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放射光第巻第号

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特集放射光利用の広がり

岩石中のセリウムの酸化還元状態がもたらす地球化学的知見
高橋嘉夫
広島大学大学院理学研究科地球惑星システム学専攻

Oxidation State of Cerium in Rocks and Its Geochemical Implications
Yoshio TAKAHASHI
Department of Earth and Planetary Systems Science, Graduate School of Science, Hiroshima University

Abstract
Chemical-states of trace metal ions in rocks have not been applied so much to elucidate geochemical implications compared with wide applications of abundances and isotope ratios of trace elements. This is due to the high detection limit ofappropriate physico-chemical method employed for the speciation of trace elements in rocks. Fluorescence XAFS especially with multi-element semiconductor detection system is a promising tool to develop the speciation study for trace elements in rocks. We have applied ‰uorescence XANES for the oxidation state of Ce in rocks and minerals such as
weathered granites, ferromanganese nodules, cherts, and zircons. Cerium is of particular interest, since oxidation states of
Ce have been estimated from the degree of Ce anomalies found in REE patterns [REE pattern: relative abundances of
REE (rare earth elements) in rocks against reference material such as carbonaceous chondrite, shale, etc]. The Ce(IV)/
Ce(III) ratios determined by XANES coupled with the degree of Ce anomalies provide new information for REE migration, oxidation states of depositional environment, and alteration eŠect after the formation of the samples. Examples ofsuch applications were described in this review including our method to determine Ce(IV)/Ce(III) ratios.

.

そうであったように，地球科学試料中の微量元素の状態分

はじめに
地球化学において，対象試料の起源成因や物質循環を析にとっても，待望した理想的研究手法の登場であったと知る目的で，試料を構成する元素の存在度や同位体比を用いえる。多素子の半導体検出器6)を利用した蛍光 XAFS 法

いた手法が確立されている1,2)。この場合対象となる元素を用いることで，SRXAFS の更なる高感度化がなされ，は，オーダーの主要な元素から ppt レベルの微量な元素

ppm レベルの微量元素の状態分析が可能になってきたこまで，多岐に渡っている。一方で，元素存在度や同位体比とも重要である。更に試料の前処理や真空が必要でないこに続く情報源として，試料に含まれる元素の化学状態の決とは，元素の化学状態を保存したまま測定できる，という定（スペーシエーション， speciation )3,4) も，対象とする

点で，大きなメリットである。

試料について何かを語る可能性がある。固体の地球科学試

以上のことから，SRXAFS を用いた地球科学試料中の料に含まれる元素（ここでは主に金属元素を対象とする）

元素の化学状態に関する研究は，これまでも多数行われてのスペーシエーションは， X 線回折で決定できるようないる。これらの研究では，スペクトルの質的な問題のため鉱物を対象元素が構成していれば，その鉱物の同定で目的に，多くの場合 XANES による議論が主流であるが，そが達成されよう。 X 線回折が難しい場合でも，鉄，マン

れでも XANES を用いて酸化還元状態を推定したり，指ガン，アルミニウムなどの主要元素であれば，例えば，メ紋法によって化学状態の変化を追跡するなどして，新しい

スバウアー分光法， ESR 法， NMR 法， XPS 法などで，知見が得られている（例えば鉄710)，マンガン911)，クロ元素の価数 や結合状態 に関する情 報を得るこ とができ。
ム12)，ウラン13)などの酸化還元状態や局所構造など）

る5)。これらの情報からは，例えば価数から試料が生成した環境の酸化還元状態が分かる，などの利点がある。

筆者らは，こうした SR XAFS による状態分析を，微量元素の中でも特にセリウムに適用した研究を進めていこのように，元素の化学状態は，存在度や同位体比に続る1416) 。この理由は，セリウムが希土類元素パターンとく地球化学の有効なツールと考えられるが，状態分析の対して地球科学試料のキャラクタリゼーションに有用な希土象とされる元素は濃度の比較的高い元素に限られてきた。

類元素の一員であり，希土類元素の中でも特異な挙動を示

状態分析のための物理化学的手法の検出限界が制約となるす元素だからである。

からである。そのため，周期表に存在する沢山の元素がも.

希土類元素パターンと Ce 異常2,17)

たらすであろう有益な情報は，微量であるために手の届か

希土類元素（ REE ）パターンは，地球科学試料に含まないものであった。この状況の中で，放射光を光源としたれる希土類元素18) の濃度を起源物質中の希土類元素の濃X 線吸収微細構造（SR XAFS）の発展は，他の分野でも度で規格化し，希土類元素の原子番号順に並べたものをい8526 広島県東広島市鏡山 1
3
1
広島大学大学院理学研究科地球惑星システム学専攻 〒739
24
7460 FAX: 0824
24
0735 E-mail: takahasi＠geol.sci.hiroshima-u.ac.jp
TEL: 0824

――(C) 2002 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号()

Figure 1. (a) Abundances of rare earth elements (REE) in C1 chondrite, PAAS (Post-Archean Australian Average
Shale), and MORB (Mid-Ocean Ridge Basalt). (b) C1 chondrite-normalized REE patterns of PAAS, MORB, seawater,
and ferromanganese nodule.

う。規格化する物質としては，太陽系の平均的な元素組成

パターンには， PAAS や MORB ではなめらかであったを示すと考えられる始源的な隕石である炭素質コンドライ

La Ce Pr の Ce の部分に大きな異常が認められる。これト（C1 コンドライト，Leedey 隕石など）がしばしば選ば

は Ce 異常と呼ばれており，その原因として，地球でできれる。 Figure 1a に C1 コンドライト中の希土類元素の絶た試料中では他の希土類元素（ Eu は除く）は 3 価が安定

対 濃 度 を 示 し た19) 。 同 時 に ， 地 球 の 物 質 と し て 頁 岩

なのに対して， Ce では試料の生成プロセスに Ce ( IV )が（PAAS, Post-Archean Australian Average Shale)20)，中央

関与し，他の希土類元素とは異なる挙動をとるため，と考海嶺玄武岩（MORB )20)の希土類元素の濃度も示した。いえられてきた。同様に Eu にみられる異常も，Eu(II)の関

ずれも原子核の安定性を反映して，偶数の原子番号の元素与によると考えられる。例えば海水にみられる負の Ce 異が隣接する奇数の原子番号の元素よりも大きな濃度を示す

常は，海洋中で不溶性の Ce(IV )が生成し，沈殿吸着にオッドハーキンス則が，見事に現れている。しかし逆より除かれ，他の希土類元素に比べて溶存 Ce 濃度が小さに，それ以外の特徴はこれらの濃度パターンでははっきりいためと考えられる。それに対応するように，海洋に生成しない。そこで，これら地球物質の濃度を C1 コンドライする鉄マンガン酸化物であるマンガン団塊中では正の Ce

トの濃度で規格化すると，非常になめらかな曲線が得られ異常が現れている。

る（Fig. 1b）。こうして得られる規格化パターンは希土類

このように Ce の酸化還元状態は， Ce ( IV )の生成がも元素パターンと呼ばれ，増田21) やコリエルら22) により独たらす希土類元素パターンの Ce 異常という形で推定され立に提案され， Masuda-Coryell diagram と呼ばれることてきたが，物理化学的手法により Ce の酸化還元状態を調もある。希土類元素パターンがなめらかな曲線となるの

べた例はこれまでなく，筆者らはこれに蛍光 XANES 法

は，希土類元素が通常の環境では全て 3 価が安定で相互を用いた。その結果，希土類元素パターンに現れる Ce 異に類似した化学的性質を持つことによるが，一方でイオン常の程度と Ce の実際の酸化還元状態を比較することで，半径が原子番号と共にほぼ等間隔に減少していくランタノ

新しい情報が得られることが分かった。特に Ce 異常の程イド収縮のために，希土類元素パターンは試料によって特度と Ce の現在の酸化還元状態に対応がつかない場合には，徴的な傾きを示す。例えば， PAAS が左上がりのパター

Ce 異常が試料生成時の情報を保持しているのに対し，現ンを示す（ Fig. 1b ）のは，地殻物質がマントルからマグ

在の酸化還元状態は試料生成後の変動を示すと考えられ，

マとして分離する際に，イオン半径の大きな元素は固相に

これまでにないユニークな情報となる可能性がある。

は取り込まれにくいため，イオン半径の大きな軽希土が地以上のことから，ここでは筆者らの最近の研究例から，殻に相対的に多く分配されることによる。またその相分離

XANES 法による Ce の酸化還元状態（Ce(IV)の割合）のの相手と考えられる MORB は，軽希土に乏しい希土類元測定方法と地球科学試料への応用例などについて，一部他

素パターンを示す。

の元素の結果もまじえて紹介する。

REE パターンは，その傾きが大きなスケールでの地球

.

実験の概要

の分化に応答する以外に，いくつかの副産物も有していここで紹介する実験は，主に高エネルギー加速器研究機

る 。 そ の ひ と つ が ， こ こ で 注 目 す る Ce 異 常 で あ る 。

構 Photon Factory ビームライン BL12C で，常温大気圧

Figure 1b に示した海水23) およびマンガン団塊14) の REE下で行った24)。また Pb LIII 吸収端の実験は SPring-8 ビー

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放射光

第巻第号()

ムライン BL01B1 で，やはり常温大気圧下で行った25) 。
検出には 19 素子半導体検出器を用いた。ここで測定した

Ce LIII 吸収端のエネルギーは 5.73 keV 付近である。天然
試料の場合，7.1 keV を超える吸収端を蛍光法で測定する
場合には，主要元素で ある Fe  Mn の蛍光 X 線が発生
し，妨害を与える場合が多い。しかし幸いなことに，岩石中の Ce の LIII 吸収端はこうした影響はなく，フィルター等を利用しなくとも， 50 ppm 程度までは容易に XANESを測定することができた。一部の結果を紹介する Co K 吸収端の測定では，鉄の蛍光 X 線の影響が大きく，適切なフィルターでこの影響を除く工夫が必須であった。岩石試
料は，塊状のもの，粉末にしたもの，薄片にしたもの，など様々である。薄片試料を用いれば，ビーム径を絞ること
により局所分析も可能である。また希土類元素の濃度は，試料をフッ酸分解した溶液中の希土類元素の濃度を ICP
質量分析法で測定することにより定量した（誤差 5 以内)14,26)。
.

Ce LIII 端 XANES による Ce の酸化還元状態の推定

Figure 2. Cerium LIIIedge XANES spectra of (a) Ce(III) and(b) Ce(IV) species.

Ce LIII 端 XANES は，CeO2 の特異な電子状態などのために，多くの研究がなされている2733)。Ce(III)と Ce(IV)のいくつかの化合物の XANES スペクトルを Fig. 2 に示した。 Ce ( III )では， 2p →( 4f1 ) 5d の電子遷移に対応する
シングルピークが見られる。一方 Ce(IV )では，4f 軌道と最近接原子である酸素の 2p 軌道との相互作用のために，

2p→(4f1L)5d（5.730 keV）と 2p →(4f0)5d（5.737 keV）の電子遷移に由来する特徴的な 2 本の吸収がみられる（Lは 酸 素 の 2p か ら Ce の 4f に 電 子 が 流 れ こ む こ と を 示す)2831)。これらの各ピークは，ローレンツ関数と arctan関数の線形結合でカーブフィットできる（Fig. 3)27)。

Ce (III )と Ce ( IV )が共存する試料での Ce (IV )/ Ce (III )比は， Ce LIII 端 XANES スペクトルを 3 価と 4 価のスペ
クトルの線形結合でカーブフィットし，Ce(III)と Ce(IV)のローレンツ関数の部分の面積比から求めた。 Ce (III )とCe ( IV )の基準となるスペクトルとして，塩化セリウム（ III ）と硫酸セリウム（ IV ）を用いた。 Figure 3 に， Ce(III )と Ce (IV )のモル比を変化させた標準試料の XANES

Figure 3. Variation of Ce LIIIedge XANES spectra for the mixtures of Ce(III) chloride and Ce(IV) sulfate. The percentages of Ce(IV) contained in the mixtures are indicated.

スペクトルと Ce(IV )が70の試料に対するカーブフィッ
ティングの結果を示した。Ce(IV)のモル分率（XIV）は，
面 積 比 RIV ( ＝ SIV / ( SIII ＋ SIV ）， た だ し SIII と SIV は Ce

る。Ce (III )の化学種は， Fig. 2 に示したスペクトルを見(III)と Ce(IV)のピークのローレンツ関数部分の面積）にる限り，価数以外の影響は XANES には殆ど現れないよ

ほぼ等しいが，本方法ではやや Ce (IV )の面積が大きくなうである。これは Ce (III )の 2p →(4f1)5d の電子遷移に及＝ SIV /

ぼす配位子場の影響が小さいことによると考えられる。一(1.20 SIII＋SIV) で Ce(IV)の割合を求めている。標準試料

方 Ce (IV )では既に述べたように，最近接原子である酸素

る 傾 向 が あ る よ う で ， 現 在 の と こ ろ 実 験 式 XIVを独立に調製し，Ce (IV )の割合を求める実験を繰り返しの 2p 軌道との相互作用のために，CeO2 では Ce(SO4)2 にた結果，得られた Ce (IV )の割合（）には，絶対誤差と比べて5.730 keV 付近の吸収ピークの相対的な強度が増大

して±10程度を見込む必要がある。

している。このピークの相対的な強度は， Ce (IV )の共有

この方法で Ce の酸化還元状態を XANES から推定する

結合性の増加と共に大きくなる29,31)。 Ce (SO4)2 のスペクには，基準となる Ce ( III )や Ce ( IV )の XANES が価数のトルを Ce ( IV )の化合物の基準とし， CeO2 に対して上記

みに依存し，他の状態の違いで変動しないことが必要であのカーブフィッティングを行うと，CeO2 の XANES は，

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第巻第号()Ce ( SO4 )2 に Ce ( III )をモル比で約 10 混合したスペクト

じたと考えられる。Ce(III)の挙動が他の REE から予想さルと類似していることが分かる。 CeO2 は，天然に存在すれる傾向と類似していれば，Ce(III)の濃度（［Ce(III)]CN;

る Ce の化合物の中でも共有結合性の強いものと考えら

なお CN はコンドライト規格化値の意）は REE パターン

れ ， 天 然 の Ce ( IV ) の 化 学 種 の XANES に は ， CeO2 とにおいて，［ La ]CN と［ Pr ]CN を内挿した点となり，一般（イオン性の強い）Ce(SO4)2 を端成分とする変動があると的に次のように表現される34)。

予 想 さ れ る 。 こ の 場 合 ， Ce ( IV ) の XANES と し て Ce

［Ce(III)]CN＝([La]CN)1/2([Pr]CN)1/2(SO4)2 を用いた計算を行っても，得られた Ce(IV)の割合(1 )に及ぼす影響は相対誤差として 10 以下であると考えらすると Ce ( IV )の濃度（［ Ce ( IV )]CN ）は， Ce の全濃度れる。なお，天然で見いだされる Ce の化合物では， Ce（［Cet]CN）からの最近接原子は例外なく酸素であり，その点からも天然物［Ce(IV)]CN＝[Cet]CN－[Ce(III)]CN

中の Ce ( III )や Ce ( IV )の化学種の XANES が大きくは変として求められる。これを適用すると，例えば ML 1 で化しないと予想される。
.

(2 )

Ce ( IV )の割合と Ce 異常の程度の比較から得られるは Ce(IV )の割合が29であると計算される。以下では，

地球化学的知見

この結果と XANES から得られる Ce (IV )の割合を比較し. 風化花崗岩に見られる Ce 異常と Ce ( IV )/ Ce ( III )て議論する。

比15,26)

この風化花崗岩を均質化するために粉状にし，XANES

岐阜県土岐市に分布する土岐花崗岩のうちで，風化の程を測定した（ Fig. 5 ）。これらの XANES は，試料を空気度が様々である試料を同市松野湖周辺で採取した（ML1,

中で 18 ヶ月間保管した後で測定しても変化しなかった。

ML2, ML3, ML5）。また風化を受けていない試料とし

これは，岩石中の Ce (IV )/Ce (III)比が比較的安定に保持て，土岐花崗岩のボーリングコア試料 DH 3 を用いた。

されていることを示す。しかしより酸素の影響を受けやす

これらの REE パターンを Fig. 4 に示す。通常，風化をいと考えられる試料では，その取り扱いには試料に応じた受けていない花崗岩には Ce 異常は見られないが，水の作工夫が必要であろう。

用を受け風化されると Fe(II)が溶出酸化されて Fe(III)DH 3 のスペクトルは， Fig. 2a で示した Ce ( III )の化の水酸化物酸化物が生成したり，試料によっては Ce 異学種のスペクトルと一致し，予想通り Ce (III)のみが含ま常が現れるなどする。DH3 は風化を受けていない花崗岩

れることが分かる。逆に REE パターンから Ce ( III )のみであり， Ce 異常は見られない。また風化花崗岩であるしか含まれないと仮定できるならば，花崗岩のような様々

ML 3 や ML 5 でも Ce 異常は見られない。一方，ML 1

な鉱物の集合体でも，含まれる Ce ( III )は標準試料の Ceと ML 2 には正負の大きな Ce 異常が見られる。これらの(III)のスペクトルで模擬できることが分かる（Fig. 2a）。

岩石は，主成分元素の化学組成からも著しい風化作用を受ML 1 では， XANES から Ce ( IV )が 70 含まれること

けていることが分かっているが26)，その過程で Ce (IV )がが推定される。これは，REE パターンから予想される Ce

生じ，3 価をとる他の REE から分別されて，Ce 異常が生( IV )の割合と一致し， Ce ( IV )の生成の影響が式 1 式 2の計算の通りに REE パターンに現れることが分かる。これを水岩石反応という点から考えると，次のように解釈できる。水と接した花崗岩は風化作用を受け，その一部がFigure 4. C1 chondrite-normalized REE patterns of weathered
granite (ML1, ML2, ML3, ML5) and fresh granite collectedaround Tono area, Gifu, Japan.

Figure 5. Cerium LIIIedge XANES spectra of Ce species inweathered granite (ML1, ML2) and fresh granite collectedaround Tono area, Gifu, Japan.

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溶解する。この時に溶解した REE のうち， Ce はその一部あるいは全部が酸化され，その場で沈殿吸着により固相に再び 取り込まれ る。一方 Ce ( III )や他 の REE ( III )は，溶解後 に水によっ て流出する 。その分別 の結果がREE パターンに現れ，過剰となっている Ce の濃度は Ce(IV )の寄与に等しくなる。ML 1 の Ce (IV )の寄与分を除いたスムースな REE パターン（ Fig. 4 の点線部分）は，水と反応していない固相部分に含まれる REE が示すパターンと考えられる。
一方，ML 2 はやや解釈が難しい。この REE パターンは負の異常を示すので， Ce ( IV )に欠乏した水から ML 2に REE が付け加わったと考えられる。それでも Ce ( IV )が30程度含まれているのは，ML 2 に REE が付け加わる際に， Ce の一部が酸化されたと考えるしかない。次節で触れる鉄マンガン酸化物のような相が存在すれば，そうした酸化を伴う吸着反応が生じると考えられる。より詳
細なメカニズムは，岩石薄片に対してマイクロビームを用いた XANES 法を適用し， Ce ( IV )がどのような部位に存

Figure 6. REE patterns of hydrogenetic ferromanganese nodules(CD25, D535, D886, AD14) recovered in the Central Paciˆc normalized by (a) PAAS and (b) seawater.

在するかでより明らかになるであろう。
. マンガン団塊による Ce, Co, Pb の濃縮1416)
海水中の溶存元素の挙動は，鉄マンガン酸化物，粘土
鉱物，シリカ，有機物などの懸濁物質との吸着脱着反応
により大きく影響されている。マンガン団塊は鉄マンガ
ン酸化物を主成分としており，海洋環境で鉄マンガン酸
化物が微量元素の挙動に果たす役割を知る上での重要な研究対象である。マンガン団塊には大きな正の Ce 異常が見られることが知られており，この Ce を対象に XANES に
よってその酸化還元状態を調べた。同時に，やはりマンガン団塊に濃縮する CoPb についても，Co K 端および Pb

LIII 端 に よ る Co 及 び Pb の 酸 化 還 元 状 態 の 解 明 を 行 った。マンガン団塊としては，中部太平洋で採取され，海水から生成したと考えられる海水起源のものを用いた35,36)。
頁岩で規格化した REE パターンはいずれも正の Ce 異常を示した（Fig. 6a）。マンガン団塊のような海洋堆積物

Figure 7. Cerium LIIIedge XANES spectra of Ce species inhydrogenetic ferromanganese nodules (CD25, D535, D886, AD14)
recovered in the Central Paciˆc and Ce species sorbed on dMnO2
prepared in laboratory.

では，主に陸起源の砕屑粒子や粘土鉱物が堆積固結してできた堆積岩である頁岩で規格化するのが一般的である。
この REE パターンから予想されるマンガン団塊中の Ce

ン団塊中の REE が海水中の溶存態に直接由来するもので(IV)の割合は，5877である。しかし XANES から予想あることを示唆している。

された Ce ( IV )の割合はどの試料でもほぼ 100 である

こうした規格化の議論は基本的に平衡論に基づいてい（ Fig. 7 ）。 4 価の Ce が存在することは予想されたことでる。しかし鉄マンガン酸化物は常に成長していると考えあるが，Ce(IV)の割合は REE パターンからの計算値よりられるので，実際の海水での反応はむしろ速度論的に考え大きい。これには規格化の方法が大きく影響していると考るべきかもしれない。Figure 7 には，実験室で Ce(III)の

え ら れ る 。 マ ン ガ ン 団 塊 中 の REE は 海 水 中 の 溶 存 態

溶液中にマンガン酸化物（ d MnO2 ）を加えた時に， d 

REE から供給されたと考えるべきであり，規格化の対象

MnO2 に 吸 着 さ れ た Ce の XANES も 示 し た が ， や は り

としては海水を用いるべきである。海水の REE パターンCe (IV )のみを含むスペクトルとなっている。これはマンは大きく Ce が欠乏しており（Fig. 1b ），海水で規格化す

ガン酸化物に吸着されれば， Ce は全て 4 価になることをればマンガン団塊の正の Ce 異常は更に大きくなり（Fig.

示しており，マンガン団塊への Ce の濃縮は速度論的に考6b ）， REE パターンから計算される Ce ( IV )の割合は 100えるべきであることを示唆している。海水中の溶存 Ce はとなって，XANES の結果と一致する。これは，マンガ

3 価と考えられるので37)，マンガン団塊中の Ce はマンガ

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第巻第号()

ン団塊に吸着された後で酸化されると考えるのが自然である。この場合，鉄マンガン酸化物表面は Ce ( III )に欠乏した状態になるので，次の溶存 Ce (III)の吸着と酸化が起き，この繰り返しで Ce の濃縮が生じると考えられる。一方で CeO2 や Ce ( OH )4 が海水中で直接生じ，そのコロイド様物質が鉄マンガン酸化物に取り込まれた可能性もある。しかしこれは，マンガン団塊中の Ce の XANES がCeO2 や Ce ( OH )4 とは異なったスペクトルを示すことか
ら否定される（ Fig. 2b ）。 Ce の濃縮が速度論的に生じるとすれば， Ce の濃縮の程度（ Ce 異常の大きさ）は，鉄
マンガン酸化物が成長し，ある部位が海水に対して閉鎖された時に Ce の濃縮が止まると考えれば説明がつく。つまり成長速度が遅いマンガン団塊ほど， Ce の濃縮の程度が大きくなると考えられる。この考え方は，成長速度の異な

Figure 8. Cobalt Kedge XANES spectra of CoO, Co2O3, and Co
species in ferromanganese nodule (D535).

るマンガン団塊の REE 分析からも実証されている38)。現
在成長速度の遅いマンガン団塊についても，吸着されている Ce がやはり全て 4 価なのかなどについて研究を進めて
おり，海洋環境での Ce や他の REE の挙動を素反応のレベルから明らかにしていきたい。

Co の濃縮も Ce と同じように考えられる。Co の濃縮の程度は，溶存態が 2 価で更に酸化されることはない Cu やNi との相対比で比較されるが，この場合 Ce 異常の程度とCo / ( Ni ＋ Cu ） 比 に は ， 強 い 相 関 が あ る38) 。 そ こ で
XANES で Co の化学状態を調べた。マンガン団塊中のCo の XANES は Co2O3 と類似しているが，CoO とは異なる（ Fig. 8 ）。この結果は，海水中の溶存態が 2 価であると考えられる Co が39)，マンガン団塊中では完全に 3 価に酸化されていることを示す。これは Ce の場合と同様に，
鉄マンガン酸化物による酸化が Co の濃縮にも強く影響することを示す。また Co の濃縮の程度も， Ce と同様に成長速度が大きく関係すると考えられる40)。

Pb も同様にマンガン団塊に濃縮することが知られている。マンガン団塊中の Pb の濃度は Co や Ce と相関しており，Pb ( II )から Pb ( IV )への酸化的吸着が Pb の濃縮の原因であると予想される41,42)。そこで Pb についても，Pb

Figure 9. (a) Lead LIIIedge XANES spectra of PbO, Pb3O4,
PbO2, and Pb species in ferromanganese nodule (D535) and (b)their ˆrst derivative.

LIII 端 XANES を測定した（ Fig. 9a ）。 Pb は 2 価では 2p→6d の遷移の吸収が XANES に現れるが，4 価になると，2 価では閉殻であった 6s 軌道への遷移が生じ，2p→6d のン酸化物相に含まれる割合が高いのに対し， Pb は鉄酸化

遷 移 の 10 eV 程 度 低 エ ネ ル ギ ー 側 に 特 徴 的 な pre-edge

物相に含まれる割合が高い46) 。また成長速度の遅い海水ピークが生じる（ Fig. 9 )43,44)。しかしマンガン団塊では起源のマンガン団塊は Fe/Mn 比が高く，遅い成長速度のこのような遷移はみられず， Pb は 4 価ではないことが推マンガン団塊ほど間接的に Pb の濃縮の程度が大きくなる定される。Co や Ce では酸化が起き，Pb では酸化が起きことが分かっている。このように Pb の濃縮は，鉄酸化物

ないのは，Eh pH ダイアグラム45) からも分かるように，相への高い親和性によると考えられる。従って， Co （及海水の pH ＝ 8 という条件下では， Co や Ce に比べて Pb

び Ce ）と Pb のマンガン団塊への濃縮には，酸化的吸着の酸化が起きにくいことから理解される。従って，Pb のと鉄酸化物相への濃縮，というふたつの異なったメカニズ

濃縮をもたらす原因を他に求める必要があるが，これは，ムがあることが推定される。

Pb の鉄酸化物水酸化物相への高い親和性であると考え海水からマンガン団塊への元素の濃縮は，実験室で水のられる。選択的溶解法によりマンガン団塊中のマンガン酸

中に二酸化マンガンを入れて元素の吸着を調べる，という化物相と鉄酸化物相を選択的に溶解すると，Co はマンガ

ようなごく初歩的な化学の実験を，地球というビーカー中

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第巻第号()の海水で行っているかのようである。地球で起こるこのよ
うな化学反応を詳しく見る上で， XAFS を用いた状態分
析は大きな威力を発揮する。
. チャートに見られる Ce 異常と Ce の酸化還元状態15)
チャートとは，化学組成がほぼ SiO2 からなる堆積岩である。化学的に安定なため，地球の過去の歴史を読み解く上で重要な岩石である。例えば，チャートの示す色調で過去の酸化還元状態が分かるとする説もある47) 。チャートが赤色であれば，Fe ( III )の存在を意味し，それが堆積した時代は酸化的な環境であったとし，黒色であれば還元的な環境だったと考えるのである。この例のように，堆積岩は過去の地球の歴史を保存した岩石だと考えられ，元素のFigure 10. C1 chondrite-normalized REE patterns of cherts in the
Mino terrane (Mino9, Mino17) and in the Southern Chichibu terrane (N19).

酸化還元状態は，堆積環境を推定する有効な指標となる可能性がある。一方でこうした議論では，堆積岩に含まれる元素の現在の状態が堆積時のものを保持しているのかどうかを常に検証していく必要がある。この検証には， REE
パターンと Ce の現在の酸化還元状態との関係が有効となる可能性がある。前者は堆積時の情報を保持し，後者はその後の変化（続成過程）に応答すると考えられるからである。
そこで，西南日本内帯の美濃帯のチャート（Mino9 及び Mino 17 ，三畳紀，岐阜県犬山地域）および西南日本
外帯の秩父累帯南帯のチャート（N19，二畳紀，大分県佐伯地域）を試料として選び48)， XANES による Ce の酸化
還元状態の測定を行った。チャートは頁岩やコンドライト
で規格化した場合，堆積環境に応じて正負様々な Ce 異常を示す（Fig. 10）。REE パターンから予想される Ce(IV )Figure 11. Cerium LIIIedge XANES spectra of Ce species incherts in the Mino terrane (Mino9, Mino17) and in the Southern
Chichibu terrane (N19).

の割合は，正の異常を持つ Mino 17 では 20 となり，これは堆積初期に含まれた Ce の状態を示すと考えられる。
もしチャート中の REE が海水中の溶存態から供給されたたケイ質堆積物（固結すればチャートになる）に対して同と考えて海水で規格化すれば，正の Ce 異常は更に大きく様の解析を行い，その Ce 異常が示す意味について更に研なり，初期的に含まれた Ce (IV )の割合はより大きく計算究を進めている。

される。しかしこれらの試料の XANES を測定すると，

. ジルコン中の Ce(IV)の放射線還元50)

どの試料においても Ce(IV)の寄与はみられず，Ce(III)のジルコン（ZrSiO4）は火成作用で生成し，地球上の様々みしか含まれていないことが分かる（Fig. 11）。これは堆な岩石に含まれるアクセサリー鉱物で，化学的に極めて安

積初期に含まれていた 4 価の Ce が，堆積後のプロセス定な性質を持つ。普通，ウランやトリウムを高濃度に含ん（続成過程）において還元されたことを意味する。この続でいるので， U Pb や Th Pb などの放射壊変系による年成過程では，含まれる有機物の量に応じて還元反応が進行

代測定を行う鉱物として有名である51) 。一方でジルコンするのが一般的であり，観察された Ce の還元はこのプロは，主成分である Zr が 4 価なので，マグマ中に微量に存

セスに応答していると考えられる。逆に考えるならば，在する Ce ( IV )を集める。そのため，ジルコンの REE パ

Ce が全て 3 価に還元されたのに対して，REE パターンに

ターンは正の Ce 異常を持つ場合が多い52)。このジルコン見られる Ce 異常の程度に多様性が残っていることは，についても，Ce(IV)の割合を XANES によって測定した。

REE パターンが堆積時の情報を保持している可能性があ

ジルコン試料（粒径10100 mm）は，山陽帯土生（はぶ）ること示している。チャートの Ce 異常の程度は，チャー

花崗岩（生成年代 8590 万年前)53) と領家帯山中花崗岩

トが堆積した環境が遠洋であるか大陸縁であるかを示して（生成年代1 億 400 万年前)54)から鉱物分離により抽出しいる と推定 され ている49) 。 今後こ のモ デル を更に 検証た。この試料が示す REE パターンは，二次イオン質量分

し，チャートの REE パターンに見られる Ce 異常の原因

析計で測定した（Fig. 12 ）。いずれも大きな Ce 異常を示を明確にすれば，チャートの示す Ce 異常は古環境推定のし，ジルコン生成時に含まれる Ce はほぼ 100 が 4 価で有効な指標になると考えられる。現在，海洋底から採取しあったと推定される。もちろん全岩の REE パターンには

――

放射光

第巻第号()

Figure 12. C1 chondrite-normalized REE patterns of zircons separated from Habu and Yamanaka granites. C1 chondrite-normalized
REE patterns of their host granitic rocks are also shown.

Figure 14. Radiation eŠect of g-rays on the Ce LIIIedge XANES
spectra of Ce species in zircons separated from Habu granite. The
numbers indicate the amount of gray radiated to the samples.

還元が起きることを示す（Fig. 14）。この時に照射した放射線量と Ce (IV )の還元量の関係は，山中花崗岩が示す年
代の間にウラントリウム由来の放射線量（線質の違いは換算係数により換算）と山中ジルコンで生じたと考えられ
る Ce (IV )の還元量の関係と，オーダーとしては一致していることが分かっている。詳細はここでは述べないが，これらの結果は， Ce (IV )の還元量が，ジルコンの受けた放射線量ひいてはジルコンの年代と相関があることを示唆しており，興味深い。
このジルコンや前項のチャートの例でも分かる通り，

REE パターンに見られる Ce 異常の程度と Ce(IV )の割合を比較することは，このふたつの指標に対応がつかない場
Figure 13. Cerium LIIIedge XANES spectra of Ce species in zircons separated from Habu and Yamanaka granites.

合に，試料の生成後の変化を反映することになる。このような変化を捉えた地球化学的ツールはこれまで少なく，今後地球化学者の有効な武器になることが期待される。
.

Ce 異常はなく，岩石全体からみれば Ce ( IV )の寄与は無おわりに以上のべてきたように， Ce という微量元素の中でも特異な元素について，従来の REE パターンからの知見と視できるほど小さいことが分かる。
次にジルコン試料を数100 粒ほど集め，これをポリ袋に

XANES から得られる Ce の酸化還元状態の情報を比較す

封入して，XANES を測定した。その結果，土生花崗岩のることで，多彩な地球化学的な知見が得られることが分かジルコンではほぼ 4 価に近いスペクトル（Ce(IV)の割合る。

90）を示したが，山中花崗岩では Ce(IV )の割合は20

化学屋としては当然のことだろうが， XAFS のようなとなった（ Fig. 13 ）。これは，ジルコン生成時にあった状態分析を天然の岩石試料に応用した研究は数多く試みら

Ce (IV )が何らかの作用で還元されたことを示す。ジルコ

れている。しかしそれを方法論に終始した一過性のものとン中には 100 500 ppm のウラントリウムが含まれておせず，地球惑星科学の本質に貢献するような本格的な研究

り，還元をもたらす作用の候補に放射線による還元が挙げは決して多くはない。しかし，様々な技術により XAFSられる。一般に放射線の照射により固体中には電子が誘起法の感度が向上し，本論文で述べた Ce のように，対象とされるので，これが Ce ( IV )に捕らえられれば Ce ( III )がなる微量元素が更に増えてきたことは， XAFS 法を活用生成する可能性がある。これを再現するために，広島大学

した本格的な地球化学研究の可能性を大いに高めるもので工学部放射線総合実験室の Co 60g 線照射装置を用いて gある。岩石中の微量元素の存在状態が何を意味するかにつ線 を 照 射 し た 試 料 に つ い て XANES の 測 定 を 行 っ た 結

いては常に議論が必要であるが，本研究は今後の地球化学

果，照射量の増加と共により Ce (III)の XANES に近づいの新しい方向性を示しているといえる。

ていくことが分かった。これは， g 線によって Ce ( IV )の――

技術的な点からいえば，天然試料ではどうしても質のよ




放射光

い EXAFS を得ることは難しいので，XANES の解析法が一層進むことも，今後の大きな突破口になると考えられる。また光源としては，より強力なマイクロビームの利用が可能になれば， XAFS は地球化学研究の不可欠なツールとして更に発展すると思われる。筆者は現段階では，

XAFS と地球化学の組み合わせがもたらす沢山の新しい

14)
15)
16)
17)

試みを行っているところであるが，日進月歩の放射光利用技術になんとか歩調を合わせて，放射光を利用した新しい
地球化学研究を貪欲に開拓していきたい。

18)

謝辞
私は化学科の学生時代に強く興味を抱いていた XAFS

19)

実験に，地球惑星科学系の学科の教官になってから初めて20)トライさせて頂きました。その最初の私の申し出に快く応
じ，お忙しい中 XAFS 実験の基礎をご指導して下さった
野村昌治先生（ KEK PF ）に，この場を借りて深くお礼

21)
22)

を申し上げます。また共同研究者であり，色々とご指導下さった清水洋先生（広島大），宇留賀朋也博士（JASRI），

23)

奥村和博士（鳥取大），鍵裕之博士（東京大），臼井朗博士

24)
25)

（産総研）
，津野宏博士（産総研）に感謝致します。最後に，この原稿を書く機会を与えて頂いた編集委員会にもお礼を申し上げます。
この研究は， KEK PF の共同利用実験 99G074 および2000G267 ， SPring-8 の共同利用実験 2000B0276 NX np

26)のもとで行われました。また本研究は，科学研究費補助金

27)

課題番号 13740317 および住友生命財団から研究費の補助を受けています。

28)

参考文献
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放射光

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