3 章

原理や仕組みを知りたい方はお読みください。
使い方の例が知りたい方は、この章を飛ばしていただいても結構です。

３ 章

１章、２章で使ってきた「同位体」について、知っていると便利な基礎を解説します。

ところで、同位体って何？

ところで、同位体って何？

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

元素の同位体比陀

安一郎（総合地球環境学研究所）

1．元素の安定同位体と放射性同位体

すが、いずれも時間が経っても崩壊しないので、元素は、すべての物質や生物を構成する要素で安定同位体といいます。一方、右の中性子が 2 個す。図 1 に現在確認されている元素のリスト（周のもの（3H）は時間が経つと崩壊するので、放期表）を示しますが、一つ一つの元素は「原子番

射性同位体といいます。

号」で特定されます。「原子番号」は元素に含まれる「陽子」の数のことを意味します。一方、同

電子

じ元素（同じ陽子数）であっても、「中性子」の++数は原子によって異なることがあり、これを「同1Hが存在します。
図 2 に水素の例を示しますが、この 3 つはいず
れも陽子が 1 個なので、原子番号 1 の水素です。
このうち、左の 2 つは中性子の数が 0 個と 1 個で

族

1

2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

15

16

17

18

水素
3

4

5

6

7

8

9

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

ホウ素
13

炭素
14

窒素
15

酸素
16

フッ素
17

ネオン
18

Na

Mg

19

20

21

K

Ca

Sc

Rb

Sr

55

56

Cs

Ba

セシウム バリウム
87
88
7

14

2

Y

22

Fr

Ra

フランシウム

ラジウム

凡例
原子番号
元素記号
元素名

ランタノイ
ド系
アクチノ
イド系

ランタノイ
ド系
アクチノ
イド系

23

24

25

26

Ti

V

Cr

Mn

Fe

チタン
40

バナジウム

クロム
42

マンガン
43

鉄
44

Mo

Tc

Ru

Zr

41

Nb

72

ニオブ
73

Hf

Ta

ルビジウム ストロンチウム イットリウム ジルコニウム

6

13

He

カリウム カルシウム スカンジウム
37
38
39
5

陽子1, 中性子2

H

ナトリウム マグネシウム

4

陽子1, 中性子1

1

リチウム ベリリウム
11
12
3

3H

図 2．水 素の同位体の例 原子番号 1 の水素には陽子1 個と中性子 0 個を持つ安定同位体 1H、陽子 1個と中性子 1 個を持つ安定同位体 2H（重水素、デューテリウム、D とも書く）、陽子 1 個と中性
子 2 個を持つ放射性同位体 3H（三重水素、トリ
チウム、T とも書く）があります。

時間が経っても原子核が崩壊しない「安定同位体」

周期2H

陽子1, 中性子0

合した複合粒子）が崩壊する「放射性同位体」と、

+

中性子

陽子

位体」と呼びます。「同位体」の中には、時間が経つと放射線を出して原子核（陽子と中性子が結

-

-

-

27

28

29

Co

Ni

Cu

Zn

銅
47

亜鉛
48

コバルト ニッケル
45
46

Rh

Pd

モリブデン テクネチウム ルテニウム ロジウム パラジウム

74

75

76

77

W

Re

Os

Ir

ハフニウム タンタル タングステン レニウム オスミウム イリジウム

Ag

30

Cd

Al

Si

P

S

Cl

Ar

アルミニウム

31

ケイ素
32

リン
33

硫黄
34

塩素
35

アルゴン
36

Ga

Ge

ガリウム ゲルマニウム
49
50

In

Te

I

Xe

83

テルル
84

ヨウ素
85

キセノン
86

Bi

Po

At

Hg

Tl

Pb

金
111

水銀
112

タリウム
113

鉛
114

Rg

Cn

Nh

Fl

106

107

108

109

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Kr
クリプトン
54

Sb

Au

105

Br
臭素
53

アンチモン

Pt

104

Se
セレン
52

Sn

78

カドミウム インジウム
80
81

As
ヒ素
51

スズ
82

銀
79

白金
110

ヘリウム
10

ビスマス ポロニウム アスタチン
115
116
117

Mc

Lv

ラザホージウム ドブニウム シーボーギウム ボーリウム ハッシウム マイトネリウム ダースタチウム レントゲニウム コペルニシウム ニホニウム フレロビウム モスコビウム リバモリウム

Ts

Rn
ラドン
118

Og

テネシン オガネソン

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

ランタン セリウム プラセオジム ネオジム プロメチウム サマリウム ユウロピウム ガドリニウム テルビウム ジスプロシウム ホルミウム エルビウム ツリウム イッテルビウム ルテチウム
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103

Ac

Th

Pa

U

アクチニウムトリウム

プロトアクチニウム

ウラン

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

ネプツニウム プルトニウム アメリシウム キュリウム バークリウム カリホルニウム アインスタイニウム フェルミウム メンデレビウム ノーベリウム ローレンシウム

図 1．元素の周期表（日本化学会原子量専門委員会 2019）。本書に登場する「軽元素」はオレンジ、「重元素」は緑で表示します。
53

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

2．元素の同位体比

えば、この値が 0.006 の場合は 6‰となりますし、「同位体比」とは、同位体の数の比のことを指−0.010 の場合は−10‰となります。これは「標します。どの比を「同位体比」として使うかは、準物質（「軽元素同位体」の項目を参照）」に比べそれぞれの元素によって異なっています。詳しくて、試料中の「重い同位体」が多いとプラスの値、は、「軽元素同位体」および「重元素同位体」の少なければマイナスの値になります。

章で説明しますが、ここでは図 2 の水素について
文献

見てみましょう。
地球上の水のほとんどは海水に存在しますが、

Coplen TB (2011) Guidelines and recommended

海水（H2O）は水素（H）と酸素（O）で成り立っ

terms for expression of stable-isotope-ratio

1て い ま す。 海 水 の 水 素 の 安 定 同 位 体 は H がand gas-ratio measurement results. Rapid

2

99.984％、 H が 0.016％存在します（Meija et al.

Communications in Mass Spectrometry 25:2016）。これを国際機関である IAEA が「標準海2538‒2560.

水（VSMOW）」と呼んでいます。この標準海水

https://doi.org/10.1002/rcm.5129

21について、2 つの同位体の存在比（［ H の量］／［ HMeija et al. (2016) Isotopic compositions of theの量］）を計算することができます。一方、皆さ

elements 2013. Pure and Applied Chemistry

んの家の水道の蛇口から出てくる水の中の水素に

88:293-306.

1

2も H と H が存在しますが、これらから同様に 22

https://doi.org/10.1515/pac-2015-0503

1

つの同位体の存在比（［ H の量］／［ H の量］）を

日本化学会原子量専門委員会（2019）

計算することができます。

http://www.chemistry.or.jp/activity/

は非常に小さく（例えば VSMOW の水素の場合は atomictable2019.pdf
助 手 、2003 年 京 都 大 学 生 態 学 研 究 セ ン ター 助 教
しかし、この同位体の存在比（同位体比）の値は非常に小さく（例えばの水素の場合0.00015576）、 ま た 自VSMOW
然界での様々な物質の同位授・准教授、2014 年より現職

は体比の変化も小さいため、これらの値の差がわか
0.00015576）、また自然界での様々な物質の同著者情報
位体比の変化も小さいため、これらの値の差がわ
りにくいことから、同位体比を「標準物質に対す

陀安一郎（総合地球環境学研究所

る偏差（δ 値）」で表すことがあります。試料の年京都大学大学院理学研究科修（2020 年 3 月 31 日掲載）

かりにくいことから、同位体比を「標準物質に対研究基盤国際センター教授）1997する偏差（δ 値）」で表すことがあります。試料
2

了、博士（理学）。日本学術振興

H）は、試料と標準物質（水素水素同位体比（δ2の水素同位体比（δ H）は、試料と標準物質（水については VSMOW）の同位体比のさらに比をと素については VSMOW）の同位体比のさらに比った「偏差」を計算し、

𝛿𝛿 H =� � �／ � ��� � �／ � ��

試料外特別研究員を経て 2002 年総合
地球環境学研究所助手、2003 年をとった「偏差」を計算し、
�会特別研究員・日本学術振興会海京都大学生態学研究センター助教

1） 1）− 1 （式 （式授・准教授、2014 年より現職。

（2020 年 3 月 31 日掲載）と表します。同位体の割合に関して地球上での変と表します。同位体の割合に関して地球上での変（2020 年 4 月 7 日改版）

動はほんのわずかなので、式1 の値は 0 に近い数
動はほんのわずかなので、式１の値は0 に近い数（2022 年 3 月 31 日改版）

字になります。そのため、同位体比（δ値）は一字になります。そのため、同位体比（δ値）は一（2023 年 3 月 31 日改版）

�����

般的にこの数字を千分率（‰）で表現します。例

般的にこの数字を千分率（‰）で表現します。例
えば、この値が 0.006 の場合は 6‰となりますし、-0.010 の場合は-10‰となります。これは「標準物質（「軽元素同位体」の項目を参照）」に比べて、試料中の「重い同位体」が多いとプラスの値、少なければとマイナスの値になります。
3． 文 献54

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

軽元素同位体
軽元素同位体陀安 一郎（総合地球環境学研究所）
陀安 一郎（総合地球環境学研究所）

軽元素同位体陀安一郎

地球上には 100 を越える元素が存在しますが、（総合地球環境学研究所）
地球上には 100 を越える元素が存在しますが、どこまでを「軽元素」、「重元素」と呼ぶかというどこまでを「軽元素」、「重元素」と呼ぶかという表 1．軽元素の安定同位体の種類、標準物質として定
地球上には 100 を越える元素が存在しますが、定義はありません。ここでは、気体試料で同位体められている物質、およびその同位体存在割合
定義はありません。ここでは、気体試料で同位体どこまでを「軽元素」、「重元素」と呼ぶかという（Meijaet al. 2016）。
比を分析する、水素(H)、炭素(C)、窒素(N)、酸比を分析する、水素(H)、炭素(C)、窒素(N)、酸
定義はありません。ここでは、気体試料で同位体
標準物質及びその同位体存在量
素 (O)、 イ オ ウ (S) と い っ た 有 機 物 を 構 成 す る 主 元素名
素 (O)、 イ オ ウ (S) と、炭素（C）
い っ た 有 、窒素（N）
機物を構成比を分析する、水素（H）、す る 主水素（H） 標準海水（VSMOW）
要元素の同位体を便宜上「軽元素同位体」と表記
1
酸素（O）、イオウ（S）といった有機物を構成す
要元素の同位体を便宜上「軽元素同位体」と表記
H
99.984%
します。ここでは、これらの元素に関して簡単な
2る主要元素の同位体を便宜上「軽元素同位体」とH
0.016%
します。ここでは、これらの元素に関して簡単な特徴を示します。
表記します。ここでは、これらの元素に関して簡特徴を示します。
炭素（C） 矢石（VPDB）
単な特徴を示します。

12C

98.894%13
１．軽元素同位体比の表記
C
1.106%
１．軽元素同位体比の表記
1．軽元素同位体比の表記
軽元素の安定同位体に関して、表１にそれぞれ軽元素の安定同位体に関して、表１にそれぞれ窒素（N） 空中窒素（Air）
軽元素の安定同位体に関して、表 1 にそれぞれ14の存在割合の例を示しました。自然界では、それN
99.634%の存在割合の例を示しました。自然界では、それの存在割合の例を示しました。自然界では、それ15ぞれの同位体の存在割合は変動しますので、代表N
0.366%
ぞれの同位体の存在割合は変動しますので、代表ぞれの同位体の存在割合は変動しますので、代表的な値として国際機関である IAEA が「標準物質」酸素（O） 標準海水（VSMOW）的な値として国際機関であるが「標準物質」
的な値として国際機関である
IAEAIAEA
が「標準物質」
16としている物質の存在割合を記載しています。
O
99.762%としている物質の存在割合を記載しています。
としている物質の存在割合を記載しています。
17
O
0.038%
試料における軽元素の同位体比は、「 元素の同位試料における軽元素の同位体比は、「元素の同試料における軽元素の同位体比は、「 元素の同位18O0.200%
体比とは」の項目で示したように、表１に示した位体比」の項目で示したように、表1に示したそ体比とは」の項目で示したように、表１に示したイオウ（S） トロイライト（VCDT）
それぞれの標準物質に比べて「重い同位体」がどれぞれの標準物質に比べて「重い同位体」がどれそれぞれの標準物質に比べて「重い同位体」がど32
S
95.040%
れだけ多いかという「標準物質に対する偏差（δだけ多いかという「標準物質に対する偏差（δ 値）」
33
れだけ多いかという「標準物質に対する偏差（δS
0.749%
値）」で表します。水素の場合は、試料中の重い同で表します。水素の場合は、試料中の重い同位体34値）」で表します。水素の場合は、試料中の重い同S
4.197%
2
1
2
1
H と軽い同位体
H の比が、標準物質の標準海水
Hと軽い同位体Hの比が、標準物質の標準
位体
36
2
1
S
0.015%
位体 H と軽い同位体 H の比が、標準物質の標準（VSMOW）に比べて多ければプラスの値、少な海水（VSMOW）に比べて多ければプラスの値、海水（VSMOW）に比べて多ければプラスの値、ければマイナスの値になります。
2．水素・酸素同位体比2． 水 素 ・ 酸 素 同 位 体 比
少なければマイナスの値になります。
2． 水 素 ・ 酸 素 同 位 体 比
少なければマイナスの値になります。
まず、水のことを考えてみましょう。地表のほまず、水のことを考えてみましょう。地表のほまず、水のことを考えてみましょう。地表のほ� � � ／ � ��
とんどの水は海に存在しています。海や陸から蒸� ��／ ��試
� 料
�
とんどの水は海に存在しています。海や陸から蒸𝛿𝛿 �� � � �（式 1）
試 料 � ��とんどの水は海に存在しています。海や陸から蒸
1） 1）
発した水蒸気は雲を作り、雨として降ってきます。
𝛿𝛿 � � �� ��／ ��������� � �� （式（式発した水蒸気は雲を作り、雨として降ってきます。
� � ／ �������
発した水蒸気は雲を作り、雨として降ってきます。
地表から浸透した水は地下水になり、地表面を流酸素の同位体比も同様に表します。
地表から浸透した水は地下水になり、地表面を流酸素の同位体比も同様に表します。
れる水は河川となり、ともに海へと注ぎます。こ酸素の同位体比も同様に表します。
地表から浸透した水は地下水になり、地表面を流れる水は河川となり、ともに海へと注ぎます。これら一連の水の動きを水循環といいます。
れる水は河川となり、ともに海へと注ぎます。こ� ���／ �������� 試 料��／����
れら一連の水の動きを水循環といいます。
2）2）
水素（H）と酸素（O）は水（H𝛿𝛿 ��� � � �� ��（式
試 料 � �� （式2O）を構成す
れら一連の水の動きを水循環といいます。
𝛿𝛿 � � �� ���／ ��������� � �� （式 2）
水素（H）と酸素（O）は水（H 2 O）を構成する� �／ ��
る元素のため、水循環の研究に用いることができ�����
水素（H）と酸素（O）は水（H 2 O）を構成する元素のため、水循環の研究に用いることができまます。水の蒸発や凝結には、同位体分別（Isotopic
元素のため、水循環の研究に用いることができま1）
fractionation）
 蒸が起き、同位体比が変化します。
す。水の発 や 凝 結 に は 、 同 位 体 分 別 （ Isotopic
す 。 水 の 蒸 発 や 凝 結 に は 、 同 位 体 分 別 （ Isotopicが起き、同位体比が変化します。
fractionation）１１））
fractionation） が起き、同位体比が変化します。
55
図１に示しますように、標高の低い場所では水素
図１に示しますように、標高の低い場所では水素、酸素同位体比（δ 18 O）ともに同位体比（δ 2 H）
同位体比（δ 2 H）、酸素同位体比（δ 18 O）ともに

ど低い同位体比を持つ雨が降ります。これを「高例えば、植物を構成する有機物の水素同位体比（δ陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023
年版
ど低い同位体比を持つ雨が降ります。これを「高例えば、植物を構成する有機物の水素同位体比（δ218、酸素同位体比（δ18O）は、植物が吸収した度効果」といいます。そのほか、一般に緯度が高
2 H）
H）、酸素同位体比（δO）は、植物が吸収した度効果」といいます。そのほか、一般に緯度が高水の水素・酸素同位体比の値と、蒸散の影響を受
いほど（緯度効果）、内陸になるほど内陸になるほど（内陸効果）（内陸効果）、 え水の水素・酸素同位体比の値と、蒸散の影響を受ば、 植 物 を 構 成 す る 有 機 物 の 水 素 同 位 体 比
図 1（緯度効果）に示しますように、標高の低い場所では水素
いほど
、
、
2
18
2
（δけます。これらの関係をうまく使うと、水循環と同位体比（δ H）、酸素同位体比（δO）ともに高H）、酸素同位体比（δ18O）は、植物が吸収し気温が低いほど（温度効果）、雨量が多いほど（雨けます。これらの関係をうまく使うと、水循環と気温が低いほど（温度効果）、雨量が多いほど（雨い同位体比を持つ雨が降り、標高が高くなるほど生態系の関わりについての研究を行うことができ
量効果）、同位体比は低くなり、「水」に特徴が生 た水の水素・酸素同位体比の値と、蒸散の影響を生態系の関わりについての研究を行うことができ
量効果）、同位体比は低くなり、「水」に特徴が生低い同位体比を持つ雨が降ります。これを「高度まれることになります。
まれることになります。

受けます。これらの関係をうまく使うと、水循環
ます。

ます。

効果」といいます。そのほか、一般に緯度が高いと生態系の関わりについての研究を行うことがでほど（緯度効果）、内陸になるほど（内陸効果）、

きます。

．炭
炭素
素・
・窒
窒素
素同
同位
位体
体比
比
33．
炭素（C）と窒素（N）は生物の体などの有機物
炭素（C）と窒素（N）は生物の体などの有機物

気温が低いほど（温度効果）、雨量が多いほど（雨3．炭素・窒素同位体比量効果）、同位体比は低くなり、「水」に特徴が生を構成する主要な元素であるために、生態系の研を構成する主要な元素であるために、生態系の研
炭素（C）と窒素（N）は生物の体などの有機究によく用いられます。植物は、大気中の二酸化究によく用いられます。植物は、大気中の二酸化物を構成する主要な元素であるために、生態系のまれることになります。

）と水（H 2O）から光のエネルギーを用O）から光のエネルギーを用
炭素（CO 2）と水（H研究によく用いられます。植物は、大気中の二酸
炭素（CO
2
2

いて糖（デンプン）（デンプン）を作ります。
植物体の窒素は、化炭素（CO2）と水（H2O）から光のエネルギー
いて糖を作ります。
植物体の窒素は、⽔素（d2H）
酸素（d18O）
同位体⽐の低い⾬を用いて糖（デンプン）を作ります。植物体の窒土壌中で分解された無機態の窒素を取り込んで作
土壌中で分解された無機態の窒素を取り込んで作
素は、土壌中で分解された無機態の窒素を取り込
られます。

られます。

んで作られます。
炭素・窒素の同位体比の定義は、それぞれ化石

炭素・窒素の同位体比の定義は、それぞれ化石の矢石（VPDB）と空中窒素（Air）とを標準物質の矢石（VPDB）と空中窒素（Air）とを標準物質

⽔素（d2H）
酸素（d18O）
同位体⽐の⾼い⾬

炭素・窒素の同位体比の定義は、それぞれ化石の矢石（VPDB）と空中窒素（Air）とを標準物

218、酸素同位体比
酸素同位体比（δ18O） として、
図１ 水素同位体比
水素同位体比（δ
（δ
として、
2 H）
2
18
H）
、
（δ
O）
図１
図 1．水素同位体比（δ
H）、
酸素同位体比（δ
O）の「高
質として、
の「高度効果」の概念図
度効果」の概念図。
の「高度効果」の概念図

また、水（H2O）には水素と酸素の両方の同位O）には水素と酸素の両方の同位また、水（H 2O）には水素と酸素の両方の同位また、水（H2体比が存在しますが、世界全体の雨の水素と酸素体比が存在しますが、世界全体の雨の水素と酸素の同位体比の関係を見ると、体比が存在しますが、世界全体の雨の水素と酸素の同位体比の関係を見ると、
δ H = 8 × δ O + 10‰（式 3）の同位体比の関係を見ると、
18
H== 88 ×
× δ
δ18
O+
+ 10
10 ‰
‰
（式 3）
3）
δ22の関係があります。これを天水線（Meteoric
H
O
（式
δ
2

18

water line）の式といいます（Craig
1961）。実際の関係があります。
これを天水線（Meteoric（Meteoric
waterの関係があります。
これを天水線
waterの降雨や湖沼の水は、蒸発などの影響を受けて必line）の式といいます（Craig
1961）。実際の降雨line）の式といいます（Craig
1961）。実際の降雨
ずしも式 3 のような関係を持っていない場合もあや湖沼の水は、蒸発などの影響を受けて必ずしも� ���／ ����� ���／ ���� 試 料��� �� �� �� �� 試 料 �
� ��
�� （式
（式
5）
5） 5）
𝛿𝛿𝛿𝛿�� �（式��� �／ �� ���／��� ����
����� ���／ ����� ���／ ���� 試 料

��
6） 6）
� �
� �� �� �� 試 料 �
� ��
�� （式
（式
𝛿𝛿𝛿𝛿�� �（式
6）��� �／ �� ����／�� ���
���

と表します。大気中の二酸化炭素（COと表します。大気中の二酸化炭素（CO2）の炭素2 ）の炭素と表します。大気中の二酸化炭素（CO 2 ）の炭素13
δ13C 13同位体比
は、光合成と呼吸という生物圏とC は、光合成と呼吸という生物圏と同位体比δ

同位体比δ C は、光合成と呼吸という生物圏とのやり取りによって影響されていますが、産業革のやり取りによって影響されていますが、産業革のやり取りによって影響されていますが、産業革や湖沼の水は、蒸発などの影響を受けて必ずしもり ま す。 そ こ で、d-excess 値（d 値 と も 略 す：命以降は人間の影響も強く現れています。今の大命以降は人間の影響も強く現れています。今の大式２のような関係を持っていない場合もあります。 命以降は人間の影響も強く現れています。今の大式２のような関係を持っていない場合もあります。
気中の二酸化炭素濃度は産業革命前の 280 ppm

deuterium excess）という値を計算して水の特徴

気中
中の
の二
二酸
酸化
化炭
炭素
素濃
濃度
度は
は産
産業
業革
革命
命前
前の
の 280ppm
280ppmそこ
こでで、、 d-excess
d-excess 値
値（（ dd 値
値とともも略略す
す :: deuterium
deuterium
気そを表します。
（0.028％）から上昇して 400 ppm（0.040％）を超（0.28%）から上昇して 400ppm（0.4%）を超え
400ppm（0.4%）を超え
excess）という値を計算して水の特徴を表します。
218（0.28%）から上昇してexcess）という値を計算して水の特徴を表します。
d ＝ δ H － 8 × δ O

えつつあります。この原因は、化石燃料（石炭お

（式 4）

18
＝δ22H
H −
− 88 ×
×2δ
δ18
O
（式
4）
18 4）
dd ＝δ
O
（式
水素同位体比（δH）、酸素同位体比（δO）、つつあります。この原因は、化石燃料（石炭およ218、酸素同位体比（δ 18O）、d水素同位体比（δ
2 H）
H）、酸素同位体比（δO）
、d水素同位体比（δd-excess 値の 3 つの値は水の特徴を示すため、降excess値の 33 つの値は水の特徴を示すため、降水
つの値は水の特徴を示すため、降水
水がどのような経路で河川水や地下水を形成する
excess値のがどのような経路で河川水や地下水を形成するかかといった水の流動や、地下水の起源となる降水がどのような経路で河川水や地下水を形成するかがどの標高に降ったのかなどの研究に用いることといった水の流動や、地下水の起源となる降水がといった水の流動や、地下水の起源となる降水がができます。
どの標高に降ったのかなどの研究に用いることがどの標高に降ったのかなどの研究に用いることがまた、水素同位体比（δ 2H）、酸素同位体比（δ18O）
できます。
できます。

つつあります。この原因は、化石燃料（石炭およよび石油）ですが、大気中の二酸化炭素の炭素同び石油）ですが、大気中の二酸化炭素の炭素同位び石油）ですが、大気中の二酸化炭素の炭素同位位体比の変化からも証明できます。化石燃料は昔
体比の変化からも証明できます。化石燃料は昔のの生物が光合成によって大気中から固定した炭素体比の変化からも証明できます。化石燃料は昔の生物が光合成によって大気中から固定した炭素がが地中深く埋められたものです。生物の光合成に生物が光合成によって大気中から固定した炭素がは、C3植物（木本（いわゆる「木」）、米や麦などの
地中深く埋められたものです。
生物の光合成には、地中深く埋められたものです。
生物の光合成には、
13
多くの草本：δ
C ＝－27‰前後）、C4、⽶や⻨などの多植物（とうC3 植物（⽊本（いわゆる「⽊」

C3 植物（⽊本（いわゆる「⽊」、⽶や⻨などの多もろこしやサトウキビ、乾燥熱帯に生息するイネ
13
C＝-27‰前後）、C4 植物（とうもくの草本：δ13

くの草本：δ C＝-27‰前後）、C4 植物（とうもは、水以外の物質でも用いることができます。例科の草本：δ13C=－12‰前後）、CAM 植物（サボ2H）、酸素同位体比（δろこしやサトウキビ、乾燥熱帯に生息するイネ科
また、水素同位体比（δろこしやサトウキビ、乾燥熱帯に生息するイネ科
また、水素同位体比（δ 2 H）、酸素同位体比（δ1813C=-12‰前後）、CAM 植物（サボテン
植物（サボテンの草本：δ13
18 O）は、水以外の物質でも用いることができます。
O）は、水以外の物質でも用いることができます。 の草本：δ
C=-12‰前後）
、CAM
56

図�

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

テンなどの多肉植物：δ13C=－12 〜－30‰と広いわかります。また、これらの動物を食べる捕食者

範囲）といったタイプがありますが、多くを占めはさらに窒素同位体比が高くなるので、動物を食

13

る C3 植物では同位体分別により δ C が低い有機べる動物（高次捕食者）の「栄養段階」も推定す

物を生成します。化石燃料は、昔の生物の「化石」ることができます。人間の髪の毛の同位体比を測

13で す の で、 こ れ を 燃 焼 す る こ と で δ C が 低 い

定することで、私たちの体が主に何からできていCO2 を大気中に放出することになります。大気中るのかに関しては、「髪の毛の安定同位体比から13の二酸化炭素の炭素同位体比（δ C）は、産業革

わかる食生活」で説明していますので、興味ある

命前には－6.5‰でしたが、現在は－8‰〜－9‰

方はご覧ください。

へと下がっています。この事実は、現在の大気中

このように、一般に使われている「バルク（組織の二酸化炭素上昇が、人類が化石燃料の燃焼に全体）」分析での同位体分析に対し、近年は「成分よって起きていることの証拠にほかなりません。

別」安定同位体分析も用いられています。特に、「個では、動物はどうでしょうか？草食動物は、植別のアミノ酸」の窒素同位体比を用いることに物の炭素・窒素を利用しますし、肉食動物は餌とよって、図 ２ のように餌の元となる植物の窒素同なる動物の炭素・窒素を利用します。動物が餌を位体比を測定することなく、動物の窒素同位体比

食べる時、一般的に餌の炭素・窒素同位体比よりを測定するのみで「栄養段階」を推定することもも炭素同位体比は 0.8‰程度、窒素同位体比は「アミできるようになりました。興味のある方は、

2）

3.4‰程度高い値を示します（栄養濃縮係数） 。

ノ酸の窒素同位体比が開く世界」をご覧ください。

この経験則を用いますと炭素・窒素同位体比を用

また、食物網以外にも窒素同位体比はいろいろいて「食物網」（食う―食われる関係）を描くこ

な使い方ができます。例えば、植物の栄養源になとができます。

る硝酸イオン（NO3‒）は、微生物が有機物を分

窒素同位体⽐（d15N）

1

動物A

:

解しアンモニウムイオン（NH4+）になったもの

1

動物Bが酸化（硝化）されたものですが、過剰な硝酸イ
オンは富栄養化の原因になったり健康被害をもた動物Cらしたりします。水環境の評価・管理を行う上では、その起源に関する情報が重要になります。硝

約3.4‰

餌a

1

:

1

酸イオンの起源、すなわちどのような経緯でこの硝酸イオンができたかを調べるために、硝酸イオ

餌bン（NO3-）の窒素同位体比（δ15N）、酸素同位体

約0.8‰

比（δ18O）を用いることができます（「兵庫県千

C3植物
C4植物
炭素同位体⽐（d13C）

種川流域」の項目を参照）。
同様の栄養成分に関して、リン酸イオン（PO43-）

図 2．炭素・窒素同位体比を用いた「食物網」の概念図。
餌 a だけを食べる動物 A と、餌 b だけを食べる
動物 C はそれぞれの餌の「右上」に位置します。
餌 a と餌 b を食べる動物 B は、ちょうどその真ん中に位置します。

（P）には安定同位体が 1 種類しかないため、重炭素・窒素同位体比を測定するためによく用いな が ら、 近 年 リ ン 酸 イ オ ン 中 の 酸 素 同 位 体 比られているのは、動物の筋肉部分です。図 ２ のよ（δ18O）を用いる研究が行われています（「リン酸うに、植物などの「餌の候補」も一緒に測って図

酸素安定同位体比を使ってリンはどこからやって示すると、動物がどの植物を主に食べているかがくるのかを調べる」の項目を参照）。

についても考えたいのですが、残念ながらリン要な元素であるにもかかわらず、リンについて安定同位体手法は用いることが出来ません。しかし57

を描くこと同位体比を使ってリンはどこからやってくるのかを調べる」の項目を参照）。
陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

4． イ オ ウ 同 位 体 比4．イオウ同位体比

イオウも、炭素や窒素と同様に、有機物を構成2）生物の捕食により、餌に比べて体の同位体比

イオウも、炭素や窒素と同様に、有機物を構成がどれくらい変わるかを示す値を栄養濃縮係する主要な元素の一つで、生態系の研究に用いら数（trophic discrimination factor）と呼びまれています。イオウ（S）同位体比は、本項の他す。同位体分別係数が化学的プロセスを示すの同位体比同様、隕石のトロイライト（VCDT）のに対し、濃縮係数は体内の複雑な代謝の結を標準物質として、果を示しています。

する主要な元素の一つで、生態系の研究に用いられています。イオウ（S）同位体比は、本項の他の同位体比同様、隕石のトロイライト（VCDT）を標準物質として、��� ���／ ����𝛿𝛿 � � � ���と表します。
と表します。

�／ ����

試料

����

� ��

（式
7） 6）
（式

文献
Coplen TB (2011) Guidelines and recommended
terms for expression of stable-isotope-ratio

食物網」の陸上におけるイオウの起源は岩石に起因します
陸上におけるイオウの起源は岩石に起因します

and gas-ratio measurement results. Rapid

餌 b だけをが、硫酸イオンの形で水に溶けて生態系を循環しが、硫酸イオンの形で水に溶けて生態系を循環しCommunications in Mass Spectrometry 25:」に位置します。この循環を解明するために硫酸イオン

ちょうどそ

はいろいろ

栄養源にな

ま す。 こ の 循 環 を 解 明 す る た め に 硫 酸 イ オ ン
2-2538‒2560.

34（SO4 ）のイオウ同位体比（δS）、酸素同位体比342-

https://doi.org/10.1002/rcm.5129（SO 4 ）のイオウ同位体比（δ S）、酸素同位体18（δ O）を用いることができます（「兵庫県千種川

Craig H (1961) Isotopic variations in meteoric比（δ 18 O）を用いることができます（「兵庫県千流域」の項を参照）。一方、海には多量の硫酸イ

waters. Science 133:1702‒1703.

オンが存在し、海の硫酸イオンのイオウ同位体比

https://doi.org/10.1126/science.133.3465.1702（δ S）は均一な値（21.0‰）をとります（Rees

Meija et al. (2016) Isotopic compositions of the

種川流域」の項を参照）。一方、海には多量の硫酸イオンが存在し、海の硫酸イオンのイオウ同位体
34

34
S）
（δ
et比
al.
1987）
。 は均一な値（21.0‰）をとります (Reeselements 2013. Pure and Applied Chemistry

イオウ同位体比について、図 2 で示した栄養濃

88:293‒306.

縮係数は 0‰に近い値を示しますので、動物の体

https://doi.org/10.1515/pac-2015‒0503のイオウ同位体比は餌のイオウ同位体比とほぼ同

Rees CE, Jenkins WJ, Monster J (1978) The

じと考えられます。これらの関係を用いて、例え

Sulphur isotopic composition of ocean water

ばある生物が陸由来のものと海由来のものとをど

sulphate. Geochimica et Cosmochimica Actaのくらいの割合で利用しているのかを推定するこ

42:377‒381.

とが可能になります（「骨が記憶する過去の生態

https://doi.org/10.1016/0016-7037(78)90268-5

系」の項目を参照）。
著者情報
注釈

陀安一郎（総合地球環境学研究所
研究基盤国際センター教授）1997

1）蒸発や凝結といった物理過程や、化学反応に

年京都大学大学院理学研究科修おいては、反応が起こる前の物質（基質）と了、博士（理学）。日本学術振興

反応が起こった後の物質（生成物）の同位体

会特別研究員・日本学術振興会海外特別研究員を経て 2002 年総合

比が異なり、それを同位体分別といいます。

地球環境学研究所助手、2003 年

一般には、「軽い」同位体の方が「重い」同

京都大学生態学研究センター助教

位体に比べ反応速度が速いため、基質に比べ授・准教授、2014 年より現職。

生成物の同位体比の方が低くなります。反応においてどれだけ同位体比が変わりうるかを（2020 年 3 月 31 日掲載）

示 す 係 数 を「 同 位 体 分 別 係 数（Isotopic

（2020 年 4 月 7 日改版）」と呼びます。
fractionation factor）

（2022 年 3 月 31 日改版）

58

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

重元素同位体申基澈

（総合地球環境学研究所）
重元素というものが何を指すのかということに

年代測定に用いることができます。昔から地球とは決まった定義はありません。これは便宜上使う

隕石の年代や各種岩石の形成年代測定に用いら言葉であり、分野によってはその意味も変わりまれ、U-Pb（ウラン ― 鉛）年代測定法や Rb-Sr（ルす。地球科学分野では主に金属元素のことを言い
申 基澈（総合地球環境学研究所）

ビジウム ― ストロンチウム）年代測定法などが重元素同位体ますが、軽元素（水素、炭素、窒素、酸素等）よ

これに当たります。このような放射性同位体−放り重い元素という意味で使う人もいます。
重元素というものが何を指すのかということに

射起 源 同 位 体 は 他 に も K-Ar、Sm-Nd、U-Pb、トロンチウム）年代測定法などがこれに当たりまついて話しておきます。同位体は、原子核が安定
言葉であり、分野によってはその意味も変わりま

ネオジミウム（Nd）、鉛（Pb）、ハフニウム（Hf）にも K-Ar、Sm-Nd、U-Pb、Th-Pb、Lu-Hf、Re-

まず、重元素同位体について話す前に、用語には決まった定義はありません。これは便宜上使う

Th-Pb、
Lu-Hf、Re-Os などがあり、アルゴン（Ar）、
す。このような放射性同位体-放射起源同位体は他しす。地球科学分野では主に金属元素のことを言いているかどうかによって放射性同位体

は放射起源同位体となります。ここではSr（スOs などがあり、アルゴン(Ar)、ネオジミウム(Nd)、（Radioactive
Isotope；RI）と安定同位体（Stable
ますが、軽元素（水素、炭素、窒素、酸素等）よトロンチウム）を中心にお話しします。
鉛(Pb)、ハフ二ウム(Hf)は放射起源同位体となりIsotope；SI）とに分けられますが、この安定同り重い元素という意味で使う人もいます。

Sr は 4 つ の 安Sr（ストロンチウム）を中心にお定 同 位 体 を 持 っ て お り、 Sr、ます。ここでは

位体には、もとから安定な同位体と放射起源同位まず、重元素同位体について話す前に、用語に86ついて話しておきます。同位体は、原子核が安定
Isotope）が含まれます。ここで体（Radiogenic

Sr は 4 つの安定同位体を持っており、84 Sr、86 Sr、
厳密にいうと太陽系が形成された時にすでにあっしているかどうかによって放射性同位体
は重元素（金属元素）の放射起源同位体と安定同87
87
Sr, 88 Sr です。 87 Sr が放射起源同位体ですが、厳た安定同位体とその後
Rb の放射壊変で生成さ（Radioactive Isotope；RI）と安定同位体(Stable
位体の両方について話します。一般的に重元素同密にいうと太陽系が形成された時にすでにあったれた放射起源同位体の両方からなっています（図Isotope；SI)とに分けられますが、この安定同位体
位体というと放射起源同位体のことを指すことが安定同位体とその後
1）。

に は 、 も と か ら 安 年頃から分析技術の発展に定な同位体と放射起源同位体多いのですが、2000

た放射起源同位体の両方からなっています（図１）。

84

Sr、 Sr, Sr です。 Sr が放射起源同位体ですが、話しします。
87

88

87

87

Rb の放射壊変で生成され（Radiogenic Isotope）が含まれます。ここでは重伴い、それまでは出来なかった金属元素の安定同元素（金属元素）の放射起源同位体と安定同位体
位体の測定が可能になったため、両方を区別しての両方について話します。一般的に重元素同位体おく必要があります。
というと放射起源同位体のことを指すことが多いのですが、2000 年頃から分析技術の発展に伴い、

1．放射起源同位体（Radiogenic Isotope）

それまでは出来なかった金属元素の安定同位体の一般的に安定同位体というのは、太陽系が出来測定が可能になったため、両方を区別しておく必て以来その存在量に変化がなくて一定に安定して要があります。

存在しているものですが、放射起源同位体は親元

図 1．Rb の放射壊変と Sr 安定同位体の変化
図１．Rb の放射壊変と Sr 安定同位体の変化素である放射性元素の放射壊変によって生成する

安定同位体である 84Sr、86Sr、88Sr の比は地球安定した同位体です。この放射起源同位体は、時上のどの物質でも一定の値を持っているため変わ間が経つことによってその存在量はどんどん増え

りません。変わるのは量が増える 87Sr のみです。

ていきます。その一方で親元素の放射性元素はそ

同位体研究では、実際計測が難しい各同位体の安定同位体である 84 Sr、86 Sr、88 Sr の比は地球上

１ ． 放 射 起 源 同 位 体 （ Ra d i o g e n i c I s o t o pe ）一般的に安定同位体というのは、太陽系が出来て以来その存在量に変化がなくて一定に安定して存在しているものですが、放射起源同位体は親元素のどの物質でも一定の値を持っているため変わりません。変わるのは量が増える 87 Sr のみです。

同位体研究では、実際計測が難しい各同位体のの存在量が少なくなっていて、最終的にはなくな

絶対値を求めるより、それらの存在比の方が比較ることになります。この関係を「親元素（放射

87
86
Sr/
Sr 比で
的に容易に測定できます。Sr では
8786性）― 娘元素（安定）」と表記します。このよう

88
86
放射起源同位体を、
Sr/
Sr 比で安定同位体を求
8886

な同位体は、条件が合えばそれらを含んだものの87
86
めています。特に
Sr/
Sr 比は時間の経過でし8786である放射性元素の放射壊変によって生成する安
定した同位体です。この放射起源同位体は、時間が経つことによってその存在量はどんどん増えていきます。その一方で親元素の放射性元素はその絶対値を求めるより、それらの存在比の方が比較的に容易に測定できます。Sr では

Sr/ Sr 比で放射起源同位体を、 Sr/ Sr 比で安定同位体を求めています。特に

Sr/ Sr 比は時間の経過でしか変存在量が少なくなっていて、最終的にはなくなる化しないため、ある物質に含まれている Sr 放射起ことになります。この関係を「親元素（放射性）

源同位体比は、温度や圧力変化などの環境変化に-娘元素（安定）」と表記します。このような同位よってはその値が変わりません。

59

87

Sr/ 86 Sr の放射起源同位体は 1960 年代以降か

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

か変化しないため、ある物質に含まれている Sr

く似ており、Sr が Ca を置換して存在することが放射起源同位体比は、温度や圧力変化などの環境できるからです。Ca は岩石に多く含まれている

変化によってはその値が変わりません。

元素ですが、岩石の風化過程で水に溶けて移動し

87

86

Sr/ Sr の放射起源同位体は 1960 年代以降かます。水に溶けている Ca は動物や植物が容易に

ら岩石研究に広く利用され、様々な岩石について取り入れることができるので、骨格を構成するな

同位体比の測定が行われてきました。その結果、ど生物にとって主要な元素の一つとして使われて

87

86

岩石の種類とそれらの形成年代によって Sr/ Sr

います。そのため Ca と置換している Sr は微量比が異なることが分かってきました。富士山玄武ながらも様々な生物に広く存在していて、それら

87

86

岩なら Sr/ Sr 比は 0.704 くらい（倉沢 1986）で、の放射起源同位体を測ることで、その生き物が比が異なることが分かってきました。富士山玄武屋
久 島 花 崗 岩 な ら 0.708-0.709（Anma et al.

らも様々な生物に広く存在していて、それらの放ずっとそこに居たものなのか、それともどこから

岩なら Sr/ Sr 比は 0.704 くらいで、屋久島花崗
か来たのなのか、どこからきたのかなどを明らか
1998）、海水は 0.70918（Faure and Mensing 2005） 射起源同位体を測ることで、その生き物がずっと87

86

岩なら 0.708-0.709、海水は 0.70918 です。

です。

そこに居たものなのか、それともどこからか来たにすることができます。例えば、遺跡から出土し

86
つまり、ある地域の岩石は特定の 87 Sr/
87 Sr86比をのなのか、どこからきたのかなどを明らかにする持っていて、同じ岩石であっても他の地域の違うことができます。例えば、遺跡から出土した縄文年代のものや、同じ年代であっても違う種類の岩時代の人骨と動物骨について Sr 同位体比を測定

石であれば、その同位体比が違うことになります。

し、その地域で生存したものか他地域からの転入

つまり、ある地域の岩石は特定の Sr/ Sr 比を持っていて、同じ岩石であっても他の地域の違う年代のものや、同じ年代であっても違う種類の岩石であれば、その同位体比が違うことになりま
これを用いると、岩石の Sr 放射起源同位体から何す。これを用いると、岩石のSr 放射起源同位体処から出てきた岩石かを推定することが可能になから何処から出てきた岩石かを推定することが可ります。Sr と共に Nd や Pb などの同位体を一緒た縄文時代の人骨と動物骨について Sr 同位体比を測定し、その地域で生存したものか他地域からの転入した個体かを明らかにした研究報告が報告されています（日下 2018）。

した個体かを明らかにした研究報告が報告されています。

2．重元素安定同位体（Stable2. 重
元 素 安 定 同 位 体 （ St a b le Is o to peIsotope））

能になります。Sr
Ndなやなどの同位体に 解 釈 す る こ と でと共に
より正確
関 Pb
係が
分かります
（図２）。

重元素の安定同位体は年頃からの分析技
重元素の安定同位体は2000 2000
年頃からの分析技術の進歩によって可能になった研究分野です。特術の進歩によって可能になった研究分野です。特に MC-ICP-MS（高分解能マルチコレクター誘導に MC-ICP-MS（高分解能マルチコレクター誘花崗岩(1)

玄武岩

花崗岩(2)

安山岩(1)

結合プラズマ質量分析装置）という装置の開発は導結合プラズマ質量分析装置）という装置の開発
高分解能測定ができるため、金属元素の安定同位は高分解能測定ができるため、金属元素の安定同体比測定に大きな進展をもたらしました。重元素

安山岩(2)

位体比測定に大きな進展をもたらしました。重元は軽元素に比べると同位体間の相対的な質量差が素は軽元素に比べると同位体間の相対的な質量差

小さく、また化学反応の際に同位体間に起きる結堆積岩(1)
堆積岩(2)

が小さく、また化学反応の際に同位体間に起きる合力の差が小さいため同位体比の変化（同位体分

結合力の差が小さいため同位体比の変化（同位体別）が起きにくいという特徴があります。そのた分別）が起きにくいという特徴があります。そのめ、わずかな変化を検知するためには高分解能高ため、わずかな変化を検知するためには高分解能
精度の同位体分析装置が必要となります。

高精度の同位体分析装置が必要となります。
2004
年 に 「 Geochemistry of Non-traditional
図２．岩石研究で用いられる
放射起源同
図 2．
岩 石研究で用いられる Sr-NdSr-Nd
放射起源同位体図
Stable 2004
Isotopes」という本が出版されて以来、この Stable
年に「Geochemistryof Non-traditionalの例 花崗岩（1）は安山岩（1）と、花崗岩（2）
位体図の例
花崗岩(1)は安山岩(1)と、花崗岩(2)Isotopes」という本が出版されて以来、この分野
は安山岩（2）及び堆積岩（1）と密接な関係を持っ 分野の研究が拡大されることになり、マグネシウ
は安山岩(2)及び堆積岩(1)と密接な関係を持ってていることが分かります。
ム（Mg）、カルシウム（Ca）、鉄（Fe）、銅（Cu）、の研究が拡大されることになり、マグネシウム
いることが分かります。
亜鉛（Zn）などの天然環境で生物活動と密接な関を一緒に解釈することでより正確な関係が分かります（図Sr 放 射2）起。
源同位体を用いることで物質や元素

Sr 放射起源同位体を用いることで物質や元素の移動を追跡することができるため、Srはトレーの移動を追跡することができるため、
Sr はトレー
サービリティー研究によく用いられています。これは Sr の化学的な挙動がカルシウム（Ca）とよ
サービリティー研究によく用いられています。こく似ており、Srが Ca を置換して存在することがれは
Sr の化学的な挙動がカルシウム（Ca）とよできるからです。Ca は岩石に多く含まれている元素ですが、岩石の風化過程で水に溶けて移動します。水に溶けている Ca は動物や植物が容易に取り入れることができるので、骨格を構成するなど（Mg）、 カ ル シ ウ ム（Ca）、 鉄（Fe）、 銅（Cu）、係を持っている元素を中心に研究が進んでいます。

亜鉛（Zn）などの天然環境で生物活動と密接な

これにより、金属の酸化還元反応や微生物による関係を持っている元素を中心に研究が進んでいま

反応、生物間での捕食被食関係、体内組織での生す。

化学反応など様々な要因により、重元素でも同位

これにより、金属の酸化還元反応や微生物によ体分別が起きていることが明らかになってきまし

る反応、生物間での捕食被食関係、体内組織でのた。
60

上で話したように、放射起源同位体はその比を測定してその数値をそのまま使いますが、安定同位体は、軽元素と同様に基準となる標準物質の値に対する未知試料の値のずれとして表します。そ陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

生化学反応など様々な要因により、重元素でも同研究に比べるとまだその歴史が浅く、直面してい位体分別が起きていることが明らかになってきまる問題点も多いですが、その分開拓の余地も大いした。

にある分野でもあります。

上で話したように、放射起源同位体はその比を測定してその数値をそのまま使いますが、安定同文献

位体は、軽元素と同様に基準となる標準物質の値

Faure G, Mensing T. (2005) 「ISOTPOPESに対する未知試料の値のずれとして表します。そprinciples and applications 3 rd ed.」John

のため安定同位体比測定では標準物質（Reference

Wiley & Sons, INC.

materials；RMs）の役割は非常に重要です。し倉沢一（1986）ストロンチウム同位体比からみたかし、現実問題としてこの標準物質が十分に安定

日 本 列 島 弧 の 火 山 岩 類 の 成 因． 地 学 雑 誌

して供給されていないという問題があります。標95-4、p. 254-276．

準物質（又は認定標準物質；Certified RMs）はAnma R. et al. (1998) Compositional zoning and分析において必要不可欠なものであり、測定値のits implication in a toroidal circulation inside

補正や、測定法及びその正確度の評価に使われま

the Yakushima pluton, SW Japan. Mem. Natl

す。また、他研究室との比較などでも利用されてInst. Polar Res., Spec. Issue, 53, 157-176.

いるため、測定値の信頼度を担保する重要な物質

http://id.nii.ac.jp/1291/00002343/
日下宗一郎（2018）古人骨を測るです。

同位体人類学序説，京都大学学術出版会

このような標準物質は安定同位体比を測定するためには十分に均質であり、かつ時間の経過でそ

著者情報の値が変化しないということが重要です。放射起源同位体で使っていた標準物質を安定同位体で用申

いたり、新たな標準物質を作成したりしていまし研究基盤国際センター）、2008 筑

基澈（総合地球環境学研究所

波大学大学院生命環境科学研究科

たが、同位体的に不均質だったり、作成したもの

博 士 課 程 終 了、 博 士（ 理 学 ）、を使い切ってしまったりなど、残念ながらその供2009 筑波大学

研究基盤総合センター研究員、総合地球環境学研

給は安定していません。

究所技術補佐員、2011 産業技術

重元素の安定同位体比は分析装置で測定します

総合研究所

が、試料を調整する段階で大きな同位体分別が起

地圏資源環境研究部門

特別研究員を経て、2012 年より現職。

きやすいので、試料の前処理では細心の注意が必要です。
MC-ICP-MS を用いた重元素の安定同位体研
究は、軽元素の安定同位体研究や放射起源同位体61

（2020 年 3 月 31 日掲載）（2020 年 4 月 7 日改版）

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

元素濃度
申

基

澈

（総合地球環境学研究所）
元素濃度はある物質の中に含まれている元素の測定する装置と溶液状態で測定する装置に分ける

量を全体量中に占める割合で示したものです。例

ことができます。岩石や土などに含まれている元

えば海水中の塩分濃度を 3.5％とします。これは素を測定する際には、表面をきれいにするか、細海水 1Kg の中に塩分が 35 g 入っていることを意

かく粉砕し粉状にしたものを用います。XRF（蛍-光 X 線分析装置）や EPMA（電子線マイクロア

味します。塩分のうち 55％は塩化物イオン（Cl ）+で、30.6％はナトリウムイオン（Na ）で構成さナライザー）などがこれにあたります。一方、溶れておりますので、それぞれ海水 1Kg 中に含ま液状態で測定する装置は ICP-MS（誘導結合プラれる量は 19.25g と 10.71 g になります。つまり海ズマ質量分析装置）や ICP-発光装置などがあり水中のナトリウム濃度は 10.71 g/Kg、塩化イオ

ます。特に ICP-MS は、現在元素濃度分析に一ンは 19.25 g/Kg となります。これが質量分率で番よく用いられている装置で、元素周期表にある表した元素濃度です。

ほとんどの金属元素について測定することができ

元素濃度は体積濃度や、質量濃度や、モル濃度

る、非常に優れた性能を持っています。約 10 分

で表すことがありますが、一般には質量濃度をよという短時間で 50 種類くらいの多元素を同時にく用います。上記の海水の Na 濃度（10.71 g/Kg）

測定することが可能ですし、濃度が濃い元素（数を 百 分 率 で 表 す と 1.071 ％、 千 分 率 で 表 す と

十 ppm）と極微量しか含まれていない元素（数10.71‰となります。含有量がもっと少ない元素ppt）を同時に測定することも可能です。例えば、の場合は百万分率（ppm；parts per million）やある地域の河川水中の Na 濃度（30 ㎎ /L、ppm）

十億分率（ppb；parts per billion）を主に使いまと 一 緒 に ウ ラ ン（U） 濃 度（0.007 µg/L、ppb）

すが、極微量の場合には一兆分率（ppt；partsを測定することが可能です。天然水中に含まれて

per trillion）で表すこともあります。以下の表記いる元素の種類とその濃度を測定する時は、ろ過はそれぞれ 1000 倍の比率関係です。

をして微粒子などを取り除いた後、硝酸を少量（硝千分率（‰）：g/Kg（mg/g）

酸濃度が 1％くらいなるように）添加して装置に百万分率（ppm）：mg/Kg（ug/g）

直接導入します。それだけで、どの元素がどのく十億分率（ppb）：ug/Kg（ng/g）

らい入っているかを測定することができます。岩

一兆分率（ppt）：ng/Kg（pg/g）

石や土の場合は、濃酸を用いて溶解してから測定

ただし、水の場合には水 1 Kg=1 L として、Kg

します。この場合は、固体試料の溶解に時間がかかりますし、使用する酸は毒劇物なので、取り扱の代わりに L をよく使います（mg/L）。

いには細心の注意が必要です。
1．元素濃度の測定
2．元素濃度の変化

ある物質中に含まれるカルシウム（Ca）元素の濃度を調べようとすると、Ca を特定でき、か地球上のすべての物質は元素の集まりです。人つ量を測定できる装置が必要です。元素濃度を測間を含む生物は水素、炭素、窒素、酸素が中心で定する装置は、主に試料の状態によって、固体ですし、岩石や鉱物はケイ素、酸素を中心とした集62

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

元素の量は少ない（十数 mg/L 以下）です。

合体です。他にも様々な元素が含まれています。
含有量が少ない元素を微量元素といいますが、地川水とアメリカの河川水を比較しても、そこに含球科学分野では 100 ppm 以下の元素に対して使まれている元素の種類と濃度はそれほど変わりま雪/雨います。ある物質中に含まれている元素の種類とせん。

濃度は、大体は同じ元素組成を持ちながらも、地
元素濃度を調べことで様々な情報を得ることが

水蒸気
河川水

域的な特徴も表すことが多いです。例えば日本のできます。例えば、ある特定の元素が周囲よりも海水

湖水

河川水とアメリカの河川水を比較しても、そこに濃ければ、そこはその元素を多く含む何かによって汚染されている可能性があることが分かります。
含まれている元素の種類と濃度はそれほど変わり

地下水

その場合は、各元素濃度をさらに詳しく見ることません。
で、何が汚染物質（汚染源）であるのかを特定し、元素濃度を調べることで様々な情報を得ること
どのように対処するかを判断する手がかりが得らができます。例えば、ある特定の元素が周囲よりれるかもしれません。また、直接には見えない地

図 1．地表環境での水循環
図１．地表環境での水循環

雨として降った水は地表を流れて川や湖を経て雨として降った水は地表を流れて川や湖を経て再も濃ければ、そこはその元素を多く含む何かに再び海に戻ります。一部は地下に潜って地下水とよって汚染されている可能性があることが分かりして流れていきます。この際に水は様々な物質（岩ます。その場合は、各元素濃度をさらに詳しく見

石、土壌、植物や人工構造物）と反応して色々なることで、何が汚染物質（汚染源）であるのかをがかりが得られます。もし普段の元素情報が分か

元素が溶け込みます。海までたどり着くまでに時着くまでに時間がかかればかかるほど反応は進み、りが得られるかもしれません。また、直接には見や汚染物質の流出など）があった場合、それらの素の量は全体的に増えていきます。この際にどのの際にどのような岩石や土壌を通って来たかによ

出来事がその地域にどういう影響を及ぼすのかとえない地下であっても、周りの地下水を測定するって、どのような元素が多く溶け込むかは変わりような岩石や土壌を通って来たかによって、どのいうことを、元素の変化から判断することも可能
ことで、その汚染物質がどこからどこへ向って流ます。例えば市販されているミネラルウォーターような元素が多く溶け込むかは変わります。例え下であっても、周りの地下水を測定することで、その汚染物質がどこからどこへ向って流れているのか、その汚染源は何かということを判断する手

特定し、どのように対処するかを判断する手がかっていれば、何らかの突発的な出来事（集中豪雨です。このように、元素の種類と濃度及びその変れているのか、その汚染源は何かということを判化は我々に様々な情報を与えてくれます。

び海に戻ります。一部は地下に潜って地下水として流れていきます。この際に水は様々な物質と反応して色々な元素が溶け込みます。海までたどり間がかかればかかるほど反応は進み、溶け込む元
溶け込む元素の量は全体的に増えていきます。こで最も有名なブランドの一つであるエビアンは石ば市販されているミネラルウォーターで最も有名
灰岩（CaCO 3 ）地域の水なので、その水には Ca が断する手がかりが得られます。もし普段の元素情

なブランドの一つであるエビアンは石灰岩

報が分かっていれば、何らかの突発的な出来事（集（CaCO3）地域の水なので、その水には Ca が豊中豪雨や汚染物質の流出など）があった場合、そ富に含まれています。また富士山地域の地下水はれらの出来事がその地域にどういう影響を及ぼす

他の地域の水と違って特有のバナジウム（V）をのかということを、元素の変化から判断することとするため、色々な元素を溶け込みます。どこで含んでいることが知られています。このように、その水（その物質）の由来や移動経路を追跡する

その変化は我々に様々な情報を与えてくれます。
地表環境での水循環の様子を簡単に表したものでその水（その物質）の由来や移動経路を追跡する
素の種類と濃度を測ってその特徴を明らかにするす。地球に存在している水は殆ど海水で占められ元素濃度の変化を水を例にみてみましょう。水と、その水が雨として降った後の履歴を把握することが可能です。すなわち、水に含まれている元ています（97％以上）。海から蒸発した水は水蒸気
分子は、正電荷（＋）と負電荷（－）が偏っていことができるわけです。このように、元素濃度を素の種類と濃度を測ってその特徴を明らかにする

元素濃度の変化を水を例にみてみましょう。水分子は、正電荷（+）と負電荷（-）が偏っている
極性分子と呼ばれる分子です。そのため極性を持
つ様々なもの（イオンや極性分子）と反応しようも可能です。このように、元素の種類と濃度及び何を溶け込むかは水循環で説明できます。図１はとして大気中に移動し、雲になり、やがては雨やる極性分子と呼ばれる分子です。そのため極性を雪として地表に降ります。最初に蒸発した水はほ豊富に含まれています。また富士山地域の地下水は他の地域の水と違って特有のバナジウム（V）を含んでいることが知られています。このように、含まれている元素の種類や濃度を調べることで、含まれている元素の種類や濃度を調べることで、ことが可能です。すなわち、水に含まれている元

調べるだけでも、その物質の移動経路を追跡すると、その水が雨として降った後の履歴を把握することが可能ですが、これに同位体情報などを加え持つ様々なもの（イオンや極性分子など）と反応ことができるわけです。このように、元素濃度をしようとするため、色々な元素が溶け込みます。

調べるだけでも、その物質の移動経路を追跡する

どこで何が水に溶け込むかは水循環で説明できまことが可能ですが、これに同位体情報などを加えす。図 1 は地表環境での水循環の様子を簡単に表ると、その正確度は一層向上します。

ぼ純粋な水である、溶け込んでいる元素は少ない（十数㎎以下）です。

したものです。地球に存在している水は殆ど海水で占められています（97％以上）。海から蒸発した水は水蒸気として大気中に移動し、雲になり、やがては雨や雪として地表に降ります。最初に蒸発した水はほぼ純粋な水であり、溶け込んでいる
63

ると、その正確度は一層向上します。

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

著者情報
申基澈（総合地球環境学研究所

研究基盤国際センター）、2008 筑波大学大学院生命環境科学研究科
博 士 課 程 終 了、 博 士（ 理 学 ）、
2009 筑波大学

研究基盤総合センター研究員、総合地球環境学研究所技術補佐員、2011 産業技術総合研究所

地圏資源環境研究部門

特別研究員を経て、2012 年より現職。

（2020 年 3 月 31 日掲載）（2020 年 4 月 7 日改版）

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陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

重元素同位体の前処理から測定まで
タイトル：重元素同位体の前処理から測定まで

申

基

澈

（総合地球環境学研究所）

図１。重元素同位体⽐測定の流れ

金属元素はほとんどの物質に様々な割合で含まれています。その含有量の多少で主成分元素や微量成分元素に分類します。岩石の場合はその構成元素の中で 1％以上の割合を占める元素を主成分
元素（major element）といいます。学校の地学で学ぶシリカ（Si）、アルミニウム（Al）、鉄（Fe）、
カルシウム（Ca）、マグネシウム（Mg）、ナトリ
ウム（Na）、カリウム（K）などがここに該当します。一方で非常に少ない割合で含まれている元
素を微量元素（trace element、ppm 濃度以下の含有量）といいます。重元素同位体比測定によく用いられるストロンチウム（Sr）、鉛（Pb）、ネ
オジミウム（Nd）などがここに含まれていますが、他の元素も多く存在しており、我々の日常生活に幅広く使われています。
ある物質に含まれている金属元素に対して同位

図 １．重元素同位体⽐測定の流れ

体比測定を行うためには、測定する元素を他の元1．試料の分解（溶液化）

素から分離・精製する必要があります。軽元素の場合は試料を装置に導入して燃やすなどの方法で河川水などの溶液試料は試料自体が溶液状態な気化させ、そこから測定元素のみを選択することので前処理としては、まずフィルターを用いて不ができますが、金属元素の場合はそれが出来ませ

純物や粒子などを取り除きます。試料に有機物成ん。目的元素のみを試料から取り出して分析装置

分が多く含まれている場合には硝酸などを用いてに導入する必要があります。

酸処理を行い次の濃度測定に進みます。

すべての物質は元素の集合体でもありますので固体試料を効率的に溶液化にするためにはまず何らかの方法を使って試料を元素やイオン単位に粉末化する必要があります。岩石や堆積物及び土分解して分離・精製します。特に違う元素なのに壌のような無機試料なら切断機や粉砕装置を使っ同じ質量数を持つ同重体（isobar）の除去は細心て大きさ数 μm 以下になるように完全につぶしまの注意を払わなくてはいけません。重元素同位体

す。生物（動・植物）試料は乾燥又は凍結してかを測定するための試料前処理から測定までの流れ

ら粉砕装置で粉末にします。完全に粉にしてからを図 1 で表しました。試料の種類と測定元素に試料を十分な量を用いて溶液化に進みます。生物

よって前処理期間は異なりますが、多くは 1 週間

試料は有機物で構成されているため溶液化の段階程度でできますが、長くかかる試料は 1 カ月以上

で大量のガス（主に二酸化炭素や水蒸気）が発生を必要とする場合もあります。

し、完全な分解を妨害することがあります。その65

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

ため、生物試料を酸で分解する前に燃やして灰化を行うことで不純物を取り除き、超高純度酸を精することで有機物を効率よく取り除くことができ製して使うこともあります。この際には、2 回蒸ます。この灰化で金属の測定元素が失われること

留することが多いです。

を防ぐためにも 500℃くらいの高温で灰化するマッ試料は通常はホットプレートで加熱しますが、

フル炉（又は電気炉）を使うより 100〜130℃前

一連の分解過程を終えるには 1 週間程度かかりま後のより低い温度で灰化できる低温灰化装置を用す。そのため、短時間で効率よく加熱・分解する

いるのをお勧めします。

ためマイクロ波分解装置（家庭用電子レンジと同じ仕組みですが実験用に開発されたもの）を用い粉末になった試料は高純度かつ高濃度の酸を用ることが多くなっています。

いて溶液化します。試料を溶液化するということ
は、強く結合している元素同士を切り離してイオ

このように高濃度酸を用いて溶液化された試料

ンの状態にすることを意味します。多様な元素同は一旦酸溶液中の要らない成分を取り除くため蒸士が様々な形態で結合して一つの物質を構成して発・乾固を行った後に ICP-MS を用いて元素濃度いるため、それらの結合を切り離すためにはそのを測定するために再び硝酸で溶解します。

結合に合わせた酸を使う必要があります。ケイ酸
2．濃度測定と必要な量塩が中心になっている岩石や土壌はシリカ結合を切り離せるフッ化水素酸（HF）が必要ですし、有

まず、ICP-MS などを用いて試料に含まれてい機物は炭素結合を中心に形成されているため強いる金属元素の濃度を測定することにより（詳細は酸化力を持っている硝酸（HNO3）を使用します。

「元素濃度」を参照）、同位体分析に必要な元素の一般的に岩石・鉱物のような無機試料はフッ化量に合わせて、溶液化された試料から分析に必要

水素酸（HF）- 過塩素酸（HClO4）- 硝酸（HNO3）-な量を計算します。一つの例として河川水試料を塩酸（HCl）などを組み合わせて 180℃以上の高

考えてみます。Sr 同位体比測定に必要な Sr 元素

温・高圧状態で分解します。試料に対して使用すの量は 100 ng 程度です。河川水に含まれているる酸の種類と量は実験環境によって様々な方法がSr 濃度が 100 ppb（ng/mL）なら 1 mL あれば Sr

ありますので自分の研究目的と試料に合った方法

同位体比の測定ができます。しかし含有量が少なを選択します。一方、有機物試料は硝酸（HNO3）

い Pb が 2 ppb（ng/mL）くらいの濃度だとすると過酸化水素水（H2O2）を用いることで簡単にとその必要な試料量は 50 mL になります。その分解することができます。最近は危険なフッ化水

ため ICP-MS や ICP 発光装置などで同位体比の素酸の代わりにテトラフルオロホウ酸（HBF4）測定に必要な試料量を取り分けて元素分離工程にを用いることもあります。

進みます。この際に硝酸溶液にした試料をもう一
度蒸発乾固して再調整することもあります。

高濃度酸は非常に反応性が高いためわずかなミスでもすぐ周囲の物質を溶し込んで汚染されてし3．元素分離まいます。高濃度酸を使用する際には細心の注意を払いながら安全かつきれいな環境が整った実験

試料の溶液化を通してイオン化された元素は、室が必要ですので、空気中の微粒子の量が制限さ

イオン交換樹脂を用いたクロマトグラフィー法でれているクリーンルームで実験を行います。また

分離・精製します。イオン交換樹脂は樹脂の表面使う実験道具は酸と反応しないテフロン製の器具にあらかじめイオンを吸着させているもので、溶を使います。酸の純度も不純物が非常に少ない超液中に存在するイオンを吸着する代わりに樹脂が高純度酸を使うことになります。超高純度酸は高持っていたイオンを離すことでイオン交換反応が価なため、安価な酸を購入し実験室で非沸騰蒸留起きます。樹脂に吸着されるイオンの種類は溶液66図２。元素分離で使⽤される樹脂と溶液の種類。複数の溶液種類を使ったり、同じ溶液を濃度を変えて使ったり、⼀陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023
年版
つの⼯程を繰り返して⾏ったりして⽬的元素のみを綺麗に分離・精製します。（REES：希⼟類元素）の種類と酸濃度によって変化するので目的元素（イオン）のみが吸着される条件を作り出して元素分離を行います。元素によっては 1 回の分離過程で終わるものもありますが、似たような工程を 2〜
3 回繰り返さなければきれいに分離・精製できな
いものもあります。樹脂表面に陰イオンが吸着されるのが陰イオン交換樹脂であり、陽イオンが吸着されるのが陽イオン交換樹脂です。このイオン交換樹脂は比較的に安価で、1 回の工程で複数の元素分離ができますし、綺麗に洗浄すれば繰り返して使うことができるメリットがありますが、必
要な樹脂量と溶液量が多くて時間がかかるデメ
リットもあります。また使用状況によって分離状
況が悪くなることがあるので気を付けて使う必要があります。
目的の元素のみを分離する選択性樹脂も広く使

図 ２．元 素分離で使⽤される樹脂と溶液の種類。複数の溶液種類を使ったり、同じ溶液を濃度を変えて使ったり、⼀つの⼯程を繰り返して⾏ったりして⽬的元素のみを綺麗に分離・精製します。
（REES：希⼟類元素）

われています。Sr 樹脂や Pb 樹脂、REE（Rareearth elements：希土類元素）樹脂のような選択性樹脂は決まった条件で決まった元素のみを吸着して、他の元素はそのまま流します。このような選択性樹脂は必要な樹脂の量も少なく、必要な溶の種類に合わせて濃度調整もしくは蒸発乾固を行液も少量でできるので、作業時間が短く分離状況

い、同位体比測定に移ります。

も良いというメリットがありますが、高価で、か4．同位体比測定

つ 1 回しか使えないので、費用が掛かるというデメリットがあります。最近は費用が掛かっても作

図 1 で示したように同位体比の測定は表面電離

業効率が良い選択性樹脂を使うことが多いです。

型 質 量 分 析 装 置（TIMS; Thermal Ionization

地球研で行われている元素分離の工程を図 2 にまMass Spectrometry）又はマルチコレクター ICP-

とめました。

MS（MC-ICP-MS）を用いて行います。TIMS は

ここで注意が必要なのが、同位体比を標準物質

イオン化エネルギーが高い金属のフィラメントのに対する偏差（δ 値）で表す元素（例えば Mg や上に測定試料を載せて蒸着させて測定します。

Fe などの金属元素）を分離する場合です。元素

フィラメントとして使われるものは超高純度分離過程で、樹脂に投入した元素の“一部だけ”（99.999％以上）のレアメタルであり、レニウム（Re）が回収されると、同位体分別によって試料が持つとタンタル（Ta）とタングステン（W）が広く本来の同位体比から大きくずれてしまいます。そ使われます。測定用試料が載っているフィラメンれを防ぐために、樹脂に投入した量と回収された

トに電流を流すと高温の熱が発生するのでその熱量を確認して、回収率が 95％以上になっている

で元素をイオン化させます。電流の強さで測定すことを確かめなければなりません。

る元素の信号強度を調整できるので非常に安定し分離・精製された同位体比測定用試料は、塩酸

た信号強度を得ることができますが、測定が進行溶液又は硝酸溶液状態で回収されます。分析装置

すると僅かではありますがイオン化される同位体67

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版の割合が軽い同位体と重い同位体で差が生じます。

定し、標準物質の濃度に合わせます。同じ試料を

つまり、軽い同位体が重い同位体よりイオン化さ両装置で測定したときに測定値の精度は TIMS

れやすいので時間が経過するとその差は大きくの方が MC-ICP-MS より 3〜4 倍くらい良い結果

なっていきます。このように、装置内部で起きるを出します。

同位体分別によって、測定された同位体比は試料

TIMS での測定は高真空条件で行うため試料を自体が持っている同位体比を示さないことになり装置に導入してから 6 時間以上の真空引きが必要ます。そのため同位体分別によるずれを直す内部

ですし、一度に装置にセットできる試料数（21 個）補正ができる元素については非常に安定した高精に制限があるため迅速分析はできません。しかし度測定ができます。

MC-ICP-MS は大気圧下で溶液試料を流すだけなので真空引きが要らず、迅速分析が可能です。

一方、時間経過による同位体分別が起きないのが 溶 液 試 料 で 測 定 す る MC-ICP-MS で す。MC-以上のように金属元素の同位体比を測定には

ICP-MS は高温のアルゴンプラズマ（約 6,000〜

TIMS と MC-ICP-MS の 2 種類の装置が使われて7,000℃）で元素をイオン化させ同位体比を測定

いますが、装置それぞれの特徴を理解した上で自します。測定用試料は均質な溶液であるため測定

分の研究目的に合った装置を選択する必要がありの最初と最後で差が生じません。また内部補正がます。

できない元素に対しては内部補正を可能にする別
著者情報の元素を添加することができるので、そのような

申

元素は安定した測定ができます。例えば Pb の測基澈（総合地球環境学研究所

研究基盤国際センター）、2008 筑

定にタリウム（Tl）を添加すると同位体分別の補波大学大学院生命環境科学研究科

正ができます。しかし、アルゴンプラズマが持っ

博 士 課 程 終 了、博 士（理 学）、ている振動のため、イオン化された元素の信号強2009 筑波大学

研究基盤総合センター研究員、総合地球環境学研度は常に変化します。そのため TIMS のような究所技術補佐員、2011 産業技術

高い安定性が確保できません。また測定元素の信総合研究所

号強度は試料の濃度によって決定されるため測定

地圏資源環境研究部門

特別研究員を経て、2012 年より現職。

試料の濃度調整が必要になります。元素分離で回収された試料から ICP-MS を用いて元素濃度を測68（2023 年 3 月 31 日掲載）

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

地下水流動研究におけるマルチトレーサーの活用法
藪

崎

志

穂

（総合地球環境学研究所）

2．現地で測定する項目

1．水循環と地下水流動
地球上に存在する水には、もっとも量の多い海地下水調査では現場で測定する項目があり、水水のほかに、地下水、湧水、河川水、湖沼水など

温、pH、EC、ORP、DO などが相当します（表 1）。

があります。大気中にも水蒸気が存在し、降水（降特に水温は時間が経過すると値が変わるため、そ雨や降雪など）の源となっています。これらの水の場で測定しなければなりません。他の項目は実はエネルギー（主に太陽エネルギー）を得ること

験室に持ち帰ってから測定する場合もありますが、により循環しており、こうした現象は「水循環」

時間の経過と共に変化することもあるので、通常と呼ばれています。持続可能な水利用を行うためは現地で測定しています。いずれも持ち運びが可には水循環を把握することが不可欠です。また、

能なポータブルの測定機器がありますが（図 1）、水害などの自然災害や水質汚染の対策・予防を検メーカーや価格によって測定範囲や機能が異なり討するためにも、水循環は非常に重要な概念とますので、研究目的に適した測定機器を用いる必なっています。

要があります。以下では、各項目の特徴について
簡単に説明します。

水循環に関する研究は多岐に渡りますが、その一つに地下水の流動に関する研究も含まれていま

水温は水の温度で、河川水や湖沼水など大気にす。実は地下水は人間活動とも大きく関わってお接している水では気温の影響を受けて、測定する

り、たとえば、農業や工業用として地下水は多く

時期や時間によって大きく変化しますが、地下水利用されていますし、降雪の多い地域では融雪用は地中にある水のため大気とは接しておらず、年として地下水が用いられている場所もあります。

間を通じてほぼ一定した値を示します。ただし、お酒や豆腐、ミネラルウォーターなどの食品用と浅い地下水の水温は降水の浸透の影響などを受けしても利用されており、また身近な例としては、て変化する場合もあります。深い地下水では地温

私たちが飲む水道水の水源に地下水が利用されての影響を受けるため、表層から深層にむけて水温いる地域もあります。このように人間生活と密接が変化することもあります。また、涵養された標に関わっている地下水ですが、間違った使い方を

高によって水温は変化するため、同じ地域の地下すると枯渇したり、涵養域や流域の無闇な開発に

水の水温の差により、大まかですが、涵養標高のより水質汚染が生じたりすることもあります。こ違いを把握することができる場合もあります。

うした問題を考える際に、地下水流動研究は重要

pH（potential of hydrogen）は水の酸性やアルな役割を担っています。地下水の流動を明らかに

カリ性の程度を示す値で、水素イオンの濃度を反するために、多く活用されているのが、水の性質映しています。なお、以前は“ペーハー”と呼ば（＝水質）です。ひとことで水質といっても、種れることもありましたが、現在は日本の工業規格類は沢山ありますが、本稿では一般的によく使わに従い“ピーエッチ”または“ピーエイチ”と読れている項目について紹介したいと思います。

むことが推奨されています。pH は酸性（pH ＜ 7）、
中性（pH=7）、アルカリ性（塩基性）（pH ＞ 7）69

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

表 1．水温、EC、pH、ORP、DO の特徴
項目

水温

単位

water temperature℃

特徴・河川水や湖水など大気に接している水では時期や時間によって大きく変化する・地下水は地中にある水のため大気とは接しておらず、年間を通じてほぼ一定した値を示す
・深度が深い地下水では地温の影響を受けるため、表層から深層にむけて水温が変化することもある・同じ地域の地下水の水温の差により、涵養標高の大まかな違いを把握することも可能

potential of hydrogen・pH7 以下→酸性、pH ＝ ７ →中性、pH7 以上→アルカリ性（塩基性）
・日本の地下水では、一般的に 6 ～ 7 前後の値を示す
・深い地下水では相対的に高い値（アルカリ性）の値を示すことが多い
・火山地域の地下水では火山ガスの影響を受けて酸性を示すことが多い

EC

electrical conductivity

電気伝導率・水に溶存している物質量の総量を示す
・EC の値が高いほど水に溶けている成分量は多くなるが、何が溶けているのかは把握できない・降水の EC は通常 3 mS/m 以下の低い値を示す
mS/m, S/m
・地下水では、一般的に EC は 10 ～ 30 mS/m を示す地点が多いが、火山地域の地下水や沿岸付近で海水が混入している地下水、深度の深い地下水などでは沢山の成分が溶けているため EC は高くなる
・海水の EC は 4,000 ～ 4,500 mS/m と非常に高いため、海水の混入の把握が可能

ORP

oxidation-reduction
potential

酸化還元電位mV・水が好気的条件下にあるか、嫌気的条件下にあるかの判断に用いられる・常時大気に降れているような河川や湖沼水では好気的条件にあるため、相対的に高い値を示す
・深い地下水など嫌気的な条件下にある場合には ORP は低い値を示す

mg/L, ppm

・水にどれくらいの酸素が溶けているかを示す
・DO が高いと酸素が多く溶けており，DO が低いと溶存酸素量は少ない
・DO は植物や生物活動と深く関連しているため、湖沼環境を把握する際に良く利用
されている

pH

DO

dissolved oxygen

溶存酸素量

いる成分量は多くなります。しかし、EC の値か
らは何が溶けているのかはわかりません。降水は
成 分 が 殆 ど 溶 け て い な い た め、EC は 通 常
3 mS/m（ミリジーメンス／メートル）以下の低い値を示しています。一般的な河川の EC は上流
で低く、下流に向かうにつれて高くなる傾向があります。日本の場合、平均的には 5 〜 20 mS/m
程度の値を示しています。地下水では、一般的にEC は 10 〜 30 mS/m を示す地点が多いですが、火山地域の地下水や沿岸付近で海水が混入してい図 1．
（右）EC・pH メーター（D-54，HORIBA）、（左）ORP メーター（PH72，YOKOGAWA）

る地下水、深度の深い地下水（滞留時間が長い地
下水、化石海水が混入している地下水）などではに区分できます。pH は地質の影響を受けやすく、沢山の成分が溶けている場合が多く、EC も高い

日本の地下水では、一般的に 6 〜 7 前後の値を示

値を示すことになります。たとえば、海水の EC

すことが多いですが、深い地下水では相対的に高は 4,000 〜 4,500 mS/m と非常に高いため、地下い値（アルカリ性）を示すことが多く、また火山

水における海水混入の有無を EC からある程度判

地域の地下水では火山ガスの影響などを受けて酸断することができます。

性を示す場合が多いです。

ORP（oxidation-reduction potential）は酸化還EC（electrical conductivity）は電気伝導率と元電位とも呼ばれており、水が好気的条件下にあも呼ばれており、水に溶存している物質量の総量

るか、嫌気的条件下にあるかの判断に用いられてを把握できます。EC の値が高いほど水に溶けています。常時大気に降れているような河川や湖沼
70

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

水 で は 好 気 的 条 件 に あ る た め、ORP は 200 〜酸イオン（PO43-）、炭酸水素イオン（HCO3-）な

300 mV の相対的に高い値を示しますが、深い地

どの陰イオンがあります。昔は滴定など手分析で下水など嫌気的な条件下にある場合には ORP は

項目ごとに分析しており、手間と時間がとてもか低い値を示します（-200 mV 以下になる場合もかっていたようですが、現在は分析装置（主にイあります）。

オンクロマトグラフ（IC））を利用することで、DO（dissolved oxygen）は溶存酸素量とも呼陽イオンと陰イオンを比較的短時間かつ高精度でばれ、水にどれくらいの酸素が溶けているかを示測定することができます。地球研では ICS-3000

す値です。mg/L または ppm で表示され、値がや ICS-6000（いずれも Thermo Fisher Scientific

高いほど多くの酸素が溶存していることになりま社製）を用いて分析しています。こうしたイオン

す。DO は植物や生物活動と深く関連しているたの濃度はペットボトルのラベルに表示されている

め、湖沼環境を把握する際に良く利用されていま場合がありますので、みなさんもご覧になったこす。たとえば、有機物や微生物が多い湖沼（一般とがあるかもしれません。イオン濃度は、通常的に水質汚濁が生じている湖沼）では消費される“mg/L”（1L 中に何 mg のイオンが含まれている

酸素が多くなるため DO が低くなり、貧酸素状態か）として表示されます。mol 表示などで示されとなって生物が生息できない環境であることがわる場合もありますが、いずれも変換は可能です。

かります。

イオン濃度は数値として表示されますが、沢山

これらの項目を測定し、データを地図にプロッの地点を比較する場合には、数値では把握しにくトして平面分布図を作成することで、地下水の帯い場合があります。そこで、溶けている成分の値

水層の違いや、地下水流動の把握などに活用するを図示して、水質の特徴を把握する方法がよく用ことができます。

いられています。この図を水質組成図と呼んでいます。水質組成図には表現方法の違いにより複数

3．無機溶存イオンと水質組成図の種類がありますが、ここではよく使われている
シュティフダイアグラムとトリリニアダイアグラ

水には物質を溶かす性質があり、沢山の種類のムについて説明します。

物質が溶存しています。しかしながら、何が溶けているのかは地下水の場所や深度、地質の条件なシュティフダイアグラム（stiff diagram）は、

どによって異なるため、分析装置で測定すること

陰イオンと陽イオンの濃度を六角形の図で表したにより初めて知ることができます。なお、現場でもので、形や大きさから水質の特徴をひとめで把大よその特徴を把握するための試薬（パックテス

握することができます（図 2）。ヘキサダイアグ

トなど）もありますが、これは色で判断するため

ラムと呼ばれることもあります。なお、濃度の単

主観的な要素が強く、参考値として利用するのが位は meq/L（水 1L に含まれるミリ当量値）を用望ましく、正確な値を知るためには、やはり機器いています。凡例で示しているように、真ん中を分析で実施する必要があります。

0 とし、左側に陽イオン（上から Na+＋K+、Ca2+、

地下水に溶存している成分で一般的に多く含まMg2+）、 右 側 に 陰 イ オ ン（ 上 か ら Cl-、HCO3-、

れているものとして、無機溶存イオンが挙げられ

SO42-＋NO3-）をプロットし、それぞれの点を線ます。これには、ナトリウムイオン（Na+）、カで結ぶと作成できます。真ん中の直線から距離が++リウムイオン（K ）、アンモニウムイオン（NH4 ）、離れているほど、すなわち図の形が大きいと濃度2+カルシウムイオン（Ca ）、マグネシウムイオン2+が高いことになり、より多くの物質が溶存してい-（Mg ）などの陽イオンと、塩化物イオン（Cl ）、-ることになります。

2-

硝酸イオン（NO3 ）、硫酸イオン（SO4 ）、リン

シュティフダイアグラムでは図の形から水質の71

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

特徴を知ることができます。特徴的な水質組成 4型や Na-Cl 型のように異なったNa（Cl＋HCO
3）+

水 質 組 成 に 変 化 す る こ と も あ り ま す。 深 度 がと Cl を多く含んでおり、このような水質組成を1,000 m を超えるような非常に深い地下水でこう

Na-Cl 型と示します。また、横方向に 1/200 で表した水質の特徴が散見されており（茶屋ほか，

示されているため、濃度が非常に高いことがわか

1977；丸井，2014 など）、地質の影響に加え、化つを例として図 2 に示しました。1 は海水で、Na
-

2+

–

ります。2 は石灰岩地域の湧水で、Ca と HCO3

石海水の影響などを受けていると考えられます。

以外は殆ど含まれておらず、Ca-HCO3 型となっまた、大抵の場合、深い地下水のほうが溶存成分ています。石灰岩は炭酸カルシウム（CaCO3）を量は多くなっています。そのため、水質組成をみ主成分とする堆積岩で、水に溶解すると、“CaCO3

ることで、浅い地下水か、深い地下水かの大まか

2+-＋CO2＋H2O → Ca ＋2HCO3 ”の化学反応が生じ、
2+な情報を得ることができます（この例に当てはま–

水中の Ca と HCO3 濃度が高くなります。鍾乳

らない場合もあります）。4 は Ca-SO4 型で、少し洞の地下水も同様の水質組成を示しますが、濃度

珍しい水質組成です。火山起源地域の地下水・湧は場所によってやや異なります。3 は比較的深い

水や温泉水、黄鉄鉱を含む地質が分布する地域の地下水（深井戸の水）で、Na-HCO3 型を示して地下水などで見られる水質組成です。Ca-SO4 型

います。日本では浅い地下水や湧水、河川水などの水では Fe（鉄）や Mn（マンガン）などの金では Ca-HCO3 型が卓越していますが、深い地下

属元素濃度も高いことが多く、地質と強い関係を

水は地下に滞留している時間が長くなるため、地持つ水質であると言えます。これら 4 つの水質組

層中の鉱物との化学反応等が生じて水質も変化し成のほかにも Ca-Cl 型（塩水化した地下水や融雪

2+（たとえば、粘土鉱物と水との反応では、Ca や
2+

+

+

剤の影響を受けた地下水などで見られる）や複合-

Mg が粘土鉱物に吸着され、Na や K 、HCO3++型など多くの種類があります。いずれにしても、-が放出されるため、水中の Na や K 、HCO3 濃形と大きさを比べることで、同じ地域の地下水で度が高くなります）、Na-HCO3 型の水質組成を示あれば地下水流動や帯水層の把握に役立てることすことが多くなります。更に年代を経た水ではができますし、沿岸域であれば海水の混入の有無のほか、帯水層の深度や地質の推定などにも活用することができ、地下水流動研究では非常に重要な手法になります。
もう一つ、よく利用される水質の表示法があります。トリリニアダイアグラム（trilinear diagram）と呼ばれるもので、中央の菱形座標図（キーダイ
アグラム）と、左右 2 つの三角座標図からなります（図 3）。パイパーダイアグラム（piper diagram）とも呼ばれています。シュティフダイアグラムと同様に、陰イオン 4 成分、陽イオン 4 成分を対象としています。この図ではそれぞれのイオン濃度の当量値の割合（当量％）を表示しているため、溶存成分量は反映されませんが、化学成分濃度の相対的な割合を瞬時に把握することができます。
通常、トリリニアダイアグラムの菱形座標図の部
分を 4 つに区分し、Ⅰ「アルカリ土類炭酸塩型」、

図 2．水質組成図（シュティフダイアグラム）
72

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

る情報を得ることができるため、用途に応じて多くの地下水流動研究で利用されています。
4．微量成分
水中にごく僅か含まれている成分を微量成分と言います。たとえば、Fe（鉄）や Mn（マンガン）、Al（アルミニウム）、Cu（銅）、Zn（亜鉛）、Sr（ストロンチウム）、Hg（水銀）、As（ヒ素）などがあります。これらは原子吸光光度計や ICP-MS（誘導結合プラズマ質量分析計）などで測定することができます。特に ICP-MS では複数の元素を同時

図 3．水質組成図（トリリニアダイアグラム）に分析することができ、検出感度は元素によってⅡ「アルカリ炭酸塩型」、Ⅲ「アルカリ土類非炭異なりますが、ppb 〜 ppt のオーダーで測定する

酸塩型」、Ⅳ「アルカリ非炭酸塩型」と呼んでいことができます。地球研では、Agilent 7500cx やます。ⅡおよびⅢの部分を更に上下に二等分し、Agilent 8900 ICP-QQQ で分析しています。

内側の部分を「中間型」として表示する場合もあ

地下水の微量成分の濃度は場所によって異なりります。

ますが、火山地域の地下水では Al や Fe、Mn、それぞれの大まかな特徴として、Ⅰには浅層地B（ホウ素）などを多く含んでいることが多いで下水や湧水、河川水などがプロットされ、日本のす。また、微量成分の多くは地質由来となってい

表流水や地下水では最も多くの地点がこの部分にるため、岩石や土壌と長期間接触している滞留時含まれます。Ⅱには深層地下水など滞留時間が比間の長い地下水では濃度が高くなる傾向がありま較的長い水がプロットされます。Ⅲには温泉水（熱す。また人体に有害な As や Hg、Cd（カドミウム）、

水）や化石海水、火山地域の地下水・湧水など、

Pb（鉛）などを多く含んでいる場合もあり、地Ⅳ に は 海 水 な ど が プ ロ ッ ト さ れ ま す（ 藪 崎，

下水汚染の把握では重要な項目となります。これ2011）。ただし、すべての水が上記の分類に適合

らの元素は人為的な汚染により負荷された場合がする訳ではないので（たとえば、温泉水でもⅡに多いですが、地質等の自然起源のものもありまプロットされる場合があります）、この点に注意す。また、V（バナジウム）のように富士山など

して水質の評価を行う必要があります。図 2 の一部の限られた地域の地下水や湧水で濃度が高い

シュティフダイアグラムで示した 4 地点につい元素もあり、こうした物質は地下水流動や帯水層て、1（海水）はⅣに、2（湧水）はⅠに、3（深の違いを調べる際に利用できます。また、地質（岩層地下水）はⅡに、4（火山地域の湧水）はⅢに石）により含まれる元素は異なっているため、地プロットされており、ほぼ上述した分類に適して下水中の微量成分濃度を測定することで、地下水いることがわかります。今回は 4 地点のみの表示

流動や涵養域を推定できる場合があります。このですが、百〜数百を超えるような多くの地点でもように、地下水流動研究では微量成分もトレー同一の図にプロットすることができるため、溶存サーとして有効活用することができます。

成分の場所による違いや、同じ地点での水質の時
5．水の安定同位体

間変化を把握する際に特に効力を発揮します。
このようにシュティフダイアグラムおよびトリ

安 定 同 位 体 に は 様 々 な 種 類 が あ り ま す。 水

リニアダイアグラムでは同じ水質データから異な（H2O）を構成する元素の H（水素）と O（酸素）73陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版にも安定同位体があり、水素安定同位体（以下、2度効果）、この特徴を利用して地下水や湧水

18δ H）および酸素安定同位体（以下、δ O）と呼などの涵養域を推定することができます。

ばれています。これらの同位体は水そのものとな

・地下水の同位体比は時間変化が少なく比較的りますので、水の挙動を把握するための非常に優一定した値を示しますが、降水（降雨や降雪）れたトレーサー（追跡子）となります。なお、同はイベント毎に同位体比が大きく変動するた位体の詳細については、本冊子の「3 章

め、降水と河川水の連続観測を行い両者の同軽元素同位体」をご参照ください。

位体比を比較することで、降雨 – 流出過程のH と O の同位体比分析では、かつては前処理

解明につなげることもできます。

を行ったのち質量分析装置で測定するのが一般的

このように、工夫次第で多くの情報を得ることでしたが、近年は波長スキャン・キャビティリンができるため、δ18O や δ 2H は地下水流動研究でグダウン分光方式（WS-CRDS）の機器を利用すは欠くことのできない重要な項目となっています。

ることにより、従来の質量分析計で測定する場合
6．滞留時間の推定と比べてより簡便かつ短時間で分析することが可能となりました。地球研では、通常は、WS-CRDS

持続的な地下水利用を行う際には、地下水の滞の L2130-i および L2140-i（いずれも Picarro 社製）

留時間2）を把握することが重要となります。水のを利用しています。

滞留時間を把握するためには幾つかの方法があり

18

2

ますが、その中でも 3H や CFCs、SF6 を用いた

δ O および δ H には複数の特徴があり、これらの特徴を活かして、多くの地下水流動研究で利推定方法がよく利用されています。
3

用されています。利用法の一例を、以下に紹介し

H は水素の放射性同位体で、トリチウムとよます。

ばれています。陽子 1 つと中性子 2 つから構成さ・流域の地下水等の同位体比の空間分布を示すれる核種で、β 線を放出して 3He（ヘリウム）にことで、帯水層の違いや地下水流動、他の水壊変します。12.32 年経過すると濃度が半減し、塊との混入の有無などを把握することができこれを半減期といいます。時間が経過すると濃度18ます。なお、海水の δ O と δ H は約 0‰で、が減少する性質を利用して、水の滞留時間を推定

通常の地下水や湧水、河川水等と比べると相することができます。濃度は Bq/L または TU（ト対的に高い値を示すため、沿岸域では海水混

リチウムユニット；1 TU=0.118 Bq/L）で示され入の把握にも活用することができます。

ます。たとえば、ある地下水試料について涵養さ

2

1）・δ–ダイアグラム に地下水や湧水、海水などれた当初の 3H 濃度が 10 Bq/L で、現在の 3H 濃

異なる水塊の δ18O と δ 2H をプロットして計

度が 2.5 Bq/L の場合、1/4 の濃度に減少してい算することにより、ある水試料に混入しているため、滞留時間はおよそ 25 年（半減期× 2）

ると予想される水塊のそれぞれの混合割合をであると推定されます。3H の半減期は比較的短推定することが可能となることもあります。

いため、数年〜 100 年ほどの滞留時間の推定に利この場合、異なる水塊の同位体比には明瞭な用できます。そのほかに、地下水の年代測定では差があることが条件となります。

14

C（半減期 5730 年）や 36Cl（半減期 301000 年）

・蒸発の発生に伴い水の同位体比が高くなる性などの放射性同位体が利用されていますが、これ質を利用して、地下水や湧水の蒸発の有無や、

らは半減期が長いため、滞留時間が数千年〜 100

土壌中（土壌水）で蒸発の影響がおよぶ深度

万年のようにとても長いものに対して有効となりを把握することができます。

ます。日本の地下水では（非常に深い地下水を除・標高と同位体比に負の相関が存在するため（高き）数年〜 100 年程度の滞留時間が多いため、利74

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

用できる地点は限られてきます。

しなければならないので（通常はモデルを用いて検討します）、多少手間はかかりますが、重要な

CFCs は ク ロ ロ フ ル オ ロ カ ー ボ ン 類

情報を得ることができます。

（Chlorofluorocarbons）といい、CFC-11、CFC-12、
CFC-113 などがあります。冷却剤や洗浄剤などの工業用として 1930 年代に人工的に生成された

7．おわりに―マルチトレーサーとしての有効性―

有機化合物で、化学的に極めて安定な性質を持つ

以上で紹介したように、地下水流動研究では溶ため、放出された CFCs は大気中に蓄積されまし

存成分や同位体など、多くの項目をトレーサーとた。年代によって大気中の CFCs 濃度が異なるた

して活用することができます。これらのトレー

め、水中の CFCs 濃度を測定して、過去の大気中

サーは単体で利用することもできますが、複数のの濃度と比較することにより、水が涵養された年

トレーサーを併せて利用することで得られる情報代を推定することができます。

は格段に増え、また信頼性も増すため、できるだ

SF6 は六フッ化硫黄（sulfur hexafluoride）の

け多くのデータを得ることが望ましいと言えま

こ と で、 電 気 や 電 子 機 器 な ど の 縁 ガ ス と し てす。こうした複数のトレーサーを用いてある事象

1960 年代から利用されている気体です。化学的を解明する方法をマルチトレーサー法と言いまに非常に安定な性質を持っており、大気中の濃度す。マルチトレーサー法は、広域を対象とした地は現在も増加しています。CFCs と同様に、水中

下水流動研究などで特に効果的であると考えられの SF6 濃度を測定して、過去の大気中の濃度と比ます。

較することにより、水が涵養された年代を推定す

複数のトレーサーを用いた研究例として、忍野ることができます。CFCs と比較して、より新し村の河川調査で実施した結果を図 5 に示しまし

い水（滞留時間が 10 年よりも短い水）の年代推た。この図は、村内を流れる新名 庄 川と桂川の定が可能です。

pH とシュティフダイアグラムの平面分布を示し

しん な しょう がわ

3

降水の H 濃度、大気中の CFCs（CFC-11，12，ています。両河川ともに、pH は上流（東側）で113）および SF6 濃度の経年変化を図 4 に示しま

高く、下流（西側）に向かうにつれて低下しておした。これらの濃度と試料水の濃度を比較するこり、特にある地点を境に値が大きく変化しているとにより涵養された時期が判明しますので、結果ことがわかります。この結果より、値が急変してとして滞留時間を求めることができます。ただし、いる辺りで pH が 7 前後の浅層の地下水や湧水が単純に濃度を比較するだけで結果が得られる訳で河川に流入していることが予想されます。また、はなく、涵養プロセスにおいて地下水流動を考慮

pH が変化している地点でシュティフダイアグラ
ムの形や大きさもやや変化しており、下流の河川
水の水質組成は浅層の地下水や湧水の水質組成に近付いています。このように pH や水質組成図な
どの複数のトレーサー（マルチトレーサー法）を利用することにより、河川水と地下水の相互関係について明瞭に把握することができました。この研究例では 2 つのトレーサーを用いた単純なものですが、更に複数のトレーサーを併せることで、より複雑な地下水流動の解明にもつなげることができると考えられます。

図 4．降 水の 3H 濃度、大気中の CFCs および SF6 濃度の経年変化（藪崎，2021 の図を一部加筆・修正）

今回紹介したトレーサーのほかに、地下水流動75

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

図 5．河川水の pH と水質変化（山梨県忍野村の調査例）（藪崎，2020）

研究では比較的新しい項目である Sr 同位体比
87

86

208

206

207

丸井敦尚（2014）：首都圏の深層地下水．地学雑誌，

206（ Sr/ Sr）や Pb 同位体比（ Pb/ Pb， Pb/ Pb）

123，172‒181．

などを利用した研究も増えてきており、今後、マ

藪崎志穂（2011）：地下水の水質と安定同位体のルチトレーサー法を利用したさらなる研究の発展

特徴およびその活用法．高村弘毅編「地下水が期待されます。

と水循環の科学」．古今書院，41‒68．
藪崎志穂（2020）：忍野八海と忍野村の地下水．

注釈

BIOCITY，84，36‒43．
181）δ-ダイアグラムとは、横軸（x 軸）に δ O、

藪崎志穂（2021）：「見えない」地下水の流れを「見2

縦軸（y 軸）に δ H をとり、水試料の同位体える」ようにするには？－安定同位体や CFCs，

比をプロットした図のことを意味します。

SF6 を用いた地下水の涵養域および滞留時間

2）滞留時間とは降水や河川水等が地下に浸透しの推定法－．地球科学，75，91‒96．

ゼロて帯水層（地下水）に達したときを 0 とし、
著者情報

地下水が地中を流動して、ある場所に到達す
るまでにかかった時間のことを意味していま藪崎志穂

筑波大学大学院 博士

課程 生命環境科学研究科を修了。

す。簡単に言えば水の年齢に相当します。

2016 年 4 月より総合地球環境学
研究所に所属。専門は同位体水文

文献学。各地の降水の同位体長期観測や、地下水・湧水の水質の特徴把

茶谷邦男・加賀美忠明・富田伴一・大沼章子・荘握、福島県や仙台市の沿岸域の地

加泰司・浜村憲克（1977）：濃尾平野の超深下水調査、忍野村の地下水流動観

層地下水の水質とラドン濃度の時期的変動．

測などを行っています。

日本地下水学会誌，19，87‒103.


76（2022 年 3 月 31 日掲載）

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

同位体地図（Isoscape）
陀

安

一

郎

（総合地球環境学研究所）
元素の安定同位体比は、元素の由来（どこからを用いたり、地点間を内挿したりして GIS（地理きたか）や反応過程（どのように変化してきたか）

情報システム）上で作成します。例えば、図 1 でを含んだ情報です。例えば、水の水素・酸素同位は、モデルにより推定された降水量で重み付けさ体比であれば、水がどのように蒸発するか、大気れた年間平均降水の酸素同位体比（δ18O）の例を

をどのように移動し、どこで雲を作り、どこに雨示しますが、「軽元素同位体」の項目で説明した、として降るか、また降った雨が地下水や河川とし「緯度が高いほど酸素同位体比が低くなる」などてどのように流れてくるかなどによって、ある場の水の水素・酸素同位体比の分布の特徴が直感的所にある水の水素・酸素同位体比は影響を受けまに理解できます。

す。

図 1 は降水の酸素同位体比の例ですが、同じ世

そこで、例えば降水の水の水素・酸素同位体比

界地図に他の元素の同位体比を重ね合わせることをたくさんの地点で測定して、地図の上に書いてもできます。図 2 に示しますように、ひとつの同みると、ちょうど天気図のように「同位体比の分位体地図では「同じ同位体比」を示す場所はたく

布状況の地図」を書くことができます。これを同さんありますが、複数の同位体比に関する同位体

位体（Isotope）から見た風景（landscape）とい地図を重ね合わせることで、より確からしく場所

う 意 味 で、Isoscape と 呼 び ま す（West et al.

の特定ができる可能性があります。例えば、汚染

2010）。定訳はありませんが、ここでは「同位体源の特定や食品の産地判別に関しては、出来るだ地図」としておきましょう。同位体地図を利用す

け候補となる場所が限定される方が、その特定にると、その場所の同位体比の状況が直感的にわかも役に立ちます。私たちはこのやり方を「多元素ります。実際にあらゆる地点の同位体比を測定す

同位体地図（Multi-Isoscapes）」と呼び、この研ることはできないので、同位体比が変化する理論

究方法をさらに進めようとしています。

図 1．モデルにより推定された降水量で重み付けされた年間平均降水の酸素同位体比（δ18O）の例（Terzer et al. 2013）。
77

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

regression models. Hydrology and Earth
System Sciences 17: 4713-4728.

A

https://doi.org/doi:10.5194/hess-17-4713-2013
West JB, Bowen GJ, Dawson TE, Tu KP (2010)B

Isoscapes: Understanding movement,Cisotope mapping. Springer

pattern, and process on Earth throughD

著者情報
陀安一郎（総合地球環境学研究所
研究基盤国際センター教授）1997

図 2．多 元素同位体地図（Multi-Isoscapes）の概念図
1 つの元素の同位体地図を 1 枚とした場合、この例では A 〜 D の 4 枚の図を重ね合わせて矢印の地点の特徴が表現されます。

年京都大学大学院理学研究科修了、博士（理学）。日本学術振興会特別研究員・日本学術振興会海外特別研究員を経て 2002 年総合
地球環境学研究所助手、2003 年

文献

京都大学生態学研究センター助教

Terzer S, Wassenaar LI, Araguás-Araguás LJ,

授・准教授、2014 年より現職。

Aggarwal PK (2013) Global isoscapes forδ 18O and δ 2H in precipitation: improved

prediction using regionalized climatic

78（2020 年 3 月 31 日掲載）

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

トレーサビリティ
陀

安

一

郎

（総合地球環境学研究所）

1．トレーサビリティという言葉

これらが正常に機能することで社会の信頼を得ることができると考えられます。

トレーサビリティ（Traceability：トレーサビ
リティーとも表記される）とは、追跡（Trace）

牛肉および米についてのトレーサビリティを考と能力（Ability）を組み合わせた造語で、日本える場合、「産地」は明確に特定できるため、正語では「追跡可能性」と訳すことができます。食しくトレーサビリティが確立されれば、理論的に品、医薬品、工業製品、計量機器など多岐にわたっはすべてのトレーサビリティを人間が管理するこて使われている概念ですが、ここでは食品のトとができます。しかし、他の農産物に関してはこレーサビリティを例に挙げて説明します。現代社の様な形でのトレーサビリティは確立していない

会では、生産者と消費者が直接取引することは少ため、消費者が流通経路をたどる一般的な方法はなく、複雑な流通過程を経るために、どこで作ら存在しません。近年、食品の産地を知りたいといれたものかが明確でないことが多いと思います。

う希望が消費者に生まれてきており、それに対応

特に、ここ数十年の間に、牛肉において BSE（牛する様に「国産」や「〇〇県産」という表示を目

海綿状脳症、Bovine Spongiform Encephalopathy）にすることも多くなってきています。では、科学

問 題 が 生 じ た こ と や、 遺 伝 子 組 み 換 え 作 物

的に産地を特定する方法はあるでしょうか？ 現（genetically modified organism）に関する不安な在、食のトレーサビリティを科学的に解明する方どもあって、食品のトレーサビリティが注目され法は、遺伝子（DNA）情報を用いた手法や元素ています。トレーサビリティには、トレースバッ

濃度を用いた手法（例：Leal et al. 2015）、安定

ク（遡及）とトレースフォワード（追跡）の機能

同位体比の情報などがありますが、対象の産品にがあります。前者は履歴の「上流側」にたどるも関してどの手法が最適かに関しては個別に検討すのであるのに対し、後者は「下流側」にたどるもる必要があります。

のです。トレーサビリティが確立した商品では、
2．環境トレーサビリティ

もし何らかの問題が発見された時、トレースバッ
ク機能を用いて上流側にさかのぼり、その問題のこの「トレーサビリティ」概念を環境において原因を追求することに役立てることができます。

考えることが「環境トレーサビリティ」です。前

また、トレースフォワード機能を用いて、それら述しましたように、トレーサビリティの確立のたの商品の流通経路をたどり、購入した可能性のあ

めには、ある現象に関してトレースバック（遡及）る消費者を特定することができます（「食品トレーとトレースフォワード（追跡）を行えることが必

サビリティシステム導入の手引き」改訂委員会

要です。

2008）
。現在、日本では牛肉および米についてト

環境問題の歴史をひもといてみますと、日本にレーサビリティが義務化されています。これらのおいては高度成長期の公害問題の顕在化を受け

トレーサビリティについては、いずれも人間が問て、環境基本法が設定され、大気の汚染、水質の題を回避するために作り上げたシステムであり、汚濁、土壌の汚染などに対して基準が設けられま79

陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版した。それに伴って、各工場には水質汚濁防止法

文献が定める工場排水を規制する法律が設定されまし「食品トレーサビリティシステム導入の手引き」

た。現在の社会においては、このような「ポイン改訂委員会（2008）食品トレーサビリティシ

トソース（点源）」から出てくる汚染物質に関す

ステム導入の手引き

る問題については、法律的な対策が取られており、

http://www.maff.go.jp/j/syouan/seisaku/

一律の基準で問題の発見と解決法が明示されていtrace/index.html

ます。しかし、近年顕在化してきた地球環境問題

Leal, M.C., Pimentel, T., Ricardo, F., Rosa, R. andにおいては、「ノンポイントソース（非点源）」とCalado, R. (2015) Seafood traceability: current

呼ばれる、明確な要因のはっきりしない現象も多needs, available tools, and biotechnological

く、問題とされています。その対策を取るために

challenges for origin certification. Trends inは自然界における微妙な違いを識別する必要があ

Biotechnology 33: 331-336.

ります。環境基準値を満たしていれば、現在直接https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.03.003

的に問題が生じていないと言えますが、もし何ら
著者情報かの物質の濃度が上昇しつつあったり、その性質が変わっていったりすれば、今後何らかの問題が陀安一郎（総合地球環境学研究所

起きるかもわかりません。同じ濃度であったとし

研究基盤国際センター教授）1997
年京都大学大学院理学研究科修ても、その「性質」が変わっているかどうかに関了、博士（理学）。日本学術振興

して、いろいろな元素濃度の変化や、同位体比の会特別研究員・日本学術振興会海外特別研究員を経て 2002 年総合

変化捉えることによって、問題のトレースバック

地球環境学研究所助手、2003 年（遡及）とトレースフォワード（追跡）がいつで京都大学生態学研究センター助教もできるような「予防原則」が成り立つような仕授・准教授、2014 年より現職。

組みを「環境トレーサビリティ」という考え方でとらえていこうと考えています。

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80（2020 年 3 月 31 日掲載）