結び付いた硫黄・ケイ素同位体が示すアーケアン大陸の地表起源

地球初期の大陸はどのように形作られたか

地球が何十億年にもわたって生物が住める場所であり続けた一因は、軽くて浮力のある大陸がより密な海洋地殻の上に位置しているためだ。しかし、初期の大陸がどのように形成されたかは長く議論を呼んできた。本研究は、古代の岩石に刻まれた微妙な化学的指紋を用いることで、初期の大陸が未変質の深部マグマではなく再循環した海底から成長したことを示し、この謎に取り組む。

二つの非常に異なる地殻から成る惑星

現代の地球表面は厚く長寿命な大陸と薄く短命な海底に分かれている。最も古く保存された大陸片は、主に古い地盾に見られる淡色の花崗岩質岩石で、このコントラストがどのように生じたかを記録している。これらの岩石の多くはTTGと呼ばれる一群に属し、ケイ素に富み、25億年以上前に形成された。科学者たちは、TTGが水を含む暗色の岩が地殻深部で部分溶融することで生じたことには同意しているが、その源岩がマントル由来の新しいマグマであったのか、海水で変質した古い海洋地殻であったのかについては意見が分かれてきた。

軽元素で岩石記録を読む

著者らは、岩石の由来を示すトレーサーとして機能する二種類の同位体に注目した。ケイ素同位体は、岩石の成分がかつて海水と反応したかどうかを明らかにできる。海水との相互作用はケイ素をわずかに重い同位体へと偏らせる傾向がある。硫黄同位体はさらに特徴的な信号を運ぶ。初期地球の無酸素的な大気下では、太陽光が硫黄含有ガスを分解し、惑星内部で生成されるものとは異なる「質量独立」パターンを残した。古代花崗岩のケイ素と硫黄の両方に地表起源の署名があれば、それらの原料がかつて地殻上部にあり海や大気と接していた強い証拠になる。

古代中国の岩石が語る地表起源の物語

研究チームは、華北克拉トンの魯西（Luxi）地域から採取された最大27億年前の花崗岩を分析した。これらの岩石は、深部地球の硫黄パターンからわずかだが一貫した偏差を示し、さらに典型的なマントル由来マグマよりも明らかに重いケイ素を示している。著者らは、異なるマグマの混合、後の変成作用、周囲岩からの汚染などの代替説明を慎重に検証したが、これらのプロセスでは観測された硫黄とケイ素の結合した信号を再現できなかった。代わりに、データは海底やその近傍で循環する海水によって変質した玄武岩質地殻を源とすることを示している。これらは埋没して溶融したと考えられる。

積み重なる溶岩平原から浮力ある大陸へ

変質した海底がどのように溶融が起きる深さに到達したかを説明するために、著者らは初期地球における「火山の積み重ね」シナリオを支持している。この図では、熱いマントルプルームが繰り返し溶岩を噴出して表面に厚い玄武岩の層を築き、それらが自重でゆっくりと沈降していく。表面付近にある間、これらの溶岩は海水と反応して特徴的なケイ素・硫黄の指紋を獲得する。埋没が進むと、加熱により水分や硫黄を徐々に失うが、ケイ素の信号は岩石中に閉じ込められたままである。最終的に深部での加熱がこの埋没・変質した地殻を部分的に溶融させ、ケイ素に富むマグマが上昇して凝固し、最初の大陸ブロックとして固まる。

初期大陸成長の新たな見方

華北克拉トンの硫黄・ケイ素同位体と、世界中の古代花崗岩のデータを組み合わせると、およそ38億年より新しい岩石はほぼ常にこれらの地表由来の署名を持つことがわかった。これは、初期の大部分の大陸が未変質の深部累積岩ではなく、再循環した海水変質海底から形成されたことを示唆する。この研究は、大気・海洋・深部岩石の間での大規模な物質再循環がアーケアン初期からすでに活発に働いており、その再循環が長期間にわたり惑星環境を安定化させ、今日の生命を支える長寿命の大陸を生んだ可能性を示唆する。

引用: Shang, K., Zhang, J., Wang, Z. et al. Coupled sulfur-silicon isotopes reveal supracrustal origin of Archean continents. Nat Commun 17, 4203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72701-4

キーワード: アーケアン大陸, 大陸地殻形成, 地表起源の再循環, 同位体地球化学, 初期地球のプレート活動