadham et al., 2010). 湖降着氷の最初の発見以来、多数の研究者が、この降着氷の断片/切片を、その生物学的、生物地球化学的、地球化学的、および鉱物学的特性について分析してきた(例えば、Priscu et al. ら、1 9 9 9;Souchez e t a l. 2000年;Simones et al. ら,2 0 0 2;Royston−Bishop e t a l. ら、2 0 0 5;Bulat e t a l. ら,2 0 0 9;Leitchenkovら,2 0 0 9., 2015). 最近の研究には、再凍結された湖水およびそれに関連する微粒子の分析も含まれる(Leitchenkov e t a l. ら,2 0 1 5;Lipenkovら,2 0 1 5., 2015). 湖の水はまだ直接サンプリングされていないので、湖の化学とそれを制御するプロセスは、降着氷の分析から推測されなければならない。 しかし、これを達成するためには、氷形成中の塩除去/分配、基礎となる地球化学の性質およびそれを制御するプロセス、湖の大きさの長期的な変動、およ, 2011). これらの多くの未知数のために、降着氷の地球化学的/鉱物学的データの異なる解釈がなされている(Laybourn-Parry and Wadham、2014)。 例えば、湖水の熱水の影響、湖水流域材料の化学的風化および加水分解、その場粒子風化、および湖水への主要な溶質の源としての蒸発物質の溶解の役割について厳格な議論が行われている(Jean-Baptiste et al. ら、2 0 0 1;Souchez e t a l. 2003年;ル-ドゥ-アンジェet al., 2004). さらに、タイプ1降着氷で見つかった微粒子が湖流域内の場所からのものであるのか、氷河の氷からの融解からのものであるのかは現在不明である(Souchez et al. ら,2 0 0 0;Royston−Bishop e t a l., 2005). Christner et al. (2006)降着氷の分析から予測された,湖の水の全溶存主要イオン(TDS)の範囲,浅いembaymentで-50mMから湖の深い部分のためのわずか-2mMまで. これは、Priscu et al.による約2mMの浸入水濃度の以前の推定値とは対照的である。 ら(1 9 9 9)およびSiegertら(1 9 9 9)。 (2003).

降着氷解析に関する原著論文が発表されてから15年以上経過したことは明らかであり、湖水の組成や氷中の粒子状物質の供給源についてはコンセンサスが得られていない。 湖の水を直接サンプリングする可能性に加えて、湖の地球化学を評価するためには他のアプローチが必要です。 本稿では、タイプ1降着氷のサンプルからのストロンチウム同位体データを提示し、湖水中の溶質のソースへの新しい洞察を提供し、したがって、より良いシ

方法と結果

深さ3548mのサンプルで、タイプ1降着氷と考えられています(De Angelis et al. Montana State Universityで、Christner e t a l.,2 0 0 4)によって記載された技術を使用して、清浄な条件下で処理した。 (2006). 試料を洗浄した後、予め洗浄したテフロン容器に入れ、オハイオ州立大学に輸送した。 OSUでの処理は、クラス100、陽圧クリーンフードで行われ、そこで溶融した氷サンプルを0.4μ mの核孔メンブレンフィルタを通して濾過した。 Welchらの方法に従ったDionexイオンクロマトグラフを用いて,ろ液の一つのアリコートを主要陽イオンと陰イオンについて分析した。 (2010)、大規模な-350μ lのサンプルループは、方法の感度を改善するために使用されましたが。 重複分析の差によって決定された主要なイオン測定の精度は、Ca2+を除くすべての分析物について<1%であり、これは2%であった。 別のアリコートは、サブサンプルがSr同位体比測定のための84srでスパイクされたクラス100クリーンルームで処理されました。 Srは、<1%の総ブランクレベルでクロマトグラフィーによって単離された。 サブaliquots(変化するボリュームの5)は、87sr/86sr比0.71655±0.00011、および1.036±0の総溶解Sr濃度をもたらす二つの最も信頼性の高い分析の平均で、分析的に区別005-1 すべてのデータを表1、2に示す。

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表1. テキストから要約された選択された材料とボストーク湖タイプ1降着氷(この作品)の87sr/86srとSrとCa濃度の比較。

表2
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表2. ボストーク降着氷サンプル3548mで測定された陽イオンおよびCl濃度.

議論と結論

タイプ1降着氷における87sr/86sr比は、それが凍結した湖の水のSr同位体署名を表すと解釈されます。 濾過された降着氷中で測定されたCa/Sr質量比は2 1 9である(表1)。 氷中の溶存イオン濃度はそれぞれの分配係数の違いによって大きく影響される。 例えば、溶質の乏しい溶液中での実験は、氷中への二価イオンの分配が、Ca2+が〜3x<9 8 1 7>Sr2+であるイオンサイズに関連することを実証した(Killawee e t a l.,1998)実験結果の不確実性に基づいて1.5-5の範囲である。 Killawee et al.の実験的分離係数のこの差を考えると、killawee et al. (1998)湖水中のCa/Sr質量比は、分配係数の不確実性に基づいて-70-44-146の範囲であると推定されている。 De AngelisらのC aデータを使用する。 ら(2 0 0 4)およびGabrielliら(2 0 0 4)からのSrデータ。 (2005)ボストーク氷床コアの最も低い流星セクションから、〜190の平均Ca/Sr質量比が得られる。 これらのデータの比較は、単に氷河の氷の融解よりも別のソースから湖へのSrの流入を示唆しています。

ボストーク氷床コア自体からのエオリアンの”塵”の分析は、87sr/86sr値を0.708047–0の範囲で得た。711254(Basile et al. ら、1 9 9 7;Delmonte e t a l. これは明らかにタイプ1降着氷からの値よりもはるかに少ない放射性である。 したがって、氷河氷自体内の粒子状物質のその場風化は、降着氷、したがって湖水中のSrの唯一の不足しているソースであることはできません。 ガブリエリ他 (2005)は、ボストーク氷中のSrの20と40%の間に間氷期の間に来るより高い割合で海洋エアロゾルの寄与からであることを示しました。 湖水中の溶解したSrの40%が海洋源に由来し、最大87Sr/86Sr比が0.7092であると仮定すると、Srの他の60%は0.72150ドルの比率を持たなければならない。 この値は、海洋源の寄与がより低い場合、すなわち20%で、不足しているSr源の比率が≤0.718である場合、放射性物質が少なくなります。 ボストーク湖は、氷床が少なくとも1400万年の大陸規模であったため、存在していたと考えられている(Siegert et al., 2001). 海洋の87sr/86sr同位体比は、-0からの範囲で、この時間にわたって変化しています。しかし、708から0.709まで(McArthur and Howarth、2004)、それは現代の価値よりも高くはありませんでした。 したがって、私たちの計算は、海水の87sr/86sr組成の最大値に基づいています。 降着氷から得られたSr同位体比を説明するためには,Srのより多くの放射源が必要である。 このより多くの放射源は、湖流域自体内の地質材料の化学的風化から来る必要があります。

大陸地殻の岩石は、幅広いSr同位体組成を持つことができます(Faure and Powell,1972)。 参考のために、南極のMcMurdo Dry Valleyに見られる様々な岩石タイプの87Sr/86Sr比は、約0.705〜0.750の範囲であり、いくつかの鉱物分離ははるかに高い(Lyons et al., 2002). 一般に、長石はK+とRb+が豊富であり、したがって、87rbの崩壊からより多くの放射性87srを有する。 湖底岩石学のSr同位体組成は知られていない。

主要なイオンデータは、湖流域からの陽イオンの化学的風化寄与の考えも支持している。 すべてのCl−存在が海洋源/エアロゾルからのものであると仮定すると、海水のcl−比に対する陽イオンを使用して、サンプル中の陽イオンの化学風化の寄与を計算することができます。 これは5.2μ m Na+、0.7μ m K+、3.5μ m Mg2+および5.3μ m Ca2+の化学風化からの集中をもたらします。 Mg/NaおよびCa/Naモル比は、この組成を、全球の大河川を表す値の中央に置く(Gaillardet e t a l., 1999).

東南極は、最初は先カンブリア時代に形成されたかなり安定したクラトンであると考えられている。 Leitchenkov et alの最近の研究。 (2015)は、湖の氷からの堆積岩クラスター中のジルコンとモナザイトが0.6から2.0Gaまでの年齢をもたらし、0.8–1.15と1.6–1.8Gaの二つの異なるクラスターを持つことから、この概念を支持している。 地球物理学的調査は、盆地が最初に提案されたように中生代の裂け目であるという考えを否定する地下岩の上に堆積物がないことを示している(Leitchenkov et al., 2015). 地球物理学的データはまた、現在の火山活動や湖に関連する他のマグマ活動を示唆しておらず、低熱流は800Ma以上の地殻年齢と一致している(Studinger et al., 2003). 私たちの87sr/86srデータは、Srの主な供給源、そしておそらく湖への他の溶質は、湖流域内のアルミノケイ酸塩鉱物の化学風化であることを示しています。

古い大陸クラトンを排水する水の地球化学との比較として、カナダのシールド流域を排水する川からのデータは、87sr/86sr比を0.7346と0の間で得ます。およびCa/Sr質量比が≧4 3 0〜≧4 8 0である(Millot e t a l., 2003). しかし、Blum and Erel(1997)は、氷河堆積物の風化の初期段階で87Srの優先可溶化を実証している。 したがって、我々は、これらの非常に古い流域材料との水の接触の長い期間を反映するために、我々が測定した中間値(これらのカナダのシールドと海水の間) この議論はまた、タイプ1降着氷の中の”介在物”として見出される鉱物の種類によって部分的に支持されている。 Christner et al. (2006)は、降着氷中の黒雲母、カリウム長石、斜長石および石英を報告しており、黒雲母のいくつかは氷河によって粉砕されているように見えた(Priscu et al., 1999). 雲母などの鉱物の溶解に由来するSr同位体署名は、タイプ87sr/86sr値1降着氷の原因となる可能性があります。 Anderson et al. (1997)は、氷河化された流域は、方解石と黒雲母の粉砕と優先的な溶解のために、排水水中で比較的高い溶解Ca2+とK+を有する傾向があることを明らかに示 87sr/86sr値は、大陸地殻に関連するより多くの珪長質鉱物成分がsrの主要な供給源であり、おそらく湖水への他の溶存陽イオンであるという概念を明 これらのデータは、wadhamらによって最初に示唆されたように、アルミノケイ酸塩鉱物風化がボストーク湖の水の溶質の主要な供給源であるという考えを支持 (2010). この風化が主に粒子が湖に懸濁されている間に起こるのか、湖底の堆積物として起こるのか、地下岩の風化から起こるのかはまだ不明である。 今後の研究には、降着氷中の粒子の地球化学の研究と、2型降着氷中のSr同位体の分析が含まれ、陽イオンの源を湖にさらに制限する必要があります。

著者の貢献

WLはこの研究のリードです。 WL、JP、およびMT. その背後にある研究と基本的なアイデアを考案しました。 GRおよびKWはサンプル処理と助けた。 KWはイオン分析を行った。 すべての著者はアイデアを寄稿し、原稿の執筆と編集を支援しました。

利益相反声明

著者らは、この研究は潜在的な利益相反と解釈される可能性のある商業的または財政的関係がない場合に行われたと宣言している。

謝辞

この研究は、米国国立科学財団がJPにNSF0085400およびNSF0237335を、英国NERC Studentship NER/S/A/2002/10332をGRに助成したことにより支援されました。 さらに、Sr同位体分析はNSF grant EAR-0127546を通じてサポートされているOSUのK.A.Foland博士の研究室で行われました。 私たちはK.A.FolandとJ.S.に感謝しています 同位体分析を行うためのLinder。 私たちは、氷のコアの処理、清掃などに関わるすべての人に感謝します。 特にブレント-クライストナー博士 私たちは、コメントと指導が大幅に明確にし、私たちの散文を強化しているこの原稿の三つのレビュアーに感謝します。ることができます。

Anderson,S.P.,Drever,J.I.,And Humphrey,N.F.(1997). 氷河環境での化学風化。 地質学25,399-402.

とができることを示している(1 9 9 7年)。 パタゴニア氷期2、4、6の間に東南極(ボストークとドームC)に堆積した氷の塵の起源。 地球の惑星。 サイ… レット 146, 573–589. doi:10.1016/S0012-821X(96)00255-5

CrossRef全文|Google Scholar

およびErel,Y. 花崗岩土壌のRb-Sr同位体系クロノシークエンス:黒雲母風化速度の重要性. ジオヒム コスモシム 61-3193-3204 doi:10.1016/S0016-7037(97)00148-8

CrossRef全文|Google Scholar

ブラット,S.A.,Alekhina,I.A. とができるようになることを期待しています。 ボストーク氷床コア、東南極の氷と湖の氷の微生物の細胞濃度。 微生物学78,808-810. doi:10.1134/S0026261709060216

CrossRef全文|Google Scholar

Christner,B.C.,Royston-Bishop,G.,Foreman,C.M.,Arnold,B.R.,Tranter,M.,Welch,K.A.,et al. (2006). 南極大陸のボストーク湖の氷河下でのLimnological条件。 リムノール オーシャノグルー 51, 2485–2501. 土井:10.4319/lo.2006.51.6.2485

CrossRef全文/Google Scholar

ることができると考えられています。 古代の蒸発型貯水池のボストーク湖の化学への貢献。 地球の惑星。 サイ… レット 222, 751–765. doi:10.1016/j.epsl.2004.03.023

クロスリファレンス全文/Google Scholar

デルモンテ,B.,Basile-Doelsch,I.,Petit,J.R.,Maggi,V.,Revel-Rolland,M.,Michard,A.,et al. (2004). 過去222,000年のエピカとボストークの塵の記録を比較する: 氷期における層序的相関と起源。 地球よサイ… 66,63-87 土井:10.1016/j.earscirev.2003.10.004

CrossRef全文/Google Scholar

Faure,G.,およびPowell,J. ストロンチウム同位体地質学、Vol. 5. ハイデルベルク(Heidelberg)は、ドイツ連邦共和国ニーダーザクセン州ザムトゲマインデ-ザムトゲマインデ(

Gabrielli,P.,Planchon,F.A.M.,Hong,S.,Lee,K.H.,Hur,S.O.,And Boutron,C.F.(2005). 最後の4つの気候サイクルの間にボストーク南極の氷の微量元素。 地球の惑星。 サイ… レット 234, 249–259. doi:10.1016/j.epsl.2005.03.001

CrossRef全文/Google Scholar

とができるようになりました。 大河川の化学から推定された世界的なケイ酸塩風化とCO2消費率。 ケム ゲオル 159, 3–30. ドイ:10.1016/S0009-2541(99)00031-5

CrossRef全文|Google Scholar

Jean-Baptiste,P.,Petit,J.R.,Lipenkov,V.Y.,Raynaud,D.,And Barkov,N.I.(2001). ヘリウム同位体からのボストーク湖における熱水プロセスと水交換に関する制約。 自然411,460-462. 土井:10.1038/35078045

Pubmed要約/CrossRef全文/Google Scholar

Jouzel,J.,Petit,J.R.,Souchez,R.,Barkov,N.I.,Lipenkov,V.Y.,Raynaud,D.,et al. (1999). 南極大陸のボストーク湖の氷の上に200メートル以上の湖の氷。 科学286,2138-2141.

PubMed Abstract/Google Scholar

ることができると考えられている(1 9 9 6年)。 中央東南極の氷の下に大きな深い淡水湖。 自然381、684-686。 土井:10.1038/381684a0

CrossRef全文|Google Scholar

ることができると考えられている。J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,J.L.,Janssen,L.,およびL.L.,R.(1998). 希薄溶液の実験的凍結における溶質およびガスの偏析:自然氷河系への影響。 ジオヒム コスモシム 62,3637-3655 doi:10.1016/S0016-7037(98)00268-3

CrossRef全文|Google Scholar

Laybourn-Parry,J.,And Wadham,J.L.(2014). 南極の湖。 オックスフォード大学出版局(Oxford University Press)。

ることを可能にすることを目的としています。 ボストーク湖の地質と環境。 フィロス トランス ロイ Soc. 374:20140302. ドイ:10.1098/rsta.2014.0302

PubMed要約/CrossRef全文/Google Scholar

とができるようになることを期待しています。 降着氷の物理的および同位体特性から見た氷底湖ボストークの特性評価。 フィロス トランス ロイ Soc. 374:20140303. ドイ:10.10.1098/rsta.2014.0303

クロスリファレンス全文

Lyons,W.B.,Nezat,C.A.,Benson,L.V.,Bullen,T.D.,Graham,E.Y.,Kidd,J.,et al. (2002). 南極ビクトリアランド南部のテイラーバレーの河川と湖のストロンチウム同位体署名:極地気候における化学風化。 アクアト ジオケム 8, 75–95. doi:10.1023/A:1021339622515

CrossRef全文/Google Scholar

とができるようになった。 “Strontium isotope stratigraphy,”In A Geological Timescale2004,Chapter:Strontium Isotope Stratigraphy,eds F. Gradstein J.Ogg,And A.Smith(Cambridge:Cambridge University Press),96-105.

とができるようになりました。 北緯の化学風化率:カナダのマッケンジー川流域からの手がかり。 ジオヒム コスモシム アクタ67,1305-1329. doi:10.1016/S0016-7037(02)01207-3

CrossRef全文|Google Scholar

Priscu,J.C.,Adams,E.E.,Lyons,W.B.,Voytek,M.A.,Mogk,D.W.,Brown,R.L.,et al. (1999). 南極大陸のボストーク湖の上の氷の下の氷の地質学的生物学。 科学286,2141-2144. 土井:10.1126/科学。286.5447.2141

Pubmed要約/CrossRef全文/Google Scholar

Royston-Bishop,G.,Priscu,J.C.,Tranter,M.,Christner,B.,Siegert,M.J.,And Lee,V.(2005). 氷底ボストーク湖、南極上の降着氷への微粒子の取り込み。 アン グラシオール 40, 145–150. 土井: 10.3189/172756405781813555

CrossRef全文|Google Scholar

Rudnick,R.L.,And Fountain,D.M.(1995). 大陸地殻の性質と組成-より低い地殻の視点。 地球物理学博士。 33, 267–309. doi:10.1029/95RG01302

CrossRef全文/Google Scholar

ジーガート,M.J.,Ellis-Evans,J.C.,Tranter,M.,Mayer,C.,Petit,J.R.,Salamatin,A.,et al. (2001). ボストーク湖および他の南極氷床湖における物理的、化学的および生物学的プロセス。 自然414、603-609。 doi:10.1038/414603a

PubMed要約/CrossRef全文/Google Scholar

とができるようになることを期待しています。 「Vostok Subglacial Lake:その発見と地形設定に関する地球物理学的データのレビュー」、Antarctic Subglacial Aquatic Environments,m.

とができるようになりました。 ヴォストーク湖の水理地質学と南極氷床湖における生命の可能性。 ハイドロル プロセス。 17, 795–814. ドイ:10.1002/hyp.1166

CrossRef全文/Google Scholar

Simones,J.C.,Petit,J.R.,Souchez,R.,Lipenkov,V.Y.,deAngelis,M.,Leibao,l.,et al. (2002). ボストーク氷床コアの最も深い89mの氷の粉の証拠。 アン グラシオール 35, 340–347. 土井: 10.3189/172756402781816816

CrossRef全文|Google Scholar

とができるようになりました。 ICESat(2003-2008)によって検出された南極大陸の活動的な氷床湖の目録。 J.Glaciol。 55, 573–595. 土井:10.3189/002214309789470879

CrossRef全文/Google Scholar

ることができると考えられています。 既存の氷コアデータと新しい氷コアデータからボストーク湖の行動を再評価する。 地球の惑星。 サイ… レット 217, 163–170. doi:10.1016/S0012-821X(03)00588-0

CrossRef全文|Google Scholar

ることができると考えられています。 南極大陸中央部のボストーク湖での氷の形成。 地球の惑星。 サイ… レット 181, 529–538. 土井:10.1016/S0012-821X(00)00228-4

CrossRef全文|Google Scholar

Studinger,M.,Bell,R.E.,Karner,G.D.,Tikku,A.A.,Holt,J.W.,Morse,D.L.,et al. (2003). 氷のカバー、風景の設定、およびヴォストーク湖、東南極の地質学的なフレームワーク。 地球の惑星。 サイ… レット 205, 195–210. doi:10.1016/S0012-821X(02)01041-5

CrossRef全文|Google Scholar

とができるようにすることを目的としています。 氷の下での生物地球化学的風化:サイズの問題。 グロブ バイオゲオケム 24:3025 doi:10.1029/2009GB003688

CrossRef全文|Google Scholar

Welch,K.A.,Lyons,W.B.,Whisner,C.,Gardner,C.B.,Gooseff,M.N.,McKnight,D.M.,et al. (2010). 南極のテイラーバレーにおける氷解水の流れの地球化学における空間的変化。 南極大陸 サイ… 22, 662–672. doi:10.1017/S0954102010000702

CrossRef全文/Google Scholar

ることができます。 南極氷床湖の第四の目録。 南極大陸 サイ… 24, 659–664. 土井:10.1017/S095410201200048X

CrossRef全文|Google Scholar

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