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[SCG48-19] マリアナ島弧・沖縄トラフにおける液体・ガス二酸化炭素噴出孔でのリアルタイム化学計測
キーワード：マリアナ島弧、沖縄トラフ、ラマン分光分析、超臨界・液体二酸化炭素
マリアナ島弧・沖縄トラフでは、超臨界・液体・気体二酸化炭素を豊富に含む流体を噴出する海底熱水地帯が発見されている[1]。特に超臨界・液体二酸化炭素は、深海において有機物や他物質との反応性に富む特異な場を提供し、二酸化炭素がどのような状態で、他のどのような化合物とともに噴出されるか調べることは、海洋底の生物地球化学的な理解に貢献する。さらに、二酸化炭素が豊富だった太古海洋環境においても、有機物の反応の場として生命の起源につながる可能性さえ指摘されている[1]。しかし、超臨界・液体二酸化炭素を豊富に含む流体をサンプリングし化学分析した例や現場観測を行った例は過去にあるが[2, 3]、海水のコンタミネーションが全くない状態で分析することは著しく困難である。
本発表では、マリアナ島弧・沖縄トラフの熱水域にて噴出される二酸化炭素を豊富に含む流体の、深海運用型ラマン分光分析技術を用いたリアルタイム化学モニタリング計測の成果について紹介する。ラマン分光分析とは、レーザー光を照射した時に分子振動などに応じて起こる微弱なラマン散乱光を、高感度の検出器を搭載した分光器で分析する手法である。気体・液体・固体を問わず分析可能で、水圧影響をほぼ受けずに、非破壊・非接触・ラベルフリーで、複数化合物の同時分析を実現可能である。我々は水深2000m耐圧の深海運用型ラマン分光分析装置を開発し（図）、2023年3月にマリアナ島弧域、9月に沖縄トラフの複数の熱水域にて観測を行った。マリアナ島弧では、水深約1600mのNorth-West永福サイトにて、噴出流体からハイドレート化した液体二酸化炭素の信号を観測、水深約400mの大黒サイトにて、気体二酸化炭素の信号を観測し、噴出する二酸化炭素の状態をラマン分光分析にて特定できることを示した。また、硫化水素（North-West永福サイトでは硫黄も）も同時に検出した。North-West永福サイトでは、ラマン分光分析装置が上部に装着された採取装置に流体をためたまま、水面まで浮上する間測定を行い、415m付近で液体から気体の二酸化炭素に変化する様子を捉え、理論的な二酸化炭素-水系の状態変化と調和的であることを確認した[4]。それに対し、沖縄トラフで行った数か所の熱水域では、液体から気体への状態変化が起こる深度が理論的な値から逸脱し、1000～600mと場所によってばらつきがあり、メタン・窒素など二酸化炭素以外の構成成分の割合に起因することが示唆された。海底で噴出する二酸化炭素が浮上するうちにどのような状態変化をたどるかをラマン分光分析によるリアルタイム計測で示したのは本研究が世界で初であり、海洋底での地球化学的観測技術としての新たな可能性を示した。
[1] Shibuya, T.; Takai, K. Liquid and supercritical CO2 as an organic solvent in Hadean seafloor hydrothermal systems: implications for prebiotic chemical evolution. Progress in Earth and Planetary Science 2022, 9, 1–15.
[2] Lupton, J.; Butterfield, D.; Lilley, M. et al. Submarine venting of liquid carbon dioxide on a Mariana Arc volcano. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 2006, 7.
[3] Zhang, X.; Li, L.; Du, Z., et al. Discovery of supercritical carbon dioxide in a hydrothermal system. Science Bulletin 2020, 65, 958–964.
[4] Takahashi, T., Takahagi, W., Tasumi, E. et al. In Situ Measurement of Liquid and Gas CO2 with High Purity at Deep-Sea Hydrothermal Vents in the Mariana Arc Using Raman Spectroscopy. ACS Earth and Space Chemistry 2023 7, 2489-2497.
本発表では、マリアナ島弧・沖縄トラフの熱水域にて噴出される二酸化炭素を豊富に含む流体の、深海運用型ラマン分光分析技術を用いたリアルタイム化学モニタリング計測の成果について紹介する。ラマン分光分析とは、レーザー光を照射した時に分子振動などに応じて起こる微弱なラマン散乱光を、高感度の検出器を搭載した分光器で分析する手法である。気体・液体・固体を問わず分析可能で、水圧影響をほぼ受けずに、非破壊・非接触・ラベルフリーで、複数化合物の同時分析を実現可能である。我々は水深2000m耐圧の深海運用型ラマン分光分析装置を開発し（図）、2023年3月にマリアナ島弧域、9月に沖縄トラフの複数の熱水域にて観測を行った。マリアナ島弧では、水深約1600mのNorth-West永福サイトにて、噴出流体からハイドレート化した液体二酸化炭素の信号を観測、水深約400mの大黒サイトにて、気体二酸化炭素の信号を観測し、噴出する二酸化炭素の状態をラマン分光分析にて特定できることを示した。また、硫化水素（North-West永福サイトでは硫黄も）も同時に検出した。North-West永福サイトでは、ラマン分光分析装置が上部に装着された採取装置に流体をためたまま、水面まで浮上する間測定を行い、415m付近で液体から気体の二酸化炭素に変化する様子を捉え、理論的な二酸化炭素-水系の状態変化と調和的であることを確認した[4]。それに対し、沖縄トラフで行った数か所の熱水域では、液体から気体への状態変化が起こる深度が理論的な値から逸脱し、1000～600mと場所によってばらつきがあり、メタン・窒素など二酸化炭素以外の構成成分の割合に起因することが示唆された。海底で噴出する二酸化炭素が浮上するうちにどのような状態変化をたどるかをラマン分光分析によるリアルタイム計測で示したのは本研究が世界で初であり、海洋底での地球化学的観測技術としての新たな可能性を示した。
[1] Shibuya, T.; Takai, K. Liquid and supercritical CO2 as an organic solvent in Hadean seafloor hydrothermal systems: implications for prebiotic chemical evolution. Progress in Earth and Planetary Science 2022, 9, 1–15.
[2] Lupton, J.; Butterfield, D.; Lilley, M. et al. Submarine venting of liquid carbon dioxide on a Mariana Arc volcano. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 2006, 7.
[3] Zhang, X.; Li, L.; Du, Z., et al. Discovery of supercritical carbon dioxide in a hydrothermal system. Science Bulletin 2020, 65, 958–964.
[4] Takahashi, T., Takahagi, W., Tasumi, E. et al. In Situ Measurement of Liquid and Gas CO2 with High Purity at Deep-Sea Hydrothermal Vents in the Mariana Arc Using Raman Spectroscopy. ACS Earth and Space Chemistry 2023 7, 2489-2497.