炭酸塩補償深度

炭酸塩補償深度（CCD）

概要

炭酸塩補償深度（たんさんえんほしょうしんど、英語: Carbonate Compensation Depth, 略称: CCD）とは、海洋において炭酸塩化合物、特に炭酸カルシウム（CaCO₃）が溶解することなく、固体として海底に堆積し続けることができる最も深い限界の深度を指します。この特定の深度よりも深い海水域では、炭酸カルシウム質の粒子は溶解してしまい、海底に炭酸塩を主成分とする堆積物が形成されることはありません。つまり、CCDは炭酸塩質の海底堆積物が見られるかどうかの境界線となる深度です。

海中における炭酸カルシウムの挙動

海水中では、炭酸カルシウムは周囲の環境条件によって、固体として存在したり、イオンとして水中に溶解したりを繰り返しています。このプロセスは、炭酸カルシウムが水（H₂O）および溶解した二酸化炭素（CO₂）と反応して、カルシウムイオン（Ca²⁺）と炭酸水素イオン（HCO₃⁻）になるという可逆的な化学反応に基づいています。

`CaCO₃(固) + CO₂(溶) + H₂O(液) ⇌ Ca²⁺(aq) + 2HCO₃⁻(aq)`

この式は、右向きに進むと炭酸カルシウムが溶解し、左向きに進むと沈殿・固化することを示しています。海水表層には、有孔虫や円石藻のような、炭酸カルシウムでできた硬い殻や骨格を持つ微小なプランクトンが多く生息しています。これらの生物が一生を終えて死ぬと、その遺骸、特に炭酸カルシウム質の殻はゆっくりと海底に向かって沈降していきます。

CCDが生まれる理由

沈降していく粒子は、水深が深くなるにつれて変化する海水の物理化学的環境にさらされます。水深が増すにつれて、以下のようないくつかの要因が複合的に働き、炭酸カルシウムを溶解させる方向へと化学平衡を傾かせます。

水温の低下: 一般的に、深層水は表層水よりも低温です。炭酸カルシウムの溶解度は、水温が低いほどわずかに増加する傾向があります。
水圧の上昇: 水深が深くなるほど水圧が高まります。高圧環境は、イオン化を促進するため、炭酸カルシウムがカルシウムイオンと炭酸水素イオンに解離・溶解する反応を助長します。
* 二酸化炭素濃度の増加とpHの低下: 深層水は、表層に比べて溶解した二酸化炭素の濃度が高い傾向があります。これは、表層で生成された有機物が深層で分解される際に二酸化炭素を放出するためです。二酸化炭素が水に溶けると炭酸（H₂CO₃）を生成し、海水全体のpHを低下させます（酸性度が増します）。炭酸カルシウムは酸性の環境ほど溶解しやすいため、低pHは溶解を強く促進する要因となります。

これらの環境変化の結果、ある特定の水深を超えると、海水による炭酸カルシウムの溶解速度が、上層から沈降してくる炭酸カルシウム粒子の供給速度を上回るようになります。この深度こそが炭酸塩補償深度（CCD）です。CCDよりも深い海底では、沈降してきた炭酸カルシウム粒子は、着底するまでに、あるいは着底してもすぐに周囲の海水によって溶解されてしまうため、炭酸塩を主体とする堆積物はほとんど残りません。

CCDの深さの変動

炭酸塩補償深度の深さは、地球上の全ての海域で均一ではなく、場所によって大きく異なります。これは、炭酸カルシウム粒子の供給量（海域の生物生産性）、深層水の二酸化炭素濃度や循環パターン、海底地形、さらには過去の気候変動など、様々な要因に影響されるためです。

一般的に、大西洋のCCDは太平洋のCCDよりも深いことが知られています。これは、大西洋の深層水が比較的若く、二酸化炭素の蓄積が少ない（すなわちpHが高い）のに対し、太平洋の深層水は何千年もの長い旅を経て古くなっており、有機物の分解によって二酸化炭素を多く蓄積し、より酸性度が高くなっているためと考えられています。具体的な深度については研究者によって異なる報告がありますが、太平洋では約4,000mから5,000m、大西洋では5,000mから5,500m程度とされることが多いようです。ただし、太平洋で約1,500m、大西洋で約3,000mという異なる深度が示されることもあり、これは調査対象の海域や方法、さらには炭酸塩の種類（例えば、カルサイトとアラゴナイトでは溶解度が異なる）によって見かけ上のCCDが変わり得ることを示唆しています。

また、高緯度地域ほどCCDが浅くなる傾向が見られます。これは、冷たい高緯度海域の表層水がより多くの二酸化炭素を溶解させやすく、形成される深層水も初めから二酸化炭素濃度がやや高いため、深層でのpHが比較的低くなりやすいためと考えられます。

学術的な意義

炭酸塩補償深度は、海洋地質学、古海洋学、海洋化学などの分野において極めて重要な概念です。海底コア試料から得られる堆積物の層序を分析し、炭酸塩含有量の変化を調べることで、過去の地質時代のCCDの深さや変動を推定することができます。この情報は、過去の海洋における二酸化炭素循環、深層水の循環パターン、海洋の生産性、さらには地球全体の気候変動の歴史を理解するための貴重な手がかりとなります。

例えば、「グレートカルサイトベルト」と呼ばれるような、特定の海域で厚い炭酸カルシウム質の堆積層が見られる場所は、その海域が長い地質期間にわたってCCDよりも浅い水深に位置し、炭酸塩の堆積が継続的に行われてきたことを示しています。これは、その地域の海底地形の安定性や、生物生産性の高さを反映している場合が多いです。

このように、炭酸塩補償深度は、現在の海洋環境を理解するだけでなく、過去の地球環境を復元し、将来の気候変動予測にも関連する、海洋システムにおける物質循環の重要な指標の一つです。

もう一度検索