Abstract:

Considering the importance of ocean circulation to global and regional climate, it is of formost interest to understand the controlling factors of its variability in the past. The present study concentrates on past ocean circulation at intermediate water depths in the North Pacific, a region that has received far less scientific attention than its Atlantic counterpart. During the present interglacial, a low salinity water mass defined as North Pacific Intermediate Water (NPIW) is extending from its primary source, the Okhotsk Sea, into the North Pacific Ocean. NPIW formation is associated with sinking dense waters originating in the polynya growth region of the northern Okhotsk Sea. Polynya development offshore at its turn is largely driven by dominant northeasterly winds during winter. There is evidence that NPIW was ventilated to deeper depths and was more wide spread in the North Pacific during the last glacial period than today (e.g. Matsumoto et al., 2002). Yet, the behavior and sources of glacial NPIW are poorly understood. Based on radiolarian abundances it was hypothesized that the Bering Sea may have been a glacial source of NPIW (e.g. Ohkushi et al., 2003). On the other hand, deep sea sediments from the California margin suggested possibility of waning and waxing of NPIW intensity in association with Dansgaard-Oeschger cycles (Behl and Kennett, 1996). To test the possibility of such hypotheses, I investigated a piston core (PC-23A) recovered from the north-eastern continental slope at a water depth of 1002m during the cruise MR06-04 Leg2.

I conducted visual and soft X-ray observations in order to describe the lithological changes of the core. Fourteen (14)C dates and last occurrence datum of the radiolarian species L.n.sakaii were used to establish an age model. I picked up benthic foraminifera Uvigerina akitaensis and Buliminella tenuata, which were analyzed for oxygen and carbon isotopes at Woods Hole Oceanographic Institute (U.S.A.) to reconstruct changes of intermediate water properties. High resolution geochemical analysis was also conducted using an XRF micro-scanner supported by conventional XRF analysis in order to examine inter-element relationships among the major elements and their relation with lithology.

According to the age model, the stratigraphic intervals with distinct increases in benthic foraminiferal δ(18)O (δ(18)O(bf)), which suggest colder and/or more saline intermediate water conditions, correspond to Heinrich events (surges of icebergs from the Laurentide ice sheet into the North Atlantic), characterized by cold air temperatures observed in the Greenland Ice Core. These same intervals correspond in most cases to increases in benthic foraminiferal δ(13)C (δ(13)C(bf)), indicating a proximal source of intermediate water and/or decreased values of surface productivity. On the other hand, increases in carbonate content were found to correspond to Dansgaard-Oeschger Interstadials.

I furthermore investigated the lateral gradient of δ(13)C(bf) and δ(18)O(bf) between the Bering Sea and the Okhotsk Sea at intermediate depths. I demonstrate that during the particularly severe stadials of Heinrich event 5 (H5) and H4, intermediate water was colder and/or more saline in the Bering Sea than in the Okhotsk Sea. I also demonstrate that a lateral gradient of δ(13)C(bf) existed from the Bering Sea (heavier δ(13)C(bf)) to the Okhtosk Sea (lighter δ(13)C(bf)) during H5, H4, H1 and the Younger Dryas (YD), while no significant gradient was observed during interstadial periods. Such observation gives evidence that the Bering Sea could have been a source to better ventilated glacial intermediate waters observed in the NW Pacific during H5, H4, H1 and YD. I further conclude that at least during H1 and YD, intermediate water ventilation at the Bering Sea contributed to the enhanced ventilation of intermediate water off Shimokita Peninsula (northern Japan). I argue that ventilation was reduced during B/A compared to today, based on a comparison of surface productivity during B/A and today, and suggest that the decrease in ventilation may have been one reason of sluggish ventilation off Shimokita Peninsula during B/A.

For more direct evidence of NPIW variation, I examined the grain size distribution of the detrital component, which shows unimodal or bimodal distributions. I identify a fine mode lithologically characteristic of bioturbated or laminated silty clay, and a coarse mode characteristic of layers of bioturbated very fine sand. Petrographical observation together with paleoceanographical and sedimentological considerations revealed that the fine mode represents fine detrital material accumulated under calm hemipelagic conditions, while the coarse mode may be explained by detrital material accumulated under the influence of contour currents. Based on this interpretation, the modal position of the coarse mode should represent the velocity of contour current, whereas sortable silt content (including a very fine sand fraction) should represent the frequency of strong bottom currents. To further extend grain size results, I investigated the relation between major element composition of the sediments and grain size parameters of the detrital component, and found that Si/Al is mostly explained by the difference in grain size and can be used as a proxy for sortable silt. I demonstrate that maxima in the median diameter of the coarse mode and Si/Al are generally associated with high δ(18)O(bf) and δ(13)C(bf), which were correlated to stadial periods of the Greenland ice core record. Because bottom currents may be responsible for shifts in the median diameter of the coarser fraction of the grain size distribution and increases in sortable silt content, I conclude that bottom current intensity increased during Heinrich events, several more stadial periods of the last glacial period and the YD, which is consistent with cooler and/or more saline water and enhanced ventilation as suggested from the benthic isotopic record.

The present study suggests that the Bering Sea may have experienced large climatic and oceanographic changes in association with Dansgaard-Oeschger cycles. Intermediate water would have been produced in the Bering Sea during Heinrich events and YD, while its production may have been subdued during interglacials both in the Okhotsk and Bering seas.

Based on the correlation between δ(18)O(bf) and δ(13)C(bf) at site PC-23A and Greenland ice δ(18)O, I suggest a possible teleconnection between the North Atlantic and the North Pacific mediated by the atmosphere. During Heinrich events, when the Atlantic Meridional Overturning Circulation weakened or shut down, high latitudes of the Northern Hemisphere experienced severe cooling(e.g. Bond et al., 1992). Cold temperatures were associated with decreasing sea surface temperatures and increasing sea surface salinities in the Bering Sea due to a decrease in net fresh water input supporting destabilization of the water column. On the other hand, the water column may have been better stratified in the Okhotsk Sea during the last glacial period, due to closed winter sea ice coverage, moist air advected from the Pacific and enhanced Amur river input. As an important second factor I suggest that changes in the northern hemispheric wind patterns during Heinrich events associated with increases in northerly winds during severe cold periods over the Bering Sea could have promoted the formation of polynya and generated dense waters that would have sunken down to intermediate and/or deep depths, thereby providing a source of ventilation to NPIW. Dominant northerly winds over the Bering Sea, which occur today during cold winters, are commonly associated with a strong high pressure cell over northeastern Siberia and an eastward shift in the position of the Aleutian Low. Such a configuration of atmospheric circulation is, however, not favorable for northwesterly winds over the Okhotsk Sea, which is consistent with the presented observation of a preferential NPIW generation in the Bering Sea, rather than Okhotsk Sea, during cold episodes of the last glacial period.

本論文は二部構成からなり、第1部は8章、第2部は7章から構成されている。

先ず、第1部に入る前に、全体を通じた序論において、過去における北太平洋中層水の挙動を知る事がなぜ重要なのかについて、特にダンスガード-オシュガー・サイクル[DOC]と呼ばれる半球規模の急激な気候変動との関わりという視点から述べられ、その上で研究の目的および戦略が記述されている。

第1部は、ベーリング海北東縁の水深約1,000mの地点から採取されたコアに含まれる底生有孔虫殻の酸素および炭素同位体比に基づく最終氷期から融氷期にかけての北太平洋中層水の変動について書かれている。その第一章は序論にあたり、現在の北太平洋中層水が、オホーツク海で形成されている事、過去のその挙動については、ベーリング海で形成されていた可能性が指摘されているが、十分な証拠が提示されていない事が述べられている。第二章では、コア採取地点の地形や現在の海洋環境、コアからの分析用試料の分取、分取した試料の前処理について記述されている。第三章では、第1部で用いられた軟X線撮影、蛍光X線を用いた主要元素組成分析、底生有孔虫殻の酸素、炭素同位体分析、および放射性炭素年代測定の手法について記述されている。第四章では、使用されたコアの岩相およびその区分について記述されている。第五章は、使用されたコアの年代モデルとその元になった放射性炭素年代、放散虫層序、酸素同位体層序について記載されている。第六章では、底生有孔虫殻の酸素、炭素同位体比、生物源炭酸塩(CaCO3)、およびS/Fe比の分析結果について、詳細な記述がなされている。すなわち、1) 酸素同位体比は、数千年に一度、0.2-0.4パーミル重くなり、それは、ハインリッヒ・イベントと呼ばれる北大西洋における氷床流出イベント(DOCの強い亜氷期に対応する寒冷期イベント)と一致しており、中層水の水温低下および高塩分化を示唆する事、2) また、その他のDOCの亜氷期の一部でも、水温低下と高塩分化が見られる事、3) 更に、酸素同位体比が重くなった時期には、ほとんど例外無く炭素同位体比も0.2パーミル前後重くなっており、S/Fe比が低い事と併せて中層水が形成されて間もない事を示唆する事、4) 一方、DOCの亜間氷期に対応する時期には、炭酸塩含有量が上がり、有孔虫の含有量も増える事から、表層での生物生産が上がった可能性を示唆する事、を指摘している。第七章では、こうしたベーリング海のコアにおける底生有孔虫殻の炭素、酸素同位体比の変動を、オホーツク海のほぼ同水深のコアにおける結果と比較して、1) 氷期から融氷期の大部分の時期には、両海域における同位体比はほぼ同じ値を取る事、2) ハインリッヒ・イベントなどの寒冷期には、酸素、炭素同位体比ともにベーリング海の方が重い値を取る事を示している。そして、第八章において、氷期から融氷期の寒冷期には、ベーリング海において、低温で塩分が高く、形成後間もない中層水が形成された可能性が高いと結論している。

第2部は、氷期から融氷期にかけての寒冷期に、ベーリング海において中層水が形成された事を支持するより直接的な証拠を求めて、第1部で分析したと同じコアを用いて砕屑物の粒度分析と主要元素組成分析を行った結果について、記述されている。第一章では、北太平洋中層水が氷期および融氷期の中の寒冷期(DOCの亜氷期)に形成されていた可能性をより直接的に検証する上で、強い底層水流下で形成されるコンターライトと呼ばれるシルト質堆積物の認定とその粒径測定が有効である事を述べるとともに、砕屑物の元素組成が粒度の指標となる場合がある事を述べている。そして第二章では、現在のベーリング海における海洋環境、特に表層および深層水循環に関してレビューしている。第三章では、コンターライトの堆積学的特徴を説明した上で、研究対象としたコアの岩相を基に、それがコンターライトを含む可能性について述べている。第四章では、砕屑物の抽出法およびその粒度分析手法について記述されている。第五章では、分析結果が記載され、砕屑物が10μm前後の中央粒径を持つ細粒モードと、70μm前後の粒径を持つ粗粒モードからなる事を示し、細粒モードは静寂な環境での表層からの鉛直沈降により堆積した砕屑物を、粗粒モードは10cm/secを超える強い底層水流下で堆積したコンターライト起源砕屑物を反映すると考えられる事を詳しく論証している。また、Si/Al比が粗粒モードと細粒モードの比を良く反映し、それは強い底層水流環境の出現頻度を反映すると解釈している。そして、同じコアの酸素、炭素同位体変動と比較し、粗粒モードの粒度が大きくSi/Al比が大きい時期が酸素、炭素同位体比が大きい時期に対応している事を示している。更に第六章では、氷期から融氷期の寒冷期にベーリング海で中層水が形成された事と冬季の気圧配置との関係について展望を述べ、第七章で、氷期から融氷期にかけての寒冷期、特にハインリッヒイベントにベーリング海で中層水が形成された事は確実で、それは冬季の気圧配置の変化に起因した風向、風速の変化と関係する可能性が高いと結論している。

本委員会は、論文提出者に対し、平成21年2月3日に学位論文の内容および関連事項について口頭試験を行なった。委員会は、最終氷期から融氷期にかけての寒冷期に、ベーリング海で北太平洋中層水が形成されていた事を、同位体的および堆積学的手法を組み合わせることにより、世界で初めて示した本論文の成果を、地球惑星科学、特に古海洋学における重要な成果であると判断し、審査委員全員一致で合格と判定した。

なお、本論文の第一部は、多田隆治、内田昌男、長島佳奈、板木拓也、大串健一、坂本竜彦、原田直美との共同研究であるが、全て論文提出者が主体となって分析および検証を行ったものであり、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

従って、博士(理学)の学位を授与できるものと認める。