超大陸サイクルが駆動する顕生代の海水 Mg/Ca 変動

移動する大陸とともに変わる海

地球の海は時を超えて不変に見えるが、その化学組成は過去5億4千万年で劇的に変化してきた。本研究は一見単純だが気候や海洋生物に大きな影響を及ぼす問いを投げかける。なぜ海水中のマグネシウムとカルシウムのバランスは時代を通じて変動してきたのか？答えはプレートテクトニクスという深部の原動力、古代の超大陸の生成と崩壊、そして海底岩石や堆積物を作る鉱物に結びつく。

なぜマグネシウムとカルシウムが重要か

マグネシウムとカルシウムは海水中で最も豊富な陽イオンの一部であり、その比は貝殻やサンゴ礁、化学的堆積物でどの炭酸塩鉱物（アラゴナイトか方解石か）が形成されやすいかを制御する。また、この比は寒冷な“アイスハウス”と温暖な“グリーンハウス”気候の間の変化を反映する。古い塩の微小な封入液や化石炭酸塩の化学組成といった地質学的手がかりは、海水のMg/Ca比がある時期には1未満であった一方、現在では約5に達していることを示す。こうした変動は海底や海洋生物の骨格を支配する鉱物を変え、主要な気候転換と一致している。

同位体で読み取る海の記憶

長期的変化を駆動したプロセスを特定するのは困難だった。河川はマグネシウムとカルシウムを海へ供給し、一方で地殻や海底堆積物内の反応はマグネシウムを除去し多くの場合カルシウムを付加する。主要な沈着場所としては、変質した海洋地殻内で生成されるマグネシウム含有珪酸塩鉱物や粘土、そして海洋堆積物中に形成される炭酸塩鉱物ドロマイトがある。著者らは微妙な手がかりを利用した：珪酸塩鉱物とドロマイトはマグネシウム同位体を逆方向にシフトさせる。海水中の総マグネシウム濃度の記録とマグネシウム同位体の傾向を組み合わせ、逆問題モデルを構築して過去の各時期にどの沈着過程がどれほど働いていたかを推定した。

深時間にわたるフラックスのたどり

何百万ものモンテカルロシミュレーションを用い、モデルは観測される元素および同位体の履歴を再現するための河川供給、珪酸塩生成、ドロマイト化の組み合わせを探索した。その結果、河川供給は妥当な範囲内でのみ穏やかに変動し、主要な駆動因ではないことが示された。代わりに、マグネシウムが珪酸塩鉱物やドロマイトへ取り込まれる強さの大きな変動が物語の主役であった。海水中のマグネシウムが増加しMg/Ca比が上がる時期は、海底の珪酸塩変質とドロマイト形成の両方が弱まっていた時期に対応する。これらの沈着が強まるとマグネシウムはより効率的に海水から除かれ、比は下がり海は方解石優勢の条件へ戻った。

超大陸が作るマスター・スイッチ

これら鉱物沈着の強さの変化は、超大陸サイクル—パンゲアのような巨大な陸塊のゆっくりとした集積、安定、分裂—と密接に結びついていることが明らかになった。大陸の集積や大規模な大陸間衝突の間は海底拡大が鈍り、気候は冷却しやすく、海底の熱水変質が減少しドロマイト形成に適した条件も制限される。その結果マグネシウムは海中に蓄積しMg/Ca比は上昇する。一方、分裂初期には海底拡大が速まり、気候は温暖で海面水位が高くなり、海底変質とドロマイト化が促進されマグネシウムの除去が増大して比は低下する。長期にわたる構造的停滞や大陸の広い分散期には、供給と除去がほぼ均衡しMg/Ca値は比較的低く安定している。

過去の海への示唆

端的に言えば、本研究は大陸のゆっくりとした舞踏が海水化学のマスターコントロールの役割を果たしていると論じる。新しい海洋地殻がどれだけ速く作られるか、温かく浅い海や閉鎖的な盆地がどれだけ頻繁に発生するかを変えることで、超大陸サイクルはどれだけのマグネシウムが海底岩やドロマイトに閉じ込められるかを支配する。それがどの炭酸塩鉱物が優勢になるか、蒸発岩の堆積がどう進むか、そして海水化学が長期の気候とどう結びつくかを決めるのだ。本研究は深部地球プロセスと表層海洋の化学を結ぶ定量的な枠組みを提示しており、今日のマグネシウムに富む海が繰り返すテクトニックなリズムの一相に過ぎないことを示している。

引用: Zhang, P., Kendrick, M.A., Han, Y. et al. Phanerozoic seawater Mg/Ca variations driven by supercontinent cycles. Nat Commun 17, 2656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70649-z

キーワード: 海水化学, 超大陸サイクル, マグネシウムとカルシウムの比率, プレートテクトニクス, ドロマイト生成