Archaean Dharwar craton in India : An ideal terrane to understand the early Earth’s surface environment and origin of life

本論文は、冥王代（Hadean）および太古代（Archaean）における地表環境の復元と、生命の出現・進化を明らかにすることが長年困難である点を扱う。この困難は主として、これらの時代の岩石が限られた形でしか保存されていないことに起因する。論文は、地球化学的アーカイブ—とくに同位体組成—が、初期の環境状態や生物活動を間接的に示す指標として一般に用いられていることを強調する。この文脈で、炭素同位体は太古代岩石における生物起源（biotic）炭素と非生物起源（abiotic）炭素を区別するための、広く用いられている一方で議論のある証拠として提示される。また、硫黄の多重同位体（multiple sulfur isotopes）は、大気の酸素化の変化を推定するうえで中心的であると述べられる。主目的は、南インドのDharwar cratonに分布する太古代のschist belt、とくにChitradurga Schist Beltを、3.0〜2.6Gaにわたるとりわけ価値の高い地質記録として提示することである。地質学的・地球化学的情報を整理して新たな層序学的制約を加えることで、著者はこのterraneが、地球の「pre-great oxidation event（GOE以前）」の地表環境と、それに関連する生物学的シグナルを調べるのに特に適していると論じることを目指している。

重要な成果として、新しい野外マッピングとジルコンU-Pb年代制約に基づく、Chitradurga Schist Beltの精緻化された岩相層序（lithostratigraphic）枠組みが示される。下部ユニット（post-3.0 Ga）は、基底礫岩、stromatolitic carbonate、diamictiteを含むsilicic-clastics、chert/BIF、そしてpillowed basaltへと上方に連続する層序として記載される。この下部ユニットは、最上位のpillowed basaltに貫入するdacite dykeから得られたマグマ起源ジルコン年代により、2676 Maより古いことが制約される。上部ユニットは、pillow lavaの上に不整合（unconformably）で重なり、~2600 Maの砕屑性ジルコン（detrital zircons）を含む礫岩／砂岩、続いてkomatiite lava、BIF、そして苦鉄質火山岩（mafic volcanics）を伴うsilicic-clastic rocksからなると報告される。さらに本論文は、stromatolitic carbonatesにおける同位体の変動幅（δ¹³C_PDB = -2.3–0.1‰；δ¹⁸O_SMOW = 14.8–22.5‰；⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.715–0.7031）および炭質物（carbonaceous material）における変動幅（δ¹³C_PDB = -22.1–-5.8‰）を取りまとめている。硫黄については、Bababudan Groupの炭酸塩岩中のpyriteに対する多重同位体研究により、δ³⁴Sが最大+19.4‰で、Δ³³Sが負となることが示される一方、他の堆積岩ではδ³⁴Sは0‰付近である。著者は、同位体パターンを微細構造（microstructural）観察と統合し、大気中酸素がGOE以前に増加していた可能性を（断定ではなく議論上の可能性として）提起するとともに、同位体—微細構造を組み合わせた証拠が、太古代の生物活動と地表環境進化の解釈に情報を与えうると示唆する。

本研究は、地質学的な野外調査と地球化学的手法を組み合わせ、新規の観察結果を既報の結果と統合するアプローチに依拠している。第一に、著者らはDharwar Supergroupの各ユニットで新たな野外マッピングを実施し、その観察に基づいてChitradurga Schist Beltのより詳細な岩相層序を再構築した。第二に、ジルコンU-Pb年代測定を用いて層序のタイミングを制約する。主要な時間的アンカーは、下部の火山岩シーケンス上部に貫入するdacite dykeから得られた2676 Maのマグマ起源ジルコン年代であり、これによって下位の層序に対する最大年代制約が与えられる。一方で、上部ユニット中の砕屑性ジルコン年代（~2600 Ma）は、不整合で重なる砕屑岩の堆積に関する情報を提供する。第三に、本論文は複数の系にまたがる安定同位体データセットを統合する。具体的には、stromatolitic carbonate rocksの炭素・酸素同位体、ストロンチウム同位体比（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）、炭質物の炭素同位体、そしてpyriteを含む炭酸塩岩の硫黄多重同位体である。最後に、解釈では同位体証拠と微細構造観察を明示的に組み合わせ、微細構造を環境の酸化還元条件（redox conditions）および生物学的寄与の可能性を評価するための追加的プロキシとして扱っている。ただし、提示された本文では、具体的な微小分析（microanalytical）手順は詳細に記述されていない。

本論文は、Dharwar craton—とくにChitradurga Schist Belt—が、3.0〜2.6Ga、すなわちGreat Oxidation Event以前の期間における地表環境と生物活動の可能性を検討するために適した地質アーカイブを提供すると結論づける。その意義は主に2点から論じられる。地質学的には、stromatolitic carbonates、chert/BIF、diamictiteを含むsilicic-clastics、komatiites、pillow basaltsなど多様な岩相が、ジルコン地質年代学により制約可能な層序として配列し、主要なパッケージを分ける不整合を含む。地球化学的には、取りまとめられた同位体レンジが、炭素・酸素・ストロンチウム・硫黄のシグネチャーに大きな変動があることを示し、海洋—大気化学および炭素循環に対して複数の、相補的となりうる制約を与える。著者は、これらのプロキシが強力である一方で一義的ではないことを強調し（たとえば炭素同位体を生物指標として解釈することをめぐる広範な論争に呼応して）、慎重な立場を示す。それでも、同位体パターンを微細構造証拠と統合することで、Dharwarの記録を、GOE以前に大気中酸素濃度が上昇し始めていたかどうかを議論するため、また太古代の地表条件とbiosignatureの復元を精緻化するための有望な基盤として位置づけている。

この論文は、地球ができて間もない冥王代(地球ができた直後の最も古い時代で、岩石の記録がほとんど残っていないため当時の環境を調べにくい時代です。)や太古代(冥王代の次の非常に古い時代で、生命の初期進化を考えるうえで重要ですが、岩石が限られていて解釈が難しい時代です。)の地表の環境や、生命がいつどのように生まれて進化したのかを明らかにするのが、なぜ難しいのかを扱っています。大きな理由は、その時代の岩石があまり残っていないからです。
そこで研究者は、岩石に残る地球化学的な手がかり、特に「同位体の組成」を使って、当時の環境や生物活動を間接的に推定します。たとえば炭素同位体(炭素の同位体の比から得られる情報で、生物活動が関わった炭素かどうかを考える材料になりますが解釈に議論があります。)は、生命由来の炭素かどうかを考える材料になりますが、解釈には議論もあります。また硫黄の多重同位体(硫黄の複数の同位体を同時に調べる方法で、特に古い大気の状態や酸素量の変化を推定するのに役立ちます。)は、大気中の酸素量がどう変化したかを推定するうえで重要です。
この論文の主な目的は、南インドのDharwar craton(インド南部にある非常に古い大陸地殻の安定した部分で、太古代の岩石が残りやすい地域です。)にある太古代の地層（特にChitradurga Schist Belt(Dharwar craton内のschist beltの一つで、約30億〜26億年前の記録をよく残すため研究対象として重要です。)）が、約30億〜26億年前という「Great Oxidation Event(地球の大気中の酸素が大きく増えた出来事で、地球環境と生命の進化に大きな影響を与えました。)（GOE）より前」の地表環境と生命の痕跡を調べるのに、とても価値の高い記録だと示すことです。そのために、地質学・地球化学の情報を整理し、地層の年代や順序について新しい制約を加えています。

この研究では、新しい野外調査（現地での観察と地図作り）と、ジルコン(年代測定に使われる丈夫な鉱物で、非常に古い地質情報を保ちやすいことが重要です。)のU-Pb年代測定にもとづいて、Chitradurga Schist Belt(Dharwar craton内のschist beltの一つで、約30億〜26億年前の記録をよく残すため研究対象として重要です。)の地層の並び方をより細かく整理しました。
下部ユニット（30億年より新しい時代）は、下から順に、礫岩(小石が多く含まれる堆積岩で、強い流れなどの環境を示すことがあります。)、ストロマトライト(微生物が作る層状の構造で、古い時代の生命活動を示す重要な手がかりになります。)を含む炭酸塩岩(炭酸カルシウムなどを主成分とする岩石で、海水の性質や環境変化を読み取る材料になります。)、diamictite(大きさの違う粒が混ざっている堆積岩で、氷河の作用など特別な堆積環境を示す場合があります。)を含む砂や泥の地層、チャート(主に二酸化ケイ素からなる硬い堆積岩で、海の化学状態を考える手がかりになります。)やBIF(鉄に富む層とケイ素に富む層が交互に重なる岩石で、海と大気の酸化状態の変化と関係づけて研究されます。)、そして枕状（ピロー）玄武岩へと続く層序としてまとめられます。また、この下部ユニットは、最上部の枕状玄武岩(水中で溶岩が冷えて枕のような形になる火山岩で、当時の火山活動が水中で起きたことを示します。)に入り込んだdacite dyke(デイサイト質のマグマが割れ目に入り込んで固まった岩体で、貫入した時期が年代の手がかりになります。)から得られたジルコン年代により、「少なくとも2676Maより古い」と制約されます。
上部ユニットは枕状溶岩の上に不整合(古い地層が削られたり、堆積が止まった期間をはさんだりした後に新しい地層が重なる関係で、地史の区切りを示します。)で重なり、約2600Maの砕屑性ジルコン(古い岩石から削り取られて運ばれ、堆積物に混ざったジルコンで、堆積時期の上限などを推定するのに役立ちます。)を含む礫岩や砂岩、その上にコマチアイト(非常に高温でできた特殊な火山岩で、地球がより熱かった太古代の環境を考えるうえで重要です。)溶岩、BIF、さらに苦鉄質火山岩(鉄やマグネシウムに富む火山岩で、マグマの性質や地球内部の状態を推定する材料になります。)をともなう砂や泥の地層が続くと報告されます。
また同位体データとして、ストロマトライト炭酸塩岩の炭素・酸素・ストロンチウム同位体に大きな幅があること、炭質物(有機物に由来する炭素を含む物質で、生命活動の可能性を考える手がかりになります。)（有機物に由来する炭素を含む物質）の炭素同位体(炭素の同位体の比から得られる情報で、生物活動が関わった炭素かどうかを考える材料になりますが解釈に議論があります。)にも幅があることが整理されています。硫黄については、pyrite(硫化鉄の鉱物で、硫黄同位体を調べることで当時の環境や化学反応を推定できます。)を含む炭酸塩岩の分析から、硫黄同位体の特徴的なパターンが示されました。著者は、同位体の結果と岩石の微細な構造の観察をあわせて考えることで、GOEより前に大気中の酸素が増え始めていた可能性を「断定ではなく、議論の候補として」提示しています。

この研究は、地質学の現地調査と地球化学分析を組み合わせ、これまでの研究結果もまとめ直す方法で進めています。
まず、Dharwar Supergroupの各地層を新たに野外で調べ、観察にもとづいてChitradurga Schist Belt(Dharwar craton内のschist beltの一つで、約30億〜26億年前の記録をよく残すため研究対象として重要です。)の地層の並び（岩相層序(地層を岩石の種類や特徴にもとづいて上下関係として整理する考え方で、地域の地史を組み立てる基本になります。)）を作り直しました。次に、ジルコン(年代測定に使われる丈夫な鉱物で、非常に古い地質情報を保ちやすいことが重要です。)のU-Pb年代測定で、地層ができた時期を絞り込みます。下部ユニットについては、上部に入り込んだdacite dyke(デイサイト質のマグマが割れ目に入り込んで固まった岩体で、貫入した時期が年代の手がかりになります。)の2676Maという年代が重要な手がかりになります。上部ユニットでは、礫岩(小石が多く含まれる堆積岩で、強い流れなどの環境を示すことがあります。)や砂岩に含まれる砕屑性ジルコン(古い岩石から削り取られて運ばれ、堆積物に混ざったジルコンで、堆積時期の上限などを推定するのに役立ちます。)の年代（約2600Ma）が、堆積の時期を考える材料になります。
さらに、炭素・酸素・ストロンチウム・硫黄など複数の同位体データをまとめ、最後に同位体の結果と微細構造(岩石を顕微鏡などで見たときの細かな組織で、形成過程やその後の変化、環境条件の推定に役立ちます。)の観察を組み合わせて、当時の酸化還元状態や生物の関与の可能性を評価します。ただし、この文章で示されている範囲では、微小な分析手順の細かい説明までは書かれていません。

この論文は、Dharwar craton(インド南部にある非常に古い大陸地殻の安定した部分で、太古代の岩石が残りやすい地域です。)、特にChitradurga Schist Belt(Dharwar craton内のschist beltの一つで、約30億〜26億年前の記録をよく残すため研究対象として重要です。)が、30億〜26億年前（GOE以前）の地表環境や生物活動の可能性を調べるのに適した地質記録を提供すると結論づけています。
意義は主に2つあります。1つ目は地質学的な価値で、さまざまな種類の岩石や地層（ストロマトライト(微生物が作る層状の構造で、古い時代の生命活動を示す重要な手がかりになります。)炭酸塩岩(炭酸カルシウムなどを主成分とする岩石で、海水の性質や環境変化を読み取る材料になります。)、チャート(主に二酸化ケイ素からなる硬い堆積岩で、海の化学状態を考える手がかりになります。)やBIF(鉄に富む層とケイ素に富む層が交互に重なる岩石で、海と大気の酸化状態の変化と関係づけて研究されます。)、diamictite(大きさの違う粒が混ざっている堆積岩で、氷河の作用など特別な堆積環境を示す場合があります。)を含む砂や泥の地層、コマチアイト(非常に高温でできた特殊な火山岩で、地球がより熱かった太古代の環境を考えるうえで重要です。)、枕状玄武岩(水中で溶岩が冷えて枕のような形になる火山岩で、当時の火山活動が水中で起きたことを示します。)など）が、年代測定と組み合わせて順序立てて整理でき、不整合(古い地層が削られたり、堆積が止まった期間をはさんだりした後に新しい地層が重なる関係で、地史の区切りを示します。)も含めて地史を読み取りやすい点です。
2つ目は地球化学的な価値で、炭素・酸素・ストロンチウム・硫黄の同位体が大きく変動しており、海や大気の化学状態、炭素循環などに複数の角度から制約を与えられる点です。著者は、これらの手がかりは強力でも「それだけで一つの答えに決められるものではない」ことも強調し、特に炭素同位体(炭素の同位体の比から得られる情報で、生物活動が関わった炭素かどうかを考える材料になりますが解釈に議論があります。)を生命の証拠とみなす解釈には議論があるため、慎重に扱っています。それでも、同位体と微細構造(岩石を顕微鏡などで見たときの細かな組織で、形成過程やその後の変化、環境条件の推定に役立ちます。)を合わせて読むことで、GOE以前に酸素が増え始めたかどうか、また太古代(冥王代の次の非常に古い時代で、生命の初期進化を考えるうえで重要ですが、岩石が限られていて解釈が難しい時代です。)の環境や生命の痕跡をより正確に考える土台になると位置づけています。