地球惑星科学II (番外編)地球進化史

地球惑星科学II(番外編)
地球進化史
ー46億年史ー
北海道大学・環境科学院
藤原正智
http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/
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地球進化史 ー 46億年史 ー
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年代決定の技術
地質時代区分
地球史七大事件
地球進化史概観
参考文献
・「生命と地球の歴史」丸山茂徳・磯崎行雄著、岩波新書
(次の文献も参照した: 「地学図表」、「はじめての地学・天文学史」、
「進化する地球惑星システム」(東京大学地球惑星システム科学講座編、東京大学出版会))
以下は最新の文献
・「人類進化の700万年-書き換えられる「ヒトの起源」-」三井誠著、講談社現代新書
・「絶滅古生物学」平野弘道著、岩波書店
(教科書「地球惑星科学入門」 の該当箇所は、第II部、特に第14・16・17章)
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年代決定の技術
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層序学: 地層(堆積岩)と化石との対応を調べる学問(18世紀後半~19世紀初頭に誕生、発展)
地層累重の法則: “地層は時間とともに順に積み重なる”
地質時代: 各地層から出土する化石の種類により分類・同定
“顕生代”(古生代、中生代、新生代): 化石として残る骨格を持つ生物が出現した以降の時代
“先カンブリア時代”(冥王代、太古代(始生代)、原生代): 顕生代以前
 生物の誕生・進化・絶滅が示唆される
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絶対年代(放射年代)
幾つかの元素の放射性崩壊の性質を利用する。崩壊速度は元素ごとに決まっている。
崩壊の結果生成する元素も岩石中に固体として残る場合が好都合。質量分析計を用いる。
ウラン-鉛法(半減期7億年)、ルビジウム-ストロンチウム法(半減期488億年)、カリウム-アルゴン法(半減期12.5億年)
α線:Heの原子核(陽子2個+中性子2個)、β線:電子(陽電子含む)、γ線:短波長の光・電磁波
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[地学図表]
地質時代区分
(“紀”名の多くは、初めてその地層が調査された地域名に由来)
[地学図表]
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顕生代の生物
[地学図表]
古
生
代
中
生
代
新
生
代
生きている化石
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地球史七大事件
(1)45.5億年前
地球の誕生
(化石による時間軸から地球物理学的考察による時間軸へ)
(2)40億年前
原始海洋の誕生
プレートテクトニクス
生命誕生
(3)27億年前
強い磁場の誕生
酸素発生型光合成
(4)19億年前
真核生物の誕生
初めての超大陸
(5)7.5~5.5億年前
マントルへ海水注入
硬骨格生物出現
全球凍結?
(6)2.5億年前
最大の生物大量絶滅
(古生代-中生代境界)
(7)700万年前
人類の誕生
[地学図表]
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地球進化史概観(1)45.5億年前
太陽系形成期:
・微惑星の衝突・合体、巨大隕石の落下
・H2、Heは太陽風により剥ぎ取られる
・微惑星よりH2O、CO2、N2が供給される
火星サイズ(現在の0.5倍)まで成長した時、
衝突エネルギーの蓄積+原始大気の温室効果
 マグマオーシャンの形成(地表温度1700℃)
月の形成(マグマオーシャンは地球中心まで?)
岩石から鉄が分離・鉄の沈み込み
 液体金属核の形成
(重力エネルギー解放でさらに高温化)
大気の様子:
・H2Oを主成分とし、地表気圧は数百気圧
・激しい対流が生じ、高度300km付近では、
水の活発な蒸発・凝結・降水が生じていた
・雨はまだ地表に到達せず
[丸山・磯崎]
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地球進化史概観(2)40億年前
冷却降雨が地表に到達原始海洋の誕生
海洋誕生
・大気中からH2Oの大部分が抜ける
・大気中のCO2が海へ大量に溶ける
 大気の温室効果が急減し、地球は急冷した
表層岩石が冷却により剛体化(プレート化)
(上部地殻を形成する花崗岩は、地球だけに大量存在。
水の存在により玄武岩が含水鉱物を作り変質するため。)
 プレートテクトニクスの開始
(海嶺でプレートが生まれ、海溝でマントルへ沈む)
原始生命誕生(38億年前の岩石に有機物生産の証拠)
・有害紫外線を避けた海水中に棲息
・中央海嶺の熱水噴出孔(ブラックスモーカー)
よりエネルギー得ていた
[丸山・磯崎]
* 35億年前の海水総量は現在よりも30%も多い。
 7.5億年前より、マントル内の低温化により、
沈んできた含水鉱物が脱水せず蓄積し始めたことによる。
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地球進化史概観(3)27億年前
[丸山・磯崎]
[地学図表]
地球磁場の急激な強化
・“地球ダイナモ”(外核内対流)にスイッチが入る
・原因諸説あり。(固体核形成開始;マントル対流
が二層から一層へ;地球-月系の力学共鳴)
(地球の歴史を通じ、27億年前と19億年前が、
もっとも激しい火成活動(マグマ生産)がおきた時代)
地表へ降り注ぐ宇宙線量の激減
生物は太陽光エネルギーの利用が可能に
 浅い海へ移動し、酸素発生型光合成を開始
(シアノバクテリア(ラン藻類)によるストロマトライト層状岩石)
CO2+H2O+光エネルギー  有機物+O2
[丸山・磯崎]
(呼吸と有機物の酸化により、正味のO2増はほとんどないが、
有機物が海底に沈殿し堆積岩に固定されると、海洋・大気中
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で(わずかながら)正味のO2増となる。)
地球進化史概観(4)19億年前
放出されたO2はまず海水中に溶けていた
鉄イオンを酸化・沈殿
 縞状鉄鉱層の形成(25~20億年前がピーク)
その後、大気中O2濃度が徐々に増加
・DNA酸化を防ぐ核膜を持つ真核細胞へ進化
・酸化反応により発生する大きな化学
エネルギーを利用、大型化・多細胞化
地球の冷却が進み、マントル対流が組織化
(乱流的  二層対流  一層対流)
スーパーコールドプルームの誕生
・その周辺では全てのプレートが一点に集まる
・大陸の衝突・付加・融合
“ウィルソンサイクル”
超大陸の分裂から次の超大陸誕生まで
(3~9億年周期)
19億年前: ヌーナ超大陸
10億年前: ロディニア超大陸
5.5億年前: ゴンドワナ超大陸
3億年前: パンゲア超大陸
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[丸山・磯崎] (現在、アジアの下にスーパーコールドプルーム形成)
超大陸の消長とプルームテクトニクス
[丸山・磯崎]
地球の冷却  マントル対流の組織化:マントルオーバーターン、プレートの巨大化
・スーパーコールドプルーム  超大陸形成  寒冷化・氷河発達(?)、世界的大海退
・ホットプルーム  火山活動、堆積盆地  粉塵による太陽光遮蔽(むしろ温暖化?)
 光合成停止  海洋酸素欠乏イベント  生物大量絶滅
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地球進化史概観(5)7.5~5.5億年前
7.5億年前:海水がマントルへ戻され始めた
(マントル内部の温度が閾値を下回る)
海水総量が減少(現在も減少中)
 海水準の低下(海退)(陸地面積5%30%)
 陸上に巨大河川発達、大量の堆積物が海へ。
海底に大量の堆積岩生成。
 海水塩分濃度増大; 大気中のO2量急増(*)
4.5億年前オゾン層形成・地表紫外線量減少
・浸透圧上昇により古来の生物は脱水・絶滅
・酸素呼吸型の大型多細胞(硬骨格)生物出現
 生物は海から淡水の河川、陸上へ進出
(様々な化石が堆積岩中に残されるようになる)
(*)現在O2は21%。23~35%を越えると植物は自然発火。
現在はO2が限界まで増加した状況。危険!
酸化エネルギー利用可能; 人類は火を容易に利用。
全球凍結(“Snow Ball Earth”)の可能性
・この時期、2回の大氷河期。氷河性堆積物が当時の赤道域にも。
・理論研究よると、地球システムは、部分凍結状態(現在)、
無氷床状態(白亜紀など)、全球凍結状態(7.5、6億年前?)、
の3つの安定状態を取り得る(気候ジャンプ)。
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・“ice-albedo
feedback”メカニズムが鍵。
[丸山・磯崎]
[丸山・磯崎]
地球進化史概観(6)2.5億年前
P/T境界:古生代-中生代境界(2.5億年前)[内因]
・地球史上最大の生物絶滅事件
(海棲無脊椎動物種の96%が絶滅)
・海洋酸素欠乏イベント(2000万年間)(還元鉄層の存在)
・超大陸パンゲアの形成
三つの事件をつなぐ地球物理学的仮説:
巨大ホットプルーム(パンゲア分裂開始、火山活動激化)
 大気中の粉塵量増大  太陽光遮蔽  光合成衰微
( 有毒火山ガス(CO2)、酸性雨(SO2))
 生物基礎生産に致命的打撃  食物連鎖の崩壊
[地学図表]
K/T境界:中生代-新生代境界(6500万年前)[外因 . . .+]
・恐竜等爬虫類、裸子植物、アンモナイトの絶滅。 哺乳類、被子植物の優勢化
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・直径10kmの巨大隕石の衝突巨大津波、粉塵による太陽光遮蔽、酸性雨 . . . +寒冷化
地球進化史概観(7)700万年前
[地学図表]
700万年前: アフリカで人類が誕生。チンパンジーと分化。
(直立二足歩行、犬歯の縮小)
250万年前: 石器の作製、脳の大型化開始
(この間、体毛の喪失、火の使用)
20万年前: アフリカで新人(ホモ・サピエンス)誕生。シナイ半島
を通り、各地へ拡散。多様化。(言語の使用、芸術)
1.2万年前: (最終氷期終了) 農耕の発明。
5000年前: 四大文明
400年前: 産業革命。工業と科学の発明。 気候改変・大量絶滅
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[丸山・磯崎]
[丸山・磯崎]
大気・海洋の生成と変化
[ 海洋 ]
原始海洋形成(44~43億年前)
CO2飽和の状態で始まる
O2は幾つかの不連続増加を示す
35億年前
27億年前:光合成開始。鉄酸化
 縞状鉄鉱層形成
21億年前
5.5億年前:急増。藻類浅海へ
塩分濃度増大:7.5億年前
海水準低下大陸地殻侵食
( 生物界に多大なインパクト)
[ 大気 ]
原始海洋形成(44~43億年前)  大気中H2O激減。
大気中CO2分圧も10~30気圧程度まで下がる
(cf. 現在の金星が90気圧)
以降、40億年強かけて0.0003気圧まで下がる
・岩石起源Caイオンと結びつき、炭酸カルシウムが沈殿
・27億年前の光合成開始  生物遺骸の沈殿・堆積岩化
O2: 5.5億年前に急増。同時にオゾン層形成開始 15
N2: ほぼ変化なし。生物遺骸の堆積岩化により多少減
まとめ ー 地球進化史 ー
• 年代決定の技術2種
• 年代・時間軸:化石と地球物理学的考察と
• 地球史七大事件
(1)地球の誕生、(2)海洋・プレート・生命の誕生、
(3)磁場・光合成、(4)真核生物・超大陸、
(5)海水減少・化石出現、(6)生物大量絶滅、(7)人類
• 地球史:冷却の歴史。構造化・組織化
• 生命の歴史:固体地球と宇宙の変動に支配。
大量絶滅と新しい生物群の繁殖・拡散
• 生物圏による地球表層環境の改変:
大気・表層の酸化、オゾン層形成、
人類による大気組成改変、などなど
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