Oxygen-isotope palaeothermometry of the Eocene Harudi Formation, Kutch Basin, western India: evidence for an early inception of the Middle Eocene Climatic Optimum

深遠な時間（ディープタイム）は、しばしば緩やかで一定の漂流として想像されがちだが、地球の気候史は実際には、突然の跳躍と劇的な逆転の物語である。始新世（約5600万年前から3400万年前）の間、地球は現在よりも著しく温暖な温室の世界であった。しかし、この暑い時代の中にあっても、気候は静止していたわけではなく、ハイパーサーマル（超温暖化）と呼ばれる短期間の激しい熱のスパイクと、それに続く一般的な冷却傾向の中で際立つ長い温暖期を経験した。これらの温暖相の中で最も重要なものの一つが、中期始新世温暖極大期であり、世界的な気温が数十万年にわたって急上昇した時期である。この温暖化が正確にいつ始まったのか、そして特定の地域においてどのように感じられたのかを理解することは、地球の気候システムが変化に対してどのように反応するかを解明しようとしている科学者にとって極めて重要である。これを行うために、研究者たちはしばしば、古代の貝殻に残された化学的な指紋を探る。これらの貝殻は、それらが成長した当時の海水温を記録する天然の温度計として機能するのである。

数十年にわたり、インド西部のハルディ層として知られる特定の岩石層は、この地球規模のパズルの謎の中に残されていた。クッチ盆地に位置するこの堆積層は、古代のクジラやワニ、巨大な海産巻貝の化石に富んでおり、中期始新生の重要な窓口となっている。しかし、その重要性にもかかわらず、科学者たちはこの時期の実際の水温に関するデータがほとんど持っていなかった。困難の原因はその岩石自体にあった。この地域は化石で有名だが、そこで見つかる貝殻は、数百万年にわたる圧力や地下水によって化学的に変質していることが多く、その温度記録は信頼性に欠ける。純粋で変質していない貝殻がなければ、過去の温度を算出するために必要な化学的信号は失われるか、かき乱されてしまう。これにより、西インドにおける古代気候のマッピングに大きな空白が生じ、研究者は、同じ物語を語っていない可能性のある近隣の他の岩石層のデータに頼らざるを得なくなっていた。

研究チームは、完璧な状態で生き残った6つの化石サンプルを慎重に選別することで、この空白を埋めた。彼らは、地層が明確に見える特定の道路の切土から、5つの牡蠣の殻と、大型の単細胞生物であるヌムリテス（Numulites）の殻を1つを選んだ。温度計算を試みる前に、チームはこれらの貝殻が数百万年にわたって化学的に改変されていないことを絶対に確信しなければならなかった。彼らは強力なX線技術を用いて各サンプルの内部構造をスキャンし、すべてのサンプルが、動物たちがもともと殻を形成した時と同じ純粋で安定した方解石（カルサイト）でできていることを確認した。この検証は不可欠であった。なぜなら、これにより、貝殻が後の地質学的プロセスによって再結晶化したり変質したりしていないことが証明され、そこに保持されている化学的データが古代の海洋の真の記録であることを保証できたからである。

サンプルが純粋であることが確認されると、研究者たちは貝殻の結晶構造の中に閉じ込められた酸素同位体を分析した。殻に含まれる異なる種類の酸素原子の比率は、その動物が生きていた時の水温に応じて変化する。これらの比率を測定し、古代の海水の化学組成として既知のものと比較することで、チームは各岩層の正確な水温を算出することができた。結果はダイナミックな熱の歴史を明らかにした。この地域の水温は、層の最上部で見られた比較的涼しい27.31℃から、褐色の頁岩（シェール）の層で見られた灼熱の38.44℃まで幅があった。最も注目すべきは、データが2つの明確な熱のスパイクを示したことである。一つのピークは、大量の貝殻が積み重なった大規模な嵐によって形成された岩層で32.25℃に達し、もう一つのさらに高温のピークである38.44℃は、蒸発岩を含む泥の層で見つかった。これは、水が浅く、塩分濃度が高かった時期を示唆している。

これらの温度スパイクは、前述の地球規模の温暖化イベントである中期始新世温暖極大期の局所的なシグネチャーとして解釈される。この発見を特に興味深くしているのは、そのタイミングである。他の研究では、この地球規模の温暖化イベントは約4050万年前に始まったことが示唆されている。しかし、ハルディ層においてこれらの熱のスパイクが見つかった岩石層は、4160万年前の境界付近をまたいでおり、それよりもわずかに古い年代である。これは、中期始新世温暖極大期に関連する温暖化が、この地域においては世界の平均的な示唆よりも早く始まったか、少なくとも、世界の他の部分に完全に記録される前に、この西インド洋にその信号が到達したことを示唆している。研究者たちはまた、最も高い温度が、嵐に襲われた貝殻層や、塩分が蒸発したラグーンのような、生命にとってストレスフルな環境と一致していることにも注目した。この一致は理にかなっている。なぜなら、極端な熱はしばしば蒸発と塩分濃度の変化を引き起こし、最も強い生命力を持つ生物だけが生き残れる環境を作り出すからである。

本研究は、最終的な結論というよりも、予備的なステップとして提示されている。チームは、これら6つのサンプルは、この層における最初の直接的な温度記録を提供するものであるものの、データポイントの数が少ないため、全容はまだ組み立てられている最中であることを強調している。極端な高温の値、特に38.44℃という数値は驚くべきものだが、研究者たちは、これらの傾向を統計的な確実性を持って確認するためには、より多くのサンプルが必要であると注意を促している。彼らはまた、貝殻の化学的信号の一部が特異であったことも指摘しており、局所的な環境要因が、まだ完全には理解されていない方法でデータに影響を与えた可能性を示唆している。これらの留保事項にもかかわらず、この研究は将来の研究のための基礎を築くことに成功した。それは、ハルディ層が読み取り可能な気候記録を保持していることを証明し、中期始新世の温暖化が、これまで考えられていたよりも複雑で早い始まりを持っていた可能性を示唆しており、この古代の温室の世界が真にどのように機能していたのかについて、さらなる調査を促している。