重い酸素同位体に富む太陽系物質の発見／坂本25

重い酸素同位体に富む太陽系物質の発見

坂本 直哉

1

2009年1月19日受領，2009年2月11日受理．

（要旨）Acfer 094隕石中の磁鉄鉱（Fe3O4）と鉄ニッケル硫化物からなるユニークな微細結晶集合体が，太陽系物質で最も重い酸素同位体組成を持つことを発見した．熱力学計算により原始惑星系円盤における磁鉄鉱と硫化鉄の共存条件を求めたところ，この物質は太陽系星雲中では金属鉄または硫化鉄が重い酸素同位体組成を持つH2Oと360K以下で反応して形成し，隕石母天体上で周囲のケイ酸塩との同位体交換が平衡に達していない事がわかった．このことから，太陽系の始原的な水が重い酸素同位体組成を持つことを示す．

1. はじめに
隕石は，我々が手にとれる最も豊富な地球外物質で2. 地球外物質の酸素同位体異常
酸素は，質量数16，17，18の3つの安定同位体からなり，ある．中でもコンドライトとよばれる隕石は，未分化

地球ではそれぞれ99.757 : 0.038 : 0.205の割合で存在すであるが故に太陽系形成初期の情報を保持しているとる．同位体の組成は地球の標準平均海水（SMOW）か考えられており，コンドライトの大部分を占める酸素らの偏差を千分率（‰）で表すδ値 δ O =[（ O/ O）
試料

iii

1616

は，気相，液相，固相に分配されるため，ガスとダス（ O/ O）SMOW - 1]×1000で示す/（i=17, 18）．図1に地球トが主役を務める原始惑星系星雲の形成過程を解明すと隕石物質の酸素同位体組成を示す．蒸発や凝縮などるための有用なトレーサーである．さらに，コンドラ熱力学が支配する過程において，同位体組成の変動はイトには“異常”な酸素同位体組成を持つ物質が含まれており，それらの大部分は単純な規則性に従うこと20が，トレーサーとしての酸素に特異的かつ無二の性格炭素質コンドライトを与えている[1]．最近，筆者らはAcfer 094というコ0ンドライトから特徴的な化学組成と酸素同位体組成をマトリックス

宙化学における最大の謎の1つである酸素同位体の異常な規則性を解明する手がかりとなると考えられる．
本稿では，従来報告されている酸素同位体の異常について述べた後，発見した物質の持つ特徴的な化学組成と酸素同位体組成からその形成環境について議論し，太陽系における酸素同位体異常の起源に言及する．

1. 北海道大学創成科学共同研究機構

δ17O

持つ物質を発見した[2]．この物質は，従来報告されていた同位体異常と正反対の酸素同位体組成を持ち，宇難揮発性包有物
コンドリュール-20

線

分別量型質

地球-40-60-80-80

UOC 中の磁鉄鉱
Acfer 214 中のa006 コンドリュール-60-40-20δ O18020

図1： 地球（傾き1/2の直線），炭素質コンドライト構成物質（Claytonらの結果をまとめたもの[7,23]）の酸素同位体組成と従来報告されている隕石物質の端成分となる酸素同位体組成を持つ物質[5,8]26

日本惑星科学会誌 Vol.18.No.1,20091718

質量差に依存し．縦軸にδ O，横軸にδ Oをとった酸の存在などから母天体上で高々 100℃程度までしか3酸素同位体図上で傾き1/2の直線で表現される．とく温度が上がらなかったとされるCMコンドライトといに，原点を通る傾き1/2の直線を地球型質量分別線とう隕石グループの場合ではδ O = +28.1‰，δ O =よぶ．

+17.7‰であった[7]．直接酸素同位体が測定され，明隕石の主要な構成要素であるCaとAlに富む難揮発1717,18

らかに18

Oに富む物質として，非平衡普通コンドラ性包有物（CAI），コンドリュールおよびその間を埋めイト（UOC）Semarkona中のH2Oによって金属鉄が酸化る細粒なマトリックスは，地球型質量分別線から外れされて生じた磁鉄鉱（Fe3O4）がある[8]．細心の注意をる“酸素同位体異常”を示し，傾き約1の同位体異常線払って実験が行われた結果，UOCグループの分別線16を形成する．酸素同位体異常のうち， Oに富む“軽い“酸素同位体組成を示すものは3酸素同位体図上で左下17,18方に位置し，Oに富む”重い”酸素同位体組成は右1717,18に比べて明らかにΔ O ≃ +5‰ほど
1717Oに富んでい

18た．ここでΔ O = δ O-0.52δ Oで定義され，地球型質量分別線からの縦方向の距離を表す．彼らの見積17上方に位置する．原始太陽系星雲が形成する時に完全もった水の酸素同位体組成の初期値はδ O = +21.0‰，に均質化されたとすると，傾き1/2の同じ直線にのる

δ O = +17.5‰であった[8]．つまり，隕石中のはずである．よって，酸素同位体異常があるというこに富む物質は，母天体上で水質変質を受けたものからとは，原始太陽系星雲に酸素同位体組成の不均質があ見つかっており，水がその起源として考えられている．

1817,18Oったことを意味する．この単純な規則性をもつ酸素同隕石以外では，アポロにより月の土壌から直接回収位体の不均質性がどのように確立されたのか，またそされた金属粒子の酸素同位体が測定されている．橋爪の起源は何かということが，酸素同位体異常の謎としとChaussidonによれば Δ O < －20‰であり，同位て太陽系の起源を物質科学的に解明する上で第一級の体異常線と約－40‰で交わる値以下である結果が出て問題となっている[3]．

いる[9]．一方で，月の金属粒子の酸素同位体の測定1617

酸素同位体異常は， Oに富む酸素同位体組成を持はIrlandらによっても試みられており，橋爪らとは逆つ物質，とりわけ高温鉱物の集合体であるCAIによくにΔ O = +26‰，同位体異常線と約+50‰で交わる見られる[1]．CAIの他に，アメーバ状オリビン凝集物値が示されている[10]．両者とも，金属粒子表面に打16（AOAs）とよばれる包有物も Oに富むことが知られ1617

ち込まれた太陽風を同定する目的を持っていた．実際ており， Oに富む成分は星雲ガスからの高温凝縮物に太陽の酸素同位体組成を決定することを目的とした，であることが示唆されている[4]．大部分のコンドリュ

NASAのジェネシス計画で回収された試料は，プレ16ールは相対的に Oに乏しいが，Acfer 214隕石から太陽系で最も軽い酸素同位体組成δ

17,18O = －75‰を持つコンドリュールが見つかっている[5]．コンドリュー

リミナリーな結果ではあるが約－50‰以下を示し[11]，橋爪らの結果を支持している．橋爪らによる追実験の結果，重い酸素同位体に富むものはまれではあったが，ルはケイ酸塩の液滴から形成した組織を示すことから， 再度両方の値が示された[12]．月の金属粒子が示す酸やはり高温状態を経験している．つまり，これまでに素同位体についてはさらなる検証が必要であるが，現隕石から報告されている Oに富む物質は，高温で形16在進められている隕石中の金属粒子の酸素同位体測定成したと考えられるものばかりなのである．の結果と比較することで，その起源を探るヒントが得

17,18

一方で，Oに富む酸素同位体組成を持つ物質はあられるかもしれない[13]．

まり知られていない．著しく水質変質を受けた隕石は，酸素同位体異常を示す物質として，太陽系の原材料

3酸素同位体図上で各コンドライトグループに固有となったプレソーラー粒子がある[14]．その酸素同位17な地球型質量分別線に近い傾きの線に沿ってδ Oと18

体組成は，起源となる星の核合成プロセスを反映してδ Oが正の酸素同位体組成を示す[6]．このような隕いるため，当然ながら太陽系物質でみられる単純な規石に含まれる含水鉱物が，無水鉱物と水との反応によ則に従わない．

り形成するとき，無水鉱物と含水鉱物のそれぞれの酸素同位体組成と反応の物質収支から，元々の水の持つ酸素同位体組成が見積もられた[7]．その値は，アミノ

重い酸素同位体に富む太陽系物質の発見／坂本27

3. 重い酸素同位体異常を持つ物質：
宇宙シンプレクタイト

宇宙シンプレクタイト

2004年11月，筆者らは同位体顕微鏡という装置を用いて，多数の隕石から広範囲にプレソーラー粒子の探索を行っていた．図2にAcfer 094コンドライトから取17マトリックス

16

得した O/ O同位体比イメージを示す．地球物質とほぼ同じ均質な酸素同位体組成を示すマトリックス中17に，著しい Oの過剰を持つプレソーラー粒子を示す

プレソーラー粒子

17スポットと，5〜10µmの Oに富む領域が写っている．
撮影した当時，プレソーラー粒子探索のみに目を向け10µmていた筆者は，この領域の重要性に全く気付いていなかった．データを整理していた永島一秀博士がこの変1816な物質を発見し， O/ O同位体比イメージにも同程度の同位体異常があることが判明した．しかし，時す-50050 100 150 200 250 300 350

δ17Oでに遅く，この隕石は特別貴重なものだったため，観察を終えていたAcfer 094隕石の薄片は返却された後であった．この物質に注目していなかったおかげで，手元に残っていたのは酸素同位体比イメージの他に，粗いX線元素マップと白飛びした電子顕微鏡写真だけ

1716

図2： Acfer 094コンドライトの O/ O同位体比分布．ほぼ均質な同位体組成のマトリックス中に酸素同位体異常を示す10μmサイズの領域（宇宙シンプレクタイト）
1717（δ O=+180‰）とプレソーラー粒子（δ O = +400‰）が写っている．

であった．2006年，1枚のAcfer 094隕石薄片を借り受けて頂いた．X線元素マップからFe-O-Sが含まれるこ藤正一博士と共に慎重に同位体点分析を行った．念のとが判明していたため，導入されたばかりのエネルギため， Oに富むAOAと同位体比イメージに写ってい−分散形X線分析装置（EDS, Oxford INCAEnergy）たマトリックス部分も同時に点分析した．この物質の付き電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM, JEOL JSM-同位体スタンダードには，指導教官である圦本教授が7000F）を用いて，Fe-O-Sを含む10ミクロンサイズのあたりをつけた磁鉄鉱が選ばれた．図4に同位体比イ粒子の探索を行った．その結果，いくつかの候補物質メージングを行った10個の粒子と点分析の結果を示が見つかった．

す．この物質の酸素同位体組成は，典型的にはδ O

1617183.1= +176‰，δ O = +178‰であった．これは，太陽酸素同位体組成

17,18系物質の中で最もすぐさま同僚から同位体顕微鏡のマシンタイムを譲り受け，候補物質に対し同位体比イメージングを行った．ひとつめ，異常なし．ふたつめ，ビンゴ！図3にふたつめの候補物質の酸素同位体比イメージと電子顕微鏡写真を示す．以前と同様に5〜10µm程度の粒子が，1718

Oに富む重い酸素同位体組成であり，傾き約1の太陽系物質の示す同位体異常線の延長線上に位置していた．

3.2

化学組成

これらの物質は主にFe, Ni, O, Sから構成されてお周りのマトリックス部分に比べてδ Oとδ Oとに同り，典型的にはFe, 61.6 ; Ni, 5.4 ; O, 19.3 ; S, 9.6 ; Mg,程度富んでいる．ひとつめの候補物質との違いは，粒0.1 ; Si, 0.2（質量%濃度），原子数比で（Fe, Ni）: O : S

子全体にFe-O-Sが分布していることであった．この指≃4 : 4 : 1という特徴的な化学組成を粒子全体が持っ標をもとに候補物質を選び直し，片っ端から同位体比ていた．このような化学組成を持つ鉱物は報告されてイメージをとっていった．すると，選んだ候補物質のおらず，当初，この物質の構造がよく分からなかっ1718

すべてがδ Oとδ Oに同程度富んでいた．同位体比たため，CMコンドライト中のPoorly Characterized

イメージングを行った中から大きめの粒子を選び，伊Phases（PCPs）と い う 物 質 がFe-O-Sを 含 む こ と か ら28

日本惑星科学会誌 Vol.18.No.1,2009A

δ17O B

δ18O C

BSE #145 µm-50050 100 150 200

δ17,18O1718

図3： Acfer 094コンドライトのマトリックス部分の酸素同位体比(A)δ O, (B)δ O分布と(C)走査電子顕微鏡写真．宇宙シンプレ
1718
クタイトはマトリックスに比べてδ O, δ Oともに同程度富むことが分かる．(C)の矢印部は硫化鉄．

200

傾き1）

2

常2型

地球

500

600

800 1000

502

Fe (Metal)

10-10Fe3O4(Magnetite)

AOA
0400

FeS(Troilite)

PH S/PH体

異別線

10-5

マトリックス

0-50-502分
質量位

50100

Temperature (K)300

PH O/PH = 5x10-4

Point SIMS
COS
Matrix
AOA

同δ17O100

宇宙シンプレクタイト線（150Isotopography
COS
AOA100δ18O

150

10-152003530252010000/T (K-1)

1510

図4： 宇宙シンプレクタイトの酸素同位体組成を示した3酸素同位体図．
AOAおよびマトリックスも同時に示してある．宇宙シンプレクタイトの酸素同位体組成は，傾き約1の太陽系の同位体異常線の延長線上にプロットされる．

図5： 熱力学計算により見積もられた金属鉄-硫化鉄-磁鉄鉱の平衡凝縮温度．

“new-PCP”と呼んでいた[2]．

（Cosmic Symplectite, COS）”と呼んでいる[15]．

瀬戸雄介博士により，この物質の徹底的な結晶鉱物学的研究が行われた．集束イオンビーム装置を用いて3.3

存在度

この物質を薄片から切り出すことに成功し，シンクト

宇宙シンプレクタイトの持つ特徴的な化学組成に基

ロン放射光X線回折，透過型電子顕微鏡，電子エネルづいて，Acfer 094隕石における存在度を求めた．系

ギ−損失分光法，FE-SEM-EDSを用いた観察の結果，統的に存在度を求めるため，阿部憲一氏らは，Acfer

磁鉄鉱と鉄ニッケル硫化物からなるナノスケールの微094薄片の3mm の領域について0.2µm/pixelの高空間結晶集合体であり，ユニークなシンプレクタイト構分解能X線元素マップを取得した[16]．結果，マトリ造をしていたため，現在では“宇宙シンプレクタイトックス部分の占める1.96mm の領域から39個の宇宙シ22重い酸素同位体に富む太陽系物質の発見／坂本

29

ンプレクタイトを発見し，マトリックス部分におけ
22

酸素同位体組成は主にケイ酸塩鉱物からなる周囲のマる粒子存在度は20±3grain/mm ，平均サイズ28µm ，トリックスと大きく異なるため，もし母天体で形成し体積存在度550ppmと見積もられた．宇宙シンプレク

たとすると，集積した重い酸素同位体に富むH2O氷がタイトは，Acfer 094コンドライトのマトリックス部溶けた水または水蒸気との酸化反応で形成した後，周分のいたる所から見つかったのである．同様の手法を囲のケイ酸塩と同位体交換しなかったというケースが用いて，Acfer 094以外の隕石から宇宙シンプレクタ考えられる．これは，Acfer 094隕石が水質変質を受イトを探索しているが，現在までの所，発見には至っけた証拠がないことからも支持されるが[17]．このよていない．Acfer 094隕石は変成変質作用を受けた証

うなプロセスは明らかになっていない．

拠がない非常に始原的な隕石であるので[17]，他の隕

宇宙シンプレクタイトが星雲中，母天体上のいずれ石ではすでに壊れてしまっている可能性は高い．であで形成したにせよ，前駆となる金属鉄または硫化鉄をるとすれば，宇宙シンプレクタイトの存在は，隕石の酸化した水は重い酸素同位体組成を持っていなければ始原性を示す非常に敏感な指標となるかもしれない．

ならない．

4. 形成環境

5. 酸素同位体異常の起源

結晶鉱物学的研究から，宇宙シンプレクタイトは磁Wasson博士は，磁鉄鉱が太陽系の酸素同位体異鉄鉱と鉄ニッケル硫化物から構成されることが分かっ常を解明する鍵であると指摘していた[21]．なぜなた．倉本圭教授は，原始惑星系円盤における磁鉄鉱とら，磁鉄鉱（Fe3O4）はもともと酸素を持たない金属鉄

硫化鉄の共存条件を化学熱力学を用いて計算した．硫（Fe）または硫化鉄（FeS）が酸化されて形成するため，化鉄は，金属鉄とH2Sガスとの反応生成物であると考

磁鉄鉱の持つすべての酸素は酸化剤、おそらくH2Oのえられている[18,19]．

酸素に由来すると考えたからである．すると，宇宙シ
17,18Fe + H2S = FeS + H2

ンプレクタイトの持つ酸素同位体組成（δO = +180

隕石中の磁鉄鉱は，金属鉄[19,20]または硫化鉄の酸化‰）は，酸化剤である水の酸素同位体組成をそのままによって生成される．

反映しているはずである．このような酸素同位体組成

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2を持つ水は，分子雲起源仮説が予言する水にぴたりと3FeS + 4H2O = Fe3O4 + 3H2S + H2一致する[22]．この説が提唱された当時，+50‰以上-4原始太陽系星雲の典型的なH2O/H2分圧比5×10 を用の同位体異常は示唆すらされていなかったにも関わらいると[20]，図5のように相境界はH2S/H2分圧比と温ず，大胆にも+200‰という大きな酸素同位体異常を度に依存し，磁鉄鉱と硫化鉄は360K以下で共存可能予言し的中させたことは驚きである．この説によれば，であった．共存領域のH2S/H2分圧比は，原始太陽系惑星系の酸素同位体異常は分子雲中で形成され，重い-6星雲（33×10 [19]）に比べきわめて高く，硫化鉄がバ

酸素同位体組成の成分はH2O氷が担う．よって，宇宙ッファとなって実現されると考えられる．

シンプレクタイトを酸化した水は，太陽系が形成する原始太陽系円盤における主要な酸化剤であるH2O氷前の水，つまり太陽系の始原水ということになる．の昇華温度は，およそ200Kである[18]．よって，太陽太陽系物質にみられる酸素同位体異常のうち，系星雲中で宇宙シンプレクタイトが形成したとすると，に富む重い酸素同位体組成が水または氷を起源とする

200Kから360Kの間の温度条件で硫化鉄はH2Oの水あ低温の物質であるのに対し， Oに富む軽い酸素同位るいは水蒸気と酸化反応を起こして磁鉄鉱となったと体はケイ酸塩などの高温鉱物にみられることは大変興考えられる．そのような形成場所は，氷の昇華する場味深い．太陽系の酸素同位体異常は，始原水とケイ酸所，つまりスノーラインの内側となる．

塩との間にある温度勾配を減少させるように混合が進

17,18

O16

従 来 考 え ら れ て き た 水 質 変 質 過 程[7]と 同 様 に，んだ結果だと考えることは自然であろう．そして，従Acfer 094隕石の母天体上に集積した後で形成したと

来報告されている非平衡普通コンドライトSemarkonaいう可能性はないだろうか．宇宙シンプレクタイトの隕石中の磁鉄鉱の示すわずかに重い酸素同位体組成を

30

日本惑星科学会誌 Vol.18.No.1,2009

持つ母天体の水こそは，太陽系の始原水とケイ酸塩と投稿原稿に有意義なコメントをして頂いた査読者の岡の反応の平衡過程を表しているのかもしれない．

崎隆司博士，本記事の執筆機会を与えて下さった田中
秀和遊・星・人編集長に感謝いたします．

6. おわりに
参考文献
17,18

太陽系における酸素同位体異常のOに富む端成分となる物質をAcfer 094隕石から発見した．結晶鉱[1] Clayton, R. N. et al., 1973, Science 182, 485.

物学的研究により，この物質は磁鉄鉱と鉄ニッケル硫[2] Sakamoto, N. et al., 2007, Science 317, 231.

化物からなるナノスケールのシンプレクタイト構造を[3] 倉本 & 圦本, 2005, 遊星人, 193.

もつことがわかり，宇宙シンプレクタイトとよんでい[4] Krot, A. N. et al., 2002, Science 295, 1051.

る．熱力学計算により，原始惑星系円盤における磁鉄[5] Kobayashi, S. et al., 2003, Geochem. J. 37, 663.

鉱と硫化鉄の共存条件は，360K以下であることがわ[6] Clayton, R. N. & Mayeda, T. K. 1984, Earth.

かり，宇宙シンプレクタイトの持つ重い酸素同位体組成は当時の水の酸素同位体組成を反映していることを示した．従来報告されているわずかに重い酸素同位体組成を持つUOC中の磁鉄鉱は，隕石中によくみられ1617,18

る Oに富むケイ酸塩とOに富む水の母天体上での平衡過程をみているかもしれないことを示唆した．
電子顕微鏡で隕石を観察する際，倍率やコントラストの違いはもちろん，その日の体調や目的意識によっても受ける印象や認識できるものが変わる．宇宙シンプレクタイトは1mm四方に20個もあるのだから，発見までに幾度となく観察視野に入っていたはずであPlanet. Sci. Lett. 67, 151.
[7] Clayton, R. N. & Mayeda, T. K. 1999, Geochim.
Cosmochim. Acta 63, 2089.
[8] Choi, B. G. et al., 1998, Nature 392, 577.
[9] Hashizume, K. & Chaussidon, M. 2005, Nature434, 619.
[10] Irland, T. R. et al., 2006, Nature 440, 776.
[11] McKeegan, K. D. et al., 2008, Lunar Planet. Sci.,
39, 2020.
[12] Hashizume, K. & Chaussidon, M. 2008, Lunar
Planet. Sci., 39, 1531.

る．小論で行った研究を通して，存在を認識していな[13] 藤本ら, 2008, 連合大会, C104-003.

い物質を見ることが非常に困難である事を改めて実感[14] Nagashima, K. et al., 2004, Nature 428, 921.

した．宇宙シンプレクタイトがたまたま写り込むまで[15] Seto, Y. et al., 2008, Geochim. Cosmochim. Actaに，筆者が取得したAcfer 094隕石の酸素同位体比イ72, 2723.

メージは500µm四方ほどである．毎年数トンの隕石が[16] Abe, K. et al., 2008, Lunar Planet. Sci., 39, 1509.

地球に届けられる中で，これまでに取得された地球外[17] Greshake, A. 1997, Geochim. Cosmochim. Acta

物質の同位体比イメージの総面積は，全世界あわせて261, 437.

も1cm もいかないだろう．電子顕微鏡でX線元素マッ[18] Fegley, B. Jr 2000, Space Sci. rev. 92, 177.

プをとるように，同位体比イメージングの技術を進め，[19] Lauretta, D. S. et al., 1996, Icarus 122, 288.

より迅速かつ簡便に広範囲を分析できるようになれば，[20] Krot, A. N. et al., 2000, in“Protostars and Planets

まだわれわれが認識していない重要な情報を持つ物質が必ず見えてくるはずである．

IV”, (eds. V. Mannings, A. P. Boss, S. S. Russell),
Univ. Arizona Press, Tucson, p.1019.
[21] Wasson, J. T. 2000, Rev. Geophys., 38, 491.

謝 辞[22] Yurimoto, H. & Kuramoto, K., 2004, Science 305,1763.

松久幸敬先生には磁鉄鉱スタンダードを提供して頂きました．小論で用いた同位体顕微鏡に必要不可欠なツール群を提供して下さっている国広卓也博士に，この場をお借りして深く感謝の意を申し上げます．また，[23] Clayton, R. N. et al., 1977, Earth Planet. Sci. Lett.
34, 209.