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フィッション・トラック ニュースレター 第26号 67-70 2013年
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共通テーマセッション「考古学との連携」>4 )*,@5**#+<**A*&**

石英を用いたESR年代測定の現状とCurrent issues of ESR
dating of quartz and use of ESR signals in quartz for
地球表層における物質移動研究への応用
the studies on sediment provenance*豊田新*・浅越光矢**・山本裕哉**・野曽原吉彦**
Shin
Toyoda, Mitsuya Asagoe**, Yuya Yamamoto**,and Yoshihiko Nosohara**
Current issues of ESR dating of quartz and use of ESR signals in*ÕÔŐũ¿ÈŐÈƳ,Departmentof Applied
Physics, Okayama
University of Sciencequartz forthe studies
on sedimentprovenance**ÕÔŐũ¿È¿ÈƽŐÈŢŭũ,Graduate
Schoolof Yamamoto**,Science, Okayama University ofShin Toyoda*, Mitsuya
Asagoe**,YuyaScienceand Yoshihiko Nosohara***岡山理科大学理学部, Department of Applied Physics, Okayama University of ScienceǄÅIXc ǐǒESRǓ)ňƤk(iÍǄÅ<ĺË8ĺËı# 8ƄńăÎ
はじめにŽ<Ʒňk'(ǄǂyŒ'5電子スピン共鳴（ESR）は物質中の不対電子を7ǄÅǔĩÆÍőõ8ğÅĨƾ4測定する測定法である．自然放射線を受けた鉱iŵň(Ʃ'üŌ9Ŋóņ
物中に，その電離作用により電子−正孔対が生Ř'ÉË# 9*Ýs$ 'ƄńăÎ
成する．格子欠陥や不純物の近くに「捕獲」さŽ<iÍǄÅƋŬ" $
れた状態が熱的に安定であれば，年代と共に自'&8"(ƋŬiÍǄÅ<然放射線を受け，不対電子が蓄積していくことにĺË8$'5 "ƄńăÎなる．そしてこの蓄積した不対電子を測定するこŽ(ƶ(żƶǒżƏĒŽƶǓ<ĭ2hとによって，受けた自然放射線の量の総量（総被á(5 '9<ƄńăÎŽ(ÝƹŽ曝線量）を求め，下式のように，それを自然放射
ƶō#8$'5 " ESR Ýs<ĭ2線の年間線量率で割ることによってESR年代を求8める．

đŠÌŒŘ'ÝsĺË#8$ť9(Takamasa et al., 2012)( ŠƊ)µƎ'Ĕ3ĐƯŘ'Ç´8Ʒň
石英を用いたESR年代測定(f!# 82ćÓƮŀÔ­
石英を用いた最初のESR年代測定は断層の活動
ňǒOY^Ǔ·ŬňŠ¬$"Œ 6
年代についてであった (Ikeya et al., 1982)．し98Y_cQ&%ÝsĺË(îŒŲ°かし，その後の研究においても，その主要なテーÞ (Takamasa et al., 2012)．このうち，石英は地が正しく求められていないことと，年間線量率が**岡山理科大学大学院理学研究科, Graduate School of Science, Okayama University of Science

マは，断層の活動によって信号の完全なリセットが起きる地球化学的な条件 (Tanaka 1989)，そ6 :  3   ESR $  - !
 ŠƊ<Œ Ĕ( ESR ÝsĺË)ć
(Lee and Schwarcz, 1994)．堆積物のESR年代
Ó(ĴÝs'! "# (Ikeya et測定の場合も同様，太陽光にどれくらいさらされal., 1982)(æ(Ţŭ'"ることによって信号が消滅するのか，また堆積時3(lƓ&OeZ)ćÓ(Ĵ'に完全に消滅していたことをどのように示すかが5 "}£(Ê&_JMQƦ8µ重要なテーマである (Toyoda et al., 2000)．一ŏÈŘ&ěv (Tanaka 1989)"
方，筆者らは，テフラのESR年代測定に取り組んżƏĒŽƶ (Gy)(Ê&_JMQ<ƚč8ĉı# 8
できた．これは，テフラが火山の噴火時の加熱とÝs(ka)Ǚ
(Lee and Schwarcz, 1994)·Ŭň( ESRÝƹŽƶō (mGy/y)いう，信号の消滅の機構としては最も信頼できるÝsĺË(¹¤3¥ĤÀǀ'%9
過程を経ていると考えたからである．実際，流紋ESR ÝsĺË) OSLǒľ`[SM6 698$'5 "}£ķļ
岩の噴出年代を求めた研究では，放射性炭素年代
ESR年代測定はOSL（光刺激ルミネッセンス）JcIǓÝsĺË$Ő¥# 7
8(/·Ŭď'Ê'ķļ"と矛盾なく，層序と矛盾のない年代が得られた例
年代測定と原理が同じであり，放射性炭素法のăÎðŁŶı(ÝsĺË(gƼ57$<%(5もある(横山他, 2004)． 'ťƵƓ&O
年代測定の上限より古く，K-Ar法やFT法で測定
K-Ar ı4 FT ı#ĺË¯ǃ& 2Ma ŪàeZ#8 (Toyoda et al., 2000)fĉ
しかし，年代が古くなると，文献値と年代が合が困難な2Ma程度までの年代測定ができるとさ/#(ÝsĺË#8$9" 8ůƁ6)OY^( ESR ÝsĺË'7
わなかったり，年代のばらつきが大きくなったりれている．
ƸmŠ'! " ESR ÝsĺËƲŒ#Ÿ=#9)OY^ŀÔ(­する傾向がみられた．Toyoda
et al. (2006) で鍾乳石についてESR年代測定が適用できること
8$Ɣ9" (Ikeya, 1975)tĜ ŀď(ņ$}£(ķļ(ħģ$は，いくつかの年代既知のテフラについて，石英が見出されて (Ikeya, 1975)以来，さまざまな鉱//&Ʒň( ESR ÝsĺËƜ06 の赤色TLによる年代とESR年代とを求めたとこ")Ĕ3}ǈ#8ưŪ<Ź" 8$
物のESR年代測定が試みられた．現在まで，実用9Ŏ´/#ÌŒŘ' ESR ÝsĺË ろ，TL年代と文献値が合うのに，ESR年代は古ƀ 6# 8ÌǁĵŴÖ(­
的にESR年代測定が適用されてきている鉱物は，ƲŒ9"" 8Ʒň)ĉƗŠ い試料について年代が合わないか，ばらつくかすÝs<ĭ2Ţŭ#)ăÎðŁŶÝs
方解石，霰石（aragonite），ヒドロキシアパタ
ǅŠǒaragoniteǓVRbCH>UK?Q ることがわかった．ESR年代測定の場合，求めら$Şŝ&Óß$Şŝ(& Ýsè
イト，石膏，石英（Ikeya, 1993)である．最近重ŠƃŠƊǒIkeya, 1993)# 8ĔƩƵ れるべき年代が得られない理由には，総被曝線量晶石が実用的に年代測定できることが示された
69z3 8 (ĦÔq, 2004)
してその完全なリセットを証明する方法である

正しく求められていないことが考えられる．この表に最も普遍的に存在する鉱物の一つであるた場合には，TL年代が正しく得られているので，め，断層運動，火山噴出物（テフラ），堆積年間線量率の推定ではなく，被曝線量の推定に問物，石器として用いられるフリントなど年代測定題があることがわかった．の応用範囲が広い．

67

Dose recovery Test

ESR信号をトレーサーとして用いる試み

知として，「年代測定」によってその線量が再現されていたが，後にトレーサーとして，試料の起されて求められるかどうかのテストを行った．沼

源を探るツールとして利用が始まり，大きくその沢−芝原テフラ(Nm-Sb)，池月火砕流，姶良テフ

応用が広がった．ESR信号についてもそのようなラ(A-Fm)，オーストラリア砂漠砂から抽出したトレーサーとしての応用を試みた．

そこで，人為的に照射によって与えた線量を未同位体は歴史的に，当初，年代測定として利用

石英を用い，400ºCで１時間加熱して一旦信号を最初に注目したのは，石英の酸素空孔が常磁性消去したものを出発試料とした．これに，90,（不対電子をもつ）となっているE1ʼ中心であ370, 1400Gyを照射し，この線量が再現できる

る．この信号を照射後300℃で15分加熱をするこかどうかを，付加線量法，再生法，再生付加線とによって，石英中の酸素空孔量を定量化できる量法によってテストした．

ことが示され (Toyoda and Ikeya, 1991)，この付加線量法は通常のESR年代測定において行わ手法を用いたところ，花崗岩の年代と10億年まれてきている方法で，複数の試料に分け，追加のでの範囲で相関があることがわかった (Toyoda

照射を行い，信号の増大を直線または飽和曲線

and Hattori, 2000)．堆積物の石英を測定すれにあてはめ，信号強度0の点まで外挿することにば，その起源となる（多くの場合）基盤岩中で，よって被曝線量を求める．これに対して，再生法石英がそもそも結晶化した年代に対応した信号強では信号を加熱によって消去した後，照射を行度が得られることになる．堆積物の起源となる基

い，生成した信号の線量応答を用いてもとの信号盤岩に年代差があれば，それを観測することで堆の強度に対応する被曝線量を求める．この場

積物の起源を議論することができると考えられ合，加熱による感度変化のため，被曝線量が正る．

しく求められない可能性がある．そこで，それを補正する方法が再生付加線量法である(Toyoda etal., 2009)．付加線量法の信号強度を再生法で得られた線量応答にあてはめ，線量を求め，これを「みかけの線量」とする，これを照射による線量に対して取ると，感度変化がない場合には傾き１の直線となる．感度変化があれば，この傾きによって補正され，みかけの線量が0の点まで外挿することによって，被曝線量を求められる．以上の3種類の方法を試したところ，求められた線量に大きな違いはなく，再生付加線量法では付加線量法に比べて誤差が多少小さくなった．得られた被曝線量は，最初の90, 370, 1400Gyの線量を再現しているはずであるが，図1に示すように，必ずしもそのようにはならなかった．線量が高くなるとばらつきが大きくなるようにもみえるが，これらの結果から，それ以外の一定の傾向を議論するのは難しい．信号によって，あるいは線量によって再現できる，できない，という傾向は見えない．また，年代測定の結果が文献値とあうものについてはDose recovery Test の結果もよい，という傾向も見られない．ただ，今回の実験ではこのTestの前にも一度加熱をしているので，Testを含めて2回の加熱をしている．テフラであればそもそも1回加熱されているので再度の加熱による問題は起きないと仮定しているが，これらの２回の加熱による影響の可能性について評

図１
テフラ等の石英を用いたESR信号のDoserecovery Test の結果価をする必要があるかもしれない．

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図2 福岡で採取された大気降下物に含まれる石英中の酸素空孔量のESR測定結果．上図（３月）では黄砂の観測日数との相関がみられる．下図（６月）はバックグラウンドとして考えられる．

図3
秋田で採取された大気降下物に含まれる石英中の酸素空孔量のESR測定結果．上図（３月）では下図（６月）のバックグラウンドと考えるべき値を越えて高い値があるが，黄砂観測日数との相関はなく，徐々に減少している．

日本列島のMIS1と2の風成堆積物中の石英を測は現地性の細粒堆積物によるバックグラウンドとして考慮されるべき値である．３月の値はこの定したところその酸素空孔量は，MIS1の堆積物バックグラウンドの値を越えて高く，中国の砂漠は中国の黄土高原の試料の値と一致した．MIS2起源の降下物が飛来したことを示唆している．福については，日本の南の堆積物はMIS1あるいは岡では黄砂の観測日数と相関があるのは，福岡が黄土高原の値に一致するが，北の試料については西に位置していて黄砂の直接の影響を受けているそれよりも値が大きい，すなわち年代が古い，とためだと考えられる．一方，秋田についての値のいう結果が得られた (Toyoda and Naruse,減少は，中国におけるダストストームの発生頻度2002)．これを1つの指標として用い，石英の結の減少 (Zhu et al., 2008) と関連しているように晶化度をもう１つの指標として用いることによっ思われる．黄砂は日本列島全体に影響を及ぼしてて，日本海堆積物の起源を，ゴビ砂漠，タクラマいることは衛星画像から明らかであるが，場所にカン砂漠，日本列島細屑物の３つの混合割合をよってその堆積のモードが異なっていることを示

定量的に求め，気候変動との関連を議論するこしている．とに成功している (Nagashima et al., 2007)．

石英中に見られるESR信号には，酸素空孔に関最近の中国内陸部の乾燥化等と対応して日本連したE1ʼ中心のほかに，照射によって生成するに飛来する黄砂の起源の変動を求められる可能

不純物中心 (Al中心，Ti中心，Ge中心) がある．

性について検討した．福岡及び秋田の気象台で１

これらは，石英中に微量に含まれる不純物の濃度カ月ごとに採取された大気降下物の1964年からと関連していると考えられ，石英の起源によって2000年の間の試料を提供いただき，4-16μmの不純物の濃度が異なれば，それを区別して混合の石英を抽出してESRで分析を行った．図2（福議論が可能になると考えられる．木津川堆積物に岡）及び図3（秋田）中の棒グラフに観測された

ついて，定性的に議論ができたという報告 (島田,酸素空孔量を示す (Yamamoto et al., in press)．

2008) があり，現在定量的な議論に向けて研究をデータが示されていない年は，試料の量が不足進めている．いくつかの支流について，支流ごとで，測定できなかったものである．折れ線は，全に信号強度の相対比を特徴化することに成功して国の気象台における視認によるその月の黄砂のいる．

観測日の合計である．それぞれ６月の酸素空孔量

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まとめ

Toyoda, S. and Hattori, W., 2000. Formation

石英を用いた年代測定の現状とトレーサーとしand decay of the E1ʼ center and of itsての新しい応用についてまとめた．年代測定につprecursor.

いては困難があるが取り組む価値のある課題であ1351-1356.

る．一方，トレーサーとしての応用についてはそAppl. Radiat. Isot., 47, pp.

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