東北大 理学研究科 地学専攻 専門科目 2024年度 院試 過去問 解答例・解説（全5問）

問1: 炭素同位体・気候・風化

植物プランクトンの一次生産が急増すると、生物は軽い $^{12}\mathrm{C}$ を優先的に有機物へ取り込む。そのため海洋表層の溶存無機炭素には $^{13}\mathrm{C}$ が相対的に残り、$\delta^{13}\mathrm{C}$ は高くなる。

一次生産の増加と有機炭素埋没は、大気海洋系から $\mathrm{CO_2}$ を除去し、温室効果を弱めるので、長期的には寒冷化をもたらしうる。図のフィードバックだけでなく、炭素循環を通じた放射収支の変化として説明する。

寒冷化すると降水量、反応速度、土壌中 $\mathrm{CO_2}$ 供給が低下しやすく、CaSiO$_3$ 型岩石の化学的風化は抑制される。代表的な反応は $$\mathrm{CaSiO_3}+2\mathrm{CO_2}+\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{Ca^{2+}}+2\mathrm{HCO_3^-}+\mathrm{SiO_2}$$ である。

顕生代の温室期は、海洋底拡大や熱水循環が活発で、海水から Mg が除去され Ca が供給されやすいため、氷室期より Mg/Ca 比が低い傾向にある。低 Mg/Ca の海では、海棲石灰化生物の初生鉱物は低Mg方解石、すなわちカルサイトになりやすい。

問2: プレート運動とマグマ生成

プレートテクトニクス構築につながった古地磁気学的知見として、まず大陸ごとの見かけの極移動曲線が挙げられる。大陸を現在位置で固定すると曲線が一致しないが、大陸移動を戻すと整合するため、大陸が移動した根拠になる。もう一つは海洋底の地磁気縞模様である。中央海嶺を挟んで正逆帯磁の縞が対称に並ぶため、海嶺で新しい海洋地殻が生成され、両側へ拡大したことを示す。

沈み込む海洋地殻の玄武岩質物質は、高圧下で斜長石を失い、ガーネットを含むエクロジャイトへ変化する。エクロジャイトは周囲のマントルより密度が大きいため、沈み込むプレートの負の浮力を増し、スラブプルとしてプレート運動を駆動する。

海嶺では高温のマントルが上昇し、圧力低下により無水かんらん岩のソリダスを横切るため、減圧融解で玄武岩質マグマが生じる。沈み込み帯では冷たいスラブ上の地温勾配だけでは無水ソリダスを超えにくいが、スラブの脱水で供給された水がマントルウェッジのソリダスを下げ、含水部分融解により島弧マグマが発生する。