ウラン-トリウム(U-Th)年代学
U-Th年代測定は、親核種のウランと娘核種のトリウムの同位体比の分析に基づきます。 この比は親核種から娘核種へ時間と共に崩壊する量を見積もるために用いられ、測定は試料中の親核種 (234U) および娘核種 (230Th) の質量分析により行われます。ウラン系列の崩壊過程は下図のように 238U) で始まり安定同位体である 206Pbで終了します。
U-Th 年代測定は親核種のウランと娘核種のトリウムの同位体を分析し、時間と共に起こる親核種から 娘核種への崩壊量を計算することによって行います。
炭酸塩試料のU-Th年代測定は以下の条件を満たしていれば可能です。
- U-Th年代測定が可能な年代範囲内であること(up to 500 ka),
- 高精度な同位体希釈分析が可能な量の 234U および 230Th が含まれていること,
analysis, - 堆積時の初期過剰230Th(initial excess 230Th)が無視できるまたは既知であること,
- U および Th 同位体に対して閉鎖系(closed system)であること。
オープンシステムにおけるウラン喪失と 230Th の取り込みは間違った結果をもたらします。 また、初期U/Caおよびウラン含有量が低い試料は、続成作用による堆積中のウラン取り込みにより間違った結果をもたらす場合がありあます。
さらに詳しく:
U-Th年代測定
U-Th 法では50万年前までの炭酸塩試料の年代測定が可能です。新しい試料は 230Th 量が少なく原理的な限界により信頼性のある結果を得ることができません。一般的に測定によく用いられる試料は、 洞窟壁画、鍾乳石などの洞窟生成物、サンゴ化石、貝化石などです。
洞窟壁画
壁画の最表層に沿ってできた薄いカルサイトのウラン-トリウムの分析により洞窟壁画のおおよその年代を推定することができます。その場合、年代は最小年(その年代よりは古い)を示します。さらに、下層のカルサイトにアクセスできる場合は最大年（その年代よりは新しい）が決定できる可能性があります。(Pons-Branchu et al. 2014) 炭酸塩クラストはオープンシステムであるため、複数層でU-Th年代と14C年代を両方行うことにより、結果を検証することも可能です。(Sauvet et al. 2015)
(Photo Credit: Arash Sharifi)
洞窟二次生成物: スぺレオセムとフローストーン
スぺレオセムの安定同位体比では、その形成時の環境に関する情報を得ることができます。一方、U-Th年代測定、もしくはU-Th年代測定と 14C年代測定を詳細に行い、スぺレオセムの成長距離と年代の関係を求めることにより古気候復元に必要な時間軸を与えることができます。
スタラグマイト(上方に成長するスぺレオセム)はスタラクタイト（下方に成長するスぺレオセム）より規則的な成長面を持ち、構造が明確であることが多いので調査に適している場合が多いといえます。(Spötl & Boch, 2019)
U-Th 法も14C法もスぺレオセムの年代測定に用いられますが、炭素リザーバ効果や不純物の混入により確度の低い 14C年代しか得ることができず、二つの年代法で数千年の差が生じることがあります。(Goslar et al. 2000)
(Photo Credit: Arash Sharifi)
サンゴ
サンゴはU-Th 分析により500,000 BPまでの年代測定が可能です。しかしながら234U、 230Th および 234Th の獲得/喪失が年代のずれ（バイアス）を生じさせる可能性があります。ウランの獲得がトリウムの喪失とペアで起きた場合は、若い年代へのバイアスが起こり、ウランの喪失がトリウムの獲得とペアで起きた場合は、古い年代へのバイアスが起こります。(Andersen et al. 2009) しかしスクリーニング手法により系統的な補正が可能です。(e.g. Thompson et al., 2003) 環境の変化の復元は確かな年代軸がないと不可能です。サンゴのU-Th年代測定により14Cで測定可能な年代幅を超えて信頼性の高い年代を得ることができます。また古環境復元のために、いろいろな手法を組み合わせて行うことも有用です。例 : wet/dry phases (Yehudai et al. 2017), mortality/recovery of coral reef systems (Clark et al. 2017), seawater temperature (DeCarlo et al. 2016) and pH (Stewart et al. 2016; Pauly et al. 2015).
貝
貝試料の年代測定もさかんに行われてきました。U-Th年代測定法は、試料形成時ウランを取り込み、かつ外部からのトリウムのインプットが限られている(閉鎖系を保っている)ことを前提としています。U-Thの崩壊の過程で構造中に蓄積されたトリウムが対象となるからです。しかしすべての堆積環境、試料においてこのような条件が満たされているわけではありません。砕屑性トリウム取り込みのレベルが様々である層準の複数の貝試料の ”アイソクロン年代”がどのような場合可能かどうか(Bischoff & Fitzpatrick, 1991)、また試料の選択において、初期トリウム濃度の重要性(e.g. Placzek et al. 2006)について理解しなければなりません。一般的に貝試料はオープンシステムであることから年代測定はチャレンジングですが、U-Thは14C 年代測定 (ca. 40,000 cal BP)より古い年代値を得ることができるという利点があります。
(Photo Credit: Arash Sharifi)
References
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Coral Image: https://www.pexels.com/photo/corals-920161/