[유럽] 지중해 유출수의 역사와 기후변화와의 관계를 해명
2011년 11월에서 2012년 1월까지, 통합국제심해굴착계획(IODP) 제 339차 굴착항해 ‘지중해유출수’의 일환으로 미국 과학굴착선 JOIDES Resolution호(그림 1)의 포르투갈만 카디스호 및 이베리아대륙 부근 해안 굴착이 실시되었다. (그림 2)
이 항해는 스페인 비고(Vigo)대학과 영국의 헤리엇 와트(Heriot-Watt)대학의 주도로 일본을 비롯하여 14개국의 35명의 과학자가 승선하여, 카디스만 및 이베리아반도 서쪽해안에서 처음으로 본격적인 과학굴착조사를 실시하여 총 연장 5km에 달하는 퇴적물주상시료(코어)를 굴착, 회수하였다.
이번에 회수한 코어에서 지중해의 해수가 지브롤터(Gibraltar)해협에서 북대서양으로 흐르는 ‘지중해 유출수’의 강한 흐름에 의해 만들어지는 ‘콘투어라이트(contourite)’라고 불리는 특수한 퇴적물을 확인하였다. 이를 상세히 분석한 결과 과거 약 500만년간의 지중해 유출수의 역사를 밝혀내어 북대서양의 해저 흐름과 기후변화의 관계를 밝혀냈다.
지브롤터해협은 지중해와 대서양을 연결하는 중요한 게이트웨이이다. 이 해협은 약 530만년 전에 열렸다고 추정되고 있으며, 여기에는 늘 대서양과 지중해의 해수의 교환이 일어나고 있다. 지브롤터 해협의 바다 속 깊은 곳에서는 지중해의 고염분 해수가 대서양으로 흘러가고 있다. 이 해수는 밀도가 크기 때문에 대서양에 들어서면 급류처럼 해저사면을 흘러내리는 강한 흐름이 되어 카디스만의 해저에 진흙이나 모래의 산(마운트)을 만든다. 카디스만이나 이베리아 반도의 해안에서는 지중해 유출수의 저층류가 주로 500~1000m 부근의 등심선을 따라 흐르고 있다. 말하자면 바다 속의 거대한 ‘큰 강’인 것이다.
이 흐름이 만들어내는 해저의 진흙이나 모래는 과거 약 500년간의 지중해 유출수의 역사 및 유출수와 북대서양 해양순환과 기후변화, 지각변동과의 상호작용에 관계된 정보가 기록되어 있을 가능성이 높아, 약 500만년 전부터 현재까지의 지브롤터 해협이 지중해와 대서양을 연결하는 게이트웨이로 어떤 기능을 했는지를 해명하는데에 중요한 장소라고 생각된다. 하지만 지금까지 과학굴착이 이루어지지 않았으며, 이번 연구 항해가 처음으로 본격적인 연구조사에 착수하였다.
본 항해에서 회수한 코어를 분석한 결과, 조사해역에서는 저층류에 의한 마운드에서의 진흙이 빠르게 퇴적되기 때문에 콘투어라이트의 진흙에는 과거 환경변동에 매우 상세하게 기록하고 있다는 것을 발견하였다. 콘투어라이트 중에 두꺼운 모래층을 발견하였는데, 이 모래는 저층류를 통하는 길이 되는 해저곡을 메우며, 해저에 마운드 중에 두껍게 분포한다. 이는 이전에 지중해 유출수가 지브롤터 해협에서 100킬로미터 이상 떨어져있는 장소에서 모래를 움직일 수 있는 매우 강한 흐름이었다는 점을 시사한다. 이러한 분석성과를 종합한 결과, 중신세의 끝(533만년 전)의 지브롤터 해협이 열린 후에 지중해에서 대서양으로 해수의 유출이 시작되었다는 것, 시작된 초기에는 비교적 약한 흐름이 있었다는 것, 그리고 북대서양의 지중해 유출수 사이에 본격적인 상호작용이 보인 것은 후기선신대가 되었다는 것을 밝혔다.
특히 이번 연구를 통해 후기선신대의 온난기(320~300만년 전), 전기 갱신세(240~200만년 전) 및 후기 갱신세(90~70만년 전)의 지중해 유출수가 강하게 된다는 증거를 발견하였다. 이 시기에는 카디스만에서의 강한 흐름에 의해 모래나 진흙이 퇴적되지 않는 무퇴적기간이나 퇴적체 형성의 패턴이 변화한다는 특징적인 현상이 일어났다.
이 현상은 지중해 유출수가 강하게 되는 시기가 대서양의 열염순환이 변화하는 적도-극 간의 온도차가 작아지는 기간에 관련되어 있다는 점을 시사한다. 즉, 지중해 유출수의 발달 및 성장에 의해 북서대서양의 중층에 비교적 염분이 높은 물이 제공되며, 대서양자오면순환이나 지구규모의 열염순환이 강해진다는 것을 시사하는 매우 중요한 발견이다.
또한 무퇴적기간이나 퇴적 프로세스의 변화는 기후변화뿐만 아니라 이 지역의 지각변동과도 깊은 관련이 있다. 이와 같은 지각변동과 해저퇴적패턴의 변화는 같은 기간 대서양의 얼마간의 대륙 가장자리에서도 보고되어 있다. 이는 해저 퇴적물의 형성 프로세스가 북대서양의 플레이트 운동의 변화와 긴밀한 관련이 있다는 것을 시사한다.
또한 이 콘투어라이트의 모래의 물성이나 층 두께, 분포에서 사층이 깊게 매몰되었을 때 석유나 가스의 저류층으로 우수한 기능을 가지고 있다는 것이 밝혀져, 이 콘투어라이트가 장래의 석유 및 천연가스의 탐광 분야에서도 큰 영향을 미칠 것이라는 것을 발견하였다. 일반적으로 활이류에 의해 정지하고 있는 모래가 석유나 천연가스의 저장층에 도달하는 역할을 한다는 것은 알려져 있지만, 이러한 모래와 비교하면 콘투어라이트의 모래는 입자의 크기가 고르게 되어 있어 공극이 크고 유수율이 높아, 보다 우수한 저장층을 발견할 수 있다. 이 발견은 콘투어라이트의 존재가 현재의 석유 및 가스의 탐광에 새로운 타깃이 될 가능성을 보여준다.
본 항해에서의 연구는 지중해 유출수가 지중의 거대한 큰 강이 되어 대서양의 해양순환과 상호작용을 한다는 증거를 보여주는 것이 가능했다. 이후에 연구를 발전시켜, 이 상호작용을 일으키는 프로세스 등을 해명해야 한다.
海中の大河を追って
～地中海流出水の歴史と気候変動とのかかわりの究明～
1．概要
2011年11月から2012年1月にかけて、統合国際深海掘削計画（IODP）第339次掘削航海「地中海流出水」が米国科学掘削船ジョイデスレゾリューション号（
図1）によりポルトガル沖のカディス湾及びイベリア大陸縁辺部で実施されました（
図2）。
この航海はスペイン・ビーゴ大学のハビヤ ヘルナンデス モリーナ博士（現 英国ロイヤルホロウェイ大学）と英国ヘリオット・ワット大学のドリック ストウ博士が共同首席研究者を務め、日本を含む14か国から35名の研究者（日本からは海洋研究開発機構、産業技術総合研究所、新潟大学、北海道大学が参加）が乗船し、カディス湾及びイベリア半島西方沖大陸棚において、初めて本格的な科学掘削調査を行い、総延長5 kmに達する堆積物柱状試料（コア）を掘削・回収しました。
今回回収されたコアには、地中海の水がジブラルタル海峡から北大西洋に流れ出る「地中海流出水」の強い流れによってできる「コンターライト（
※1）」と呼ばれる特徴的な堆積物が認められました。これを詳細に解析した結果、過去約500万年間の地中海流出水の歴史が詳細に解明され、北大西洋の海底の流れと気候変動とのかかわりが明らかになりました。
この成果は2014年6月13日付（日本時間）に米科学雑誌Scienceへ掲載されます。
題名：Onset of Mediterranean Outflow into the North Atlantic
（邦題：地中海から大西洋への海水の流出はいつ始まったか）
著者：
F. Javier Hernández-Molina1, Dorrik A.V. Stow2, Carlos A. Alvarez-Zarikian3, Gary Acton4, André Bahr5, Barbara Balestra6, Emmanuelle Ducassou7, Roger Flood8, José-Abel Flores9, Satoshi Furota10, Patrick Grunert11, David Hodell12, Francisco Jimenez-Espejo13, Jin Kyoung Kim14, Lawrence Krissek15, Junichiro Kuroda13, Baohua Li17, Estefania Llave18, Johanna Lofi19, Lucas Lourens20, Madeline Miller21, Futoshi Nanayama22, Naohisa Nishida22, Carl Richter23, Cristina Roque24, Hélder Pereira25, Maria Fernanda Sanchez Goñi7, Francisco J. Sierro9, Arun D. Singh27, Craig Sloss28, Yasuhiro Takashimizu29, Alexandrina Tzanova30, Antje Voelker24, Trevor Williams31 and Chuang Xuan32
1ロイヤルホロウェイ大学、 2ヘリオット・ワット大学、 3テキサスA&M大学、 4サム・ヒューストン州立大学、 5フランクフルト大学、 6カリフォルニア大学サンタクルズ校、 7ボルドー大学、 8ストニーブルック大学、 9サラマンカ大学、 10北海道大学、 11グラーツ大学、 12ケンブリッジ大学、 13海洋研究開発機構、 14韓国海洋科学技術研究所、 15オハイオ州立大学、 17中国科学院南京地質古生物研究所、 18スペイン地質鉱物研究所、 19モンペリエ大学、 20ユトレヒト大学、 21カリフォルニア工科大学、 22産業技術総合研究所、 23ルイジアナ大学、 24ポルトガル地質調査所、 25セクンダーリア・デ・ローレ学校、 27バナラス・ヒンズー大学、 28クィーンズランド工科大学、 29新潟大学、 30ブラウン大学、 31コロンビア大学ラモント･ドハティー地球観測所、 32サウサンプトン大学
2.背景
ジブラルタル海峡は地中海と大西洋をつなぐ重要なゲートウェイとなっています。この海峡は約530万年前に開かれたと推定されており、ここでは絶えず大西洋と地中海の海水の交換が行われています。ジブラルタル海峡の海中深くでは地中海の高塩分海水が大西洋に流れ出ています。この海水は密度が重いため、大西洋に出ると滝のように海底斜面を流れ下り、強い流れとなってカディス湾の海底に泥や砂の山（マウンド）を作ります。カディス湾やイベリア半島の沖では地中海流出水による底層流が主に 500–1000 m付近の等深線（コンター）に沿って流れています。いわば海中の巨大な「大河」です。
この流れが作る海底の泥や砂は過去約500万年間の地中海流出水の歴史及び流出水と北大西洋の海洋循環や気候変動、地殻変動との相互作用に関する情報を記録している可能性が高く、約500万年前から現在までジブラルタル海峡が地中海と大西洋をつなぐゲートウェイとしてどのように機能してきたのかを解明する上で重要な場所と考えられてきました。しかし、これまで科学掘削が行われておらず、今回の研究航海で初めての本格的な研究調査に着手することができました。
3.成果
本航海で回収したコアを解析した結果、調査海域では底層流によりマウンドに泥が吹き付けられるように非常に速く泥が堆積するため、このコンターライトの泥が過去の環境変動を非常に詳細に記録していることが分かりました。また、コンターライト中に厚い砂の層を発見しました。この砂は底層流の通り道にできた海底谷を埋め、海底のマウンドの中に厚く分布します。このことは、かつて地中海流出水がジブラルタル海峡から100キロメートル以上離れた場所にまで砂を運ぶような非常に強くて速い流れであったことを意味します。このような解析成果を総合した結果、中新世の終わり（533万年前）にジブラルタル海峡が開いた後に地中海から大西洋に海水の流出が始まったこと、始まった当初は比較的弱い流れであったこと、そして北大西洋に地中海流出水との間に本格的な相互作用が見いだされるのは後期鮮新世になってからであることが明らかになりました。
特に後期鮮新世の温暖期（320～300万年前）、前期更新世（240～200万年前）及び後期更新世（90～70万年前）に地中海流出水が強くなっていた証拠が見つかりました。これらの時期にはカディス湾では強い流れによって砂や泥が堆積できない無堆積期間（ハイエイタス）や堆積体の形成パターンの変化といった特徴的な現象が起きています。
このことは、地中海流出水が強くなる時期と大西洋の熱塩循環（
※2）が変化して赤道－極間の温度差が小さくなる時期に関連があることを示しています。つまり、地中海流出水が発達 成長することで北西大西洋の中層に比較的塩分の高い水が供給されることで大西洋子午面循環（
※3）や地球規模の熱塩循環が強くなることを示唆する大変興味深い発見と言えます。
また、ハイエイタスや堆積プロセスの変化は、気候変動だけでなく、この地域の地殻変動とも深くかかわっていたようです。同じような地殻変動と海底堆積パターンの変化は、同じ時期に大西洋の幾つかの大陸縁辺部からも報告されています。このことは海底堆積物の形成プロセスが、北大西洋のプレート運動の変化と緊密に関連していることを示します。
さらに、このコンターライトの砂の物性や層厚、分布から、砂層が深く埋没した時に石油やガスの貯留層として優れた機能を持つことが明らかになったため、このコンターライトが将来の石油・天然ガス探鉱の分野にもインパクトを与える発見となりそうです。一般的に乱泥流によってたまった砂が石油や天然ガスの貯留層の役割を果たす場合が多いのですが、そのような砂と比較するとコンターライトの砂は粒の大きさが揃っている（淘汰が良い）ため空隙が多くて透水率が高く、より優れた貯留層になり得ます。この発見はコンターライトの存在が今後の石油・ガス探鉱の新しいターゲットになる可能性を秘めています。
4.今後の展望
本航海での研究は、地中海流出水が海中の巨大な大河となって大西洋の海洋循環と相互作用している証拠を示すことができました。今後さらに研究を進め、この相互作用が生じるプロセス等を明らかにしていくことになります。
このような底層水は条件が揃えばどのような場所でも形成されるはずです。日本周辺海域ではまだ典型的なコンターライトの存在は報告されていませんが、日本近海でも地層を精査すれば大規模な底層流の痕跡に辿りつけるかもしれません。もし、そのような底層流が過去に存在していたことが発見されれば、これまで考えられてきた海洋循環や物質運搬のプロセスに新たな知見をもたらす可能性もあり、今後の日本周辺を含むさまざまな場所での採泥調査が望まれます。
本航海の成果をもっと知りたい方は、下記HPを御参照下さい。
【用語解説】
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1. コンターライト
海中で等深線（コンター）に沿うように流れる底層流が運んできた砂や泥の堆積物を指す。イベリア半島の南西沖やカディス湾は、地中海流出水による底層流が500－1000 m付近のコンターに沿って流れている。一般的に、砂や泥といった砕屑粒子は乱泥流などの重力流（流体の密度差による重力の作用で生じる流れ）によって斜面を上から下に流下するが、コンターライトは斜面に沿う流れ（底層流）によって堆積する。これは重力による運搬プロセスとは異なる物質運搬メカニズムとして興味深い現象である。
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2. 熱塩循環
熱や塩分濃度等海水の密度の変化によって生じる地球規模の海水の循環。高緯度海域で表層の海水温が下がり、また塩分濃度が高くなることにより海水が深層に沈み込みことによって起こる。
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3. 大西洋子午面循環
大西洋における主要な海洋大循環。表層で北向きの高温・高塩分海水が低緯度から高緯度に流れ、底層で南向きの低温海水が流れる。地球の気候システムの中で重要な役割を果たす。
図1.IODP第339次掘削航海を終えリスボンに寄港したジョイデスレゾリューション号（写真提供：F. Barriga博士）
図2.本航海における掘削地点周辺の地図。黄色丸が掘削した地点を表す。
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