发表刊登日期: 2023/04/18
-探明球状海底资源在深海底滚动、不埋没的情况下形成的过程-
证实了在锰粒记录的过去微弱的地磁的作用下，一边成长一边旋转
评估海洋深层流和海底地形对锰粒旋转的作用，以及旋转对内部氧化态和微结构的影响
期待对海底矿产资源评价和海底深层流变动预测等的贡献
(左)太平洋海底地形和样品采集地点(红方块)。 黄色丸是迄今为止确认有锰粒的地点( Dutkiewicz et al .，2020 )。 (中央)博克斯科勒采集的锰粒。 (右)从上方拍摄的用于分析的锰粒试样的照片(白标记垂直向上)。
※使用的是引用原论文(创意公共许可证CC-BY-NC )的图进行修改后的内容。
国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下称为“产总研”)地质信息研究部门地球变动史研究组小田启邦高级主任研究员、国立大学法人高知大学(以下称为“高知大学”)研究生片野田航、臼井朗教授、村山雅史教授、山本裕二教授， 利用采自南太平洋彭林海盆的锰粒记录的地球磁场，从自然剩磁方位恢复了过去的姿态，表明该样品围绕某个旋转轴缓慢旋转。
锰粒在深海底以百万年数毫米的缓慢速度生长( Verlaan and Cronan，2022 )。 尽管其形成时间是几百万多年前，但其中许多都有一半露出在沉积物表面( Usui and Ito，2004 )。 迄今为止，锰粒能在沉积物表面继续存在而不被完全掩埋的原因尚不清楚。 本研究通过利用以往的地磁记录，揭示了世界上首次出现锰粒在形成过程中发生了旋转，旋转的原因和旋转对锰粒内部氧化状态和结构的影响。 另外，研究的详细内容于2023年2月28日刊登在Geochemistry，Geophysics，Geosystems上。
锰粒以块状分布在沉积物表面，除锰.铁外，还含有镍、铜、钴等有用元素，因此作为海底矿物资源的价值备受关注。 关于锰粒，在国际海底机构的管理下，以日本为首的各国设定了矿区，进行了勘探活动等。 本研究是为了弄清作为海底矿物资源有用的锰粒的形成过程和形成场所而进行的。
产总研地质调查综合中心从其前身工业技术院地质调查所的时候开始，就进行了包括海底矿物资源在内的资源及资源开发的基础性研究。 深海底锰粒的研究开始于1972年，1974年至1983年，由调查船“白岭丸”在中部北太平洋南太平洋海域进行(水野，1982 )。 本研究使用的是1983年GH83-3航海( Usui et al .，1994 )在南太平洋彭林海盆采集的锰粒试样。
另外，本研究开发是根据独立行政法人日本学术振兴会的科学研究费补助金“琉球层群礁性石灰岩的古地磁岩石磁分析复原高分辨率地球磁场气候变化(令和2~5年度)”以及“利用磁显微镜进行地球内核形成前后的地球磁场复原和对地球生命史的影响的阐明(令和3~6年度)”实施的。
使用了基于超导量子干涉元件的岩石磁力仪对锰粒记录的过去微弱地磁进行分析。 表明锰粒表面样品记录的自然剩磁方位与当前地球磁场方位一致。 另一方面，确认了锰粒记录的自然剩馀磁化方位从表面向中心部连续变化，它们位于大圆上(图1 )。 这表明锰粒绕着这个大圆的极旋转，与此同时磁化被连续记录下来。
从图1 (上段左)锰粒中切出了正交的两个块( a、b )。 然后从块( a、b )的上部切下试样( a、b )，分成五层和五列。 试样b的分割情况如(上段中)所示。 试料b将五层分别进一步分割为上半部分和下半部分。 (下段)从右向左，从最深层( 5层)到表层( 1层)，上半部分的自然剩馀磁化方位(磁化方位)用箭头表示(朝上朝北)。 全部在水平面以上方向(伏角为负，在南半球对应正磁极期)，箭头的长度越长越接近水平。 (上段右)在等积投影图上表示了从f列的最深层开始到表层的磁化方位(黑圈)。 空心圆表示水平面以上。 红线是用大圆回归的结果，红圈是大圆的极点。 蓝圈是绕极旋转磁化方位，使离中心最近的试料的磁化方位朝北恢复的东西。
※使用的是引用原论文(创意公共许可证CC-BY-NC )的图进行修改后的内容。
研究中使用的锰粒位于深海底(概要图左图的红方块)的小山丘脚下的平缓倾斜处，该处受到从南极输送的富含氧气的海洋深层流(南极底层流)的影响。 旋转的动力可能是(1)深海底底栖生物的搅拌，(2)深层流产生的水压，(3)斜面向下的重力等。 (1)难以向同一个方向继续旋转，(2)的水压导致力不足。 由于倾斜缓慢，(3)的重力也不足。 因为这些单独的力很难解释，所以以(2)和(3)的组合为主要原因，认为是由于在深层流下游侧堆积物被卷起除去，所以逐渐向深层流下游侧(东北倾斜方向)旋转移动。
从自然剩磁方位恢复的锰粒姿态的时间变化如图2所示。 可以认为，通过旋转，从锰粒周边的堆积物上升的一侧暴露在海水(富含氧的深层水)中，从埋在堆积物中的贫氧环境急剧变化为氧化环境。
图2从左向右旋转开始时、旋转50%后、旋转结束时锰粒姿势的示意图。 上面一列是从上面看的视图，下面一列是从侧面(上面一列的蓝色箭头方向)看的视图。
※使用的是引用原论文(创意公共许可证CC-BY-NC )的图进行修改后的内容。
通过低温磁性分析等发现，锰粒中含有磁铁矿的粒子。 另外，磁铁矿粒子被氧化成为岩浆，特别是在锰粒中心部被强烈氧化，这是基于低温磁性的特性值(δMC； Özdemir and Dunlop，2010 )中得知。 另一方面，通过铍同位素分析发现锰粒中心的形成年代比800万年要古老。 锰粒没有留下77万年以前的反向磁极期记录，可以解释为该试料形成时获得的初生剩磁消失，取而代之的是获得了二次剩磁。 根据这些情况，我们认为磁铁矿是通过暴露在含氧较多的南极底层流中进行低温氧化而获得了二次剩磁的。 另外，锰粒的旋转可以说创造了富含堆积物的区域和富含海水来源的氢氧化锰·氢氧化铁的区域混合而成的层全方位均等地生长的环境。 这也会影响锰粒中所含的元素分布，因此旋转运动在海底矿物资源的评价中也被认为是重要的。
图3是锰粒试样(方框b )中心部稍外侧的薄片试样分析结果。 从左到右，显示了光学图像、锰的分布、硅的分布、低矫顽力率的分布。 光学图像采用光学扫描仪，锰硅的分布采用荧光x射线扫描仪，低矫顽力采用产综研和与金泽工业大学及相关企业共同开发的扫描SQUID显微镜取得。 低矫顽力率表示矫顽力低( 0.1 T (特斯拉)以下)的磁性矿物的比例。
※使用的是引用原论文(创意公共许可证CC-BY-NC )的图进行修改后的内容。
关于锰粒的两种不同区域，可以在图3中确认。 各图中白点线、白实线包围的部分分别表示含有大量堆积物的区域和含有大量来自海水的氢氧化锰·氢氧化铁的区域的代表例。 低矫顽力率高的区域与含有大量沉积物的区域一致。 含有大量堆积物的区域间隙多，起到作为从外面富含氧的海水通过的通道的作用。 可能是由于海水浸入较多，从磁铁矿向岩浆的氧化完全进行，两个磁性层之间产生的应力(应力)被释放，矫顽力降低。 众所周知，磁铁矿的情况下，内部应力越高，矫顽力就越高。
今后，关于锰粒旋转运动的普遍性，将对同一海域的其他试样和不同海域的试样进行验证。 另外，还将阐明旋转对锰粒内部氧化状态和结构的影响、生长过程的详细情况，为海底矿物资源评价、海洋深层流变动等地球环境预测做出贡献。
刊登杂志: Geochemistry，Geophysics，Geosystems 论文标题: rotation of a ferro manganese nodule in the penrhyn basin，South Pacific，tracked by the earth ' s magnetic field 作者: Hirokuni Oda，Wataru Katanoda，Akira Usui，Masafumi Murayama，Yuhji Yamamoto DOI: 10.1029/2022GC010789
Dutkiewicz, A., Judge, A., & Müller, R. D. (2020). Environmental predictors of deep-sea polymetallic nodule occurrence in the global ocean. Geology, 48(3), 293–297. https://doi.org/10.1130/G46836.1
水野篤行 (1982) 地質調査所における海洋地質研究の歴史と現況, 地質ニュース, 337, 57-69. https://www.gsj.jp/data/chishitsunews/82_09_07.pdf [PDF:2.2MB]
Özdemir. Ö., & Dunlop, D. J. (2010). Hallmarks of maghemitization in low-temperature remanence cycling of partially oxidized magnetite nanoparticles. Journal of Geophysical Research, 115(B2), B02101. https://doi.org/10.1029/2009JB006756
Usui, A. & Ito, T. (1994). Fossil manganese deposits buried within DSDP/ODP cores, Legs 1-126, Marine Geology, 119, 111-136.
Usui, A., Nohara, M., Okuda, Y., Nishimura, A., Yamazaki, T., Saito, Y., Miyazaki, M., Tsurusaki, K., Yamazaki, T., Harada, K., & Lee, C. (1994). Outline of the cruise GH83-3 in the Penrhyn basin, South Pacific. Geological Survey of Japan Cruise Report, 23, 1–17. https://www.gsj.jp/data/cruise-rep/23-01.pdf [PDF:956KB]
Verlaan, P.A. & Cronan, D.S. (2022). Origin and variability of resource-grade marine ferromanganese nodules and crusts in the Pacific Ocean: A review of biogeochemical and physical controls. Geochemistry, 82(1), 125741. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2021.125741
国立研究开发法人产业技术综合研究所 地质情报研究司地球变化史研究组 请将高级主任研究员小田启邦e-mail:Hiro kuni-od a* aist.go.jp ( *改为@发送。 ）
锰粒(锰团块) 在深海底缓慢生长的球状凝结块。 核(中心核)周围同心圆状地层状凝结有氢氧化锰和氢氧化铁的物质，核是微化石的壳层和鲨鱼的牙齿、玄武岩和已经形成的其他粒的碎片等。 大小一般为直径5 cm~10 cm左右，从只能用显微镜观察的微粒到最大20 cm以上的微粒都有。 自然剩磁 地层和岩石中含有的磁性矿物中记录的堆积时和岩石冷却时的地球磁场。 火成岩的情况下，如果其中所含的磁性矿物达到居里温度(例如磁铁矿Fe3O4时为585 ℃)以下，此时的地球磁场方向将被记录为自然剩磁。 对于沉积岩，当其中含有的磁性矿物粒子与周边矿物接触或受到压实而无法旋转时，记录地球磁场。 锰粒的情况下，成长为层状时吸收的磁性矿物根据与沉积岩类似的原理记录地球磁场。 另外，也可以考虑在那里生长的磁性矿物的结晶大小超过临界值时记录地球磁场。 国际海底组织 以管理联合国海洋法公约规定为"人类共同财产"的深海底矿产资源为主要目的，于1994年11月16日成立的组织和管理深海底活动的国际组织。 根据《联合国海洋法公约》，该公约的所有缔约国均为组成国。 英文名为international seabed authority ( isa )。 南极底层流 围绕南极大陆的南极海产生的水团。 因为是密度最高的水团，所以水深4000 m，在与南极海连接的所有海盆中都存在于水深4000 m以下。 另外，它的特点是具有高氧含量。 英文名为自动底部写入器( aabw )。 磁铁矿 氧化铁矿物的一种，化学组成为Fe3O4。 广泛分布于自然界，表现出很强的磁性。 在高纯度的磁铁矿中，在125 K时可以确认称为费尔贝点( Verwey Point )的磁相变点。 英文名为磁铁矿( magnetite )。 岩浆渗析 氧化铁矿物的一种，化学组成为γ-Fe2O3。 显示出很强的磁性。 在自然界中，铁离子( Fe2+ )在海水中等从磁铁矿中溶出，在低温下氧化生成。 一直被用作磁带和硬盘的主要记录介质等。 英文名为maghemite。 初生剩磁次级剩磁 地层形成时获得的自然剩磁称为初生剩磁，随后加热变质等获得的磁化称为次级剩磁。 超导量子干涉元件 英文名为super conducting quantum interference device ( squid )。 在超导状态下工作的基于量子效应的磁检测元件，用于测量微弱的磁场。 正磁极期·反磁极期 地球磁场可以用放置在地球中心的条形磁铁近似，北极对应磁铁的s极，方位磁铁的n极指向北方。 地球磁场朝向与此相同方向的时期称为正磁极期。 发生了77万年前最新的地球磁场逆转。 就在这之前，北极对应磁铁的n极，方位磁铁的s极指向北方。 这个时期称为反磁极期。 正磁极期的磁场在北半球比水平面向下(伏角为正)，在南半球比水平面向上(伏角为负)。 同位素分析 求出各种元素同位素存在量和同位素比的分析。 通过对已知半衰期的放射性同位素进行同位素分析，可以推测地质试样的年代。 在这次的研究中，我们分析了宇宙射线在大气中生成的质量数为10的铍同位素。 荧光x射线扫描仪 一种分析装置，对试样表面照射x射线，利用产生的特性x射线进行试样中所含元素的检测，并作为面的信息进行图示。 英文名为X-ray fluorescence scanner。 扫描型SQUID磁显微镜 将微小的检测线圈和SQUID元件作为磁传感器，能够在显微镜尺度上描绘试料表面附近微弱表面磁场分布的装置。 除了用于检测地质试样产生的微弱磁场之外，还用于半导体和超导物质的分析、以确认机械零件龟裂为目的的无损检测等。矫顽力指将磁化的磁性体恢复到未磁化状态所需的反向外部磁场的强度。 外部磁场的单位在磁力工程领域使用安培每米[A/m]，而在岩石磁力领域使用特斯拉[T]。 1 T = 0.7958×106 A/m。 英文名为Coercivity。
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