Organic Geochemistry of Shale Outcrop From the Morro Do Chaves Formation, Lowercretaceous, Sergipe-Alagoas Basin, Northeastern Brazil

悠久の時間は、恐竜の骨や古代の生物の殻だけでなく、それらが生息していた岩石の化学組成そのものにもその指紋を残している。有機地球化学として知られるこの分野は、堆積岩を「化学的なアーカイブ」として扱う。植物、藻類、そして微小な生物が死に、湖や海の底に沈み込むと、その残骸は泥の中に閉じ込められることがある。数百万年という歳月を経て、この有機物はケロジェンと呼ばれる、埋没した環境の記憶を保持するワックス状の物質へと変化する。これらの岩石に含まれる特定の炭素分子の種類や異なる元素の比率を分析することで、科学者たちは古代の気候を再構築し、水が淡水であったか塩水であったかを判断し、湖底が酸素に富んでいたのか、あるいは完全に無酸素状態であったのかを解明することができる。こうした条件を理解することは、過去に生命がいかに生き延れ、地質学者が石油やガスが形成された可能性のある古代の環境を特定する上で極めて重要である。

ブラジル北東部において、ある特定の岩層は、絶えずその性質を変え続けていた湖の劇的な物語を伝えている。白亜紀前期に遡るモロ・ド・シャベス層は、かつてゴンドワナ超大陸が分裂し始めた際に形成された巨大なリフトバレーの一部であった地域に位置している。数十年にわたり、地質学者たちはここにある、貝殻の残骸が詰まった「コキナ」と呼ばれる有名な貝層を研究してきた。これらの貝層は、浅い嵐の多い湖水の中で形成されたことが長年理解されてきた。しかし、貝殻と共に存在する暗色の泥質の頁岩（シェール）は、謎のまま残されてきた。貝殻が注目を集める一方で、頁岩はこの水の化学組成や、嵐の合間の静かな瞬間を解き明す鍵を握っているのである。リオデジャネイロ州立大学とペトロブラスの研究チームは、これらの見過ごされてきた泥岩を詳しく調査し、それがどのような世界であったのかを理解することに決めた。

研究者たちは、アルゴアス州にある採石場に焦点を当てた。そこは、垂直な岩壁が1キロメートル以上にわたって露出している場所である。彼らは、岩壁の最下部から最上部まで、11の異なるレベルから計1名式の頁岩サンプルを慎重に採取した。研究所では、彼らの化学的な歴史を読み取るために設計された一連のテストに、これらの岩石を供した。まず、泥の中にどれほどの生命が保存されたかの指標となる、全有機炭素量を測定した。また、制御された環境下で岩石を加熱し、どのような炭化水素が放出されるかを調べた。このプロセスは、もともとそこに存在した生命のタイプを明らかにするものである。最後に、彼らは高度な化学的分離技術を用いて、「バイオマーカー」として知られる特定の分子マーカーを単離した。これらの分子は「化学的な化石」のようなものであり、それらを生み出した特定の生物の構造的特徴を保持しているため、科学者は藻類、細菌、陸上植物を区別することができる。

分析結果は、複雑で変化の激しい生態系の姿を描き出した。頁岩に含まれる有機物は均一ではなく、層によって大きく異なることが示された。高い有機炭素量を含む層もあれば、極めて乏しい層もあった。化学的シグネチャーは、これらの岩石に保存された生命が2つの主要な源泉、すなわち淡水の藻類と陸上植物に由来することを示した。いくつかのサンプルにおいて、研究者たちはタイプIおよびタイプIIのケロジェンの強い存在を確認した。簡単に言えば、これは有機物が主に藻類やその他の水生生物に由来しており、酸素が極めて少ない環境で保存されたことを意味している。酸素の乏しい水中でしか形成されない鉱物である黄鉄鉱の存在は、この古代の湖の底がしばしば停滞し、無酸素状態であったことを裏付けている。

しかし、この物語は単純で孤立した湖の話ではなかった。化学データは、水質が絶えず変動していたことを示唆していた。ある層では、分子マーカーは陸上植物が支配的な純粋な淡水環境を指し示していた。また別の層では、マーカーは淡水と塩水の混合を示しており、湖が周期的に海に侵入されていたことを示唆していた。研究者たちは、海進（海洋の侵入）の証拠を見出した。これは、南大西洋の開裂に伴う地殻変動や海面上昇によって、海水が湖盆へと押し寄せたことを意味する。これらの事象により、海水が湖に流れ込み、海洋性の魚類や汽水性の軟体動物が淡水種と混ざり合うような、汽水域のラグーンのような環境が作り出された。プリスタンとフィタンの関係といった特定の分子の化学比率は、研究チームが、穏やかで湿潤な時期と、湖が縮小して水が濃縮された乾燥した温暖な時期を区別するのに役立った。

最も興味深い発見の一つは、「P05」とラベル付けされた特定のサンプルから得られた。この層は、藻類の物質に対して細菌が作用することで生成される、典型的な中鎖炭素鎖が支配的な、独特の化学的シグネチャーを示した。これは、この層が堆積していた時期、環境が特に穏やかで湿潤であり、異なる種類の生物学的プロセスが発生することを可能にする深く安定した水柱が存在していたことを示唆している。対照的に、他の層は、嵐や急激な水位の変化といった高エネルギーの事象の兆候を示しており、それらが有機物の多くを洗い流し、結果としてこれらのサンプルに見られるような低い炭素含有量をもたらしたと考えられる。熱成熟度テスト（岩石が時間の経過とともにどれほどの熱にさらされてきたかを測定するもの）によれば、これらの岩石は地質学的にはまだ比較的若く、分析に必要な繊細な化学構造を保存するのに十分なほど「調理」されていなかったことが示された。

本研究は、モロ・ド・シャベス層が、攪乱され動的な古環境を代表していると結論づけている。それは静止した湖ではなく、淡水、汽水、そして海洋条件の間で振動するシステムであった。頁岩は、周期的な海進が湖をラグーンへと変容させ、多様な生命形態が繁栄し、そして死にゆくユニークな生息地を作り出した歴史を記録している。大陸成分と海洋成分の両方の有機物の存在、および変動する酸素レベルの化学的証拠は、この領域が、崩壊する大陸の力と迫り来る海洋の力が衝突する遷移帯であったという考えを支持している。これらの泥岩の化学を読み解くことで、研究者たちは有名な貝層が残した空白を埋め、気候変動、構造運動、そして淡水と塩水の間の繊細なバランスが、この古代ブラジルの片隅における生命の形をどのように形作ったかという複雑な歴史を明らかにしたのである。