クロム同位体から探る初期太陽系の姿／山下281

特集「初期太陽系物質科学の最前線」

クロム同位体から探る初期太陽系の姿

山下 勝行

1

2010年7月15日受領，2010年11月7日受理．

（要旨）消滅核種を用いた年代測定法は，U-Pb 法などを使った絶対年代の測定が困難な惑星物質の年代決定
5353の手法として，これまでにも様々な隕石研究で利用されてきた．その一つである， Mn- Cr 法は，親核種53である Mn の半減期が 370 万年であることから，太陽系形成後 2 ～ 3000 万年までの歴史を明らかにするた54

めに理想的な手法である．さらに最近では分析技術の進歩に伴い， Cr をトレーサーとした宇宙化学的研究も進んでおり，太陽系物質の起源や進化プロセスの解明に利用されることが期待されている．

1. はじめに

周波誘導結合プラズマ質量分析計（MC-ICPMS）や 2 次イオン質量分析計（SIMS）を使った分析技術のめざま

太陽系物質の起源や，その進化プロセスの解明は地

しい進歩は，これまで測定が困難であった元素の高精

球惑星科学の重要な研究課題の一つである．我々はこ度同位体分析を可能にし，さらにはミクロンレベルのの問題に挑戦するために様々な方法を駆使して研究を微小領域の物質科学的情報を引き出すことも可能とし続けているが，その中でも隕石やその構成物質中にフた．これらの分析手法によって得られた情報を用いる

ィンガープリントとして残されている記録を，化学的ことで，我々はこれまでベールに隠されていた初期太手法で読みとる宇宙化学は，46 億年前の太陽系の姿陽系の姿を明らかにしつつある．本総説ではその中かを知るための最も直接的な方法の一つである．特に放ら，筆者が最近特に力を入れているクロムの同位体分射性核種を用いた年代測定から得られる情報は太陽系

析と，その宇宙化学的応用について簡単にまとめる．

における様々な物質進化のプロセスを時間軸にそって記述するためには必要不可欠である．同時に同位体異常（ここでは放射性同位体の壊変を含まず，質量分別5353

2. 惑星物質の年代学と Mn- Cr
年代測定
放射壊変系を使った初期太陽系物質の年代測定法は，に依存しない同位体比の「平均的な地球組成」からの逸脱をさす）の検出は，これらの核種を太陽系に供給利用する核種の半減期によって大きく 2 種類に分けるしたプロセスに対する知見を与えてくれるだけではなことができる．その一つは半減期が比較的長く，現在く，幅広い岩石学的・化学的特徴を持つ隕石（あるいでも親核種の放射壊変が続いている「長半減期核種」

は隕石母天体）間の関係についても重要な制約を与えを利用したもので，代表的なものとしては K- Ar，てくれる．宇宙地球化学研究を支えている事の一つが，87

同位体分析技術の進歩であることは疑う余地もない．

ある（表 1）．これらの年代測定法を用いることによっ固体物質を構成する元素の分析に関していえば，20て，物質の絶対年代を求めることができる．しかしそ世紀半ばから使われてきた表面電離型質量分析計の一方で，長い半減期は得られる年代の誤差にも反映（TIMS）を用いた同位体分析に加え，多重検出器型高され，後で述べる消滅核種を使った年代測定法に比べ1. 岡山大学地球物質科学研究センター
kty@misasa.okayama-u.ac.jp

4087

147

143

238,235

Rb- Sr， Sm- Nd，

232

40

206,207,208

U- Th-Pb 法などがて多くの場合，時間的分解能は低い（ただし年代の誤差の要因となるのは半減期だけではない）
．その例外

282

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 4, 2010
238

出てくる．さらに現状では， U/

表1：
表1

U の精密同位体

年代測定に利用する代表的な同位体系。半減期は[1, 2]より引用。

比測定に数百ミリグラム以上のサンプルが必要とされ親核種ることから [5]，微少な試料（例えばコンドリュール一娘核種

表1

半減期（年）（長半減期核種）年代測定に利用する代表的な同位体系。半減期は[1,2]より引用。
K
親核種

Ar
娘核種

40

Rb（長半減期核種）87

Sr48.8 × 109

K La40Ar138Ce

1.25 ×109×* 1011 *
1.04

RbSm

87

176
La

Sr143Nd

48.8 ×109× 1011
1.06

Lu138

Sm187

Re143

Nd
187

Lu232

176

Hf208

Re187

Os207

40 13887 147138147
176
187

Th

235

U

Ce176HfTh

208

Pb

235

U207

Pb

238

U

206

Pb

232

238

U206粒）の年代を求めることは困難であるといえる．即ち，1.25 × 109 *
半減期（年）

4087

207

238

位体と U/

1.06 ×

4.6 × 1010

しかしその一方で，CAI やコンドリュールの形成，

1.4010 × 1010

4.6 × 1010

Pb

さらには分化した天体（エコンドライト母天体）の集積

0.7038099
× 109
101.4010 × 10

Pb

Al（消滅核種）

4.4683 × 1090.7038099 × 109

は太陽系形成後の非常に短い期間（太陽系形成後数4.4683 × 109百万年）に起きていたことも明らかになりつつある．

Mg

26

26CaMn4141 53

Mn
60
Fe53

Mg41K

60.73 ×0.110×106

K 53Cr

0.1 ×3.7106× 106

53

Cr60Ni

Fe
129

60

I

129

Xe142

142

Nd

129

146
146

Sm

Sm

182
182

I
Hf

182

Hf182

PuPu

W

様々な化学組成を持つ物質に利用することができ，かつ百万年かそれ以下の誤差で年代を求めることのでき

3.7 ×1.5
106× 106

る年代測定法が必要である．そこで用いられるのが消1.5 × 106

Xe

16 × 106

16 × 106

Nd103 ×106

9.4 ×106

103 × 106W

9.4 × 106

滅核種（太陽系形成時には存在していたが，半減期が太陽系の年齢に比べて短いため，現在では残っていな

81 ×81106× 10

Xevarious
Xevarious

244244Ni129

これらの出来事の順序を正確に記述するためには，

0.73 × 106

26AlCa26 41

U 比の両方の精密同位体分析を行えるになる．

1011

3.5 × 1010

Pb235だけの，十分な量が確保できる試料にのみ使えること

11
1.04 ×3.510× *1010

Os206

Pb- Pb 年代測定法は，U/Pb 比が高く，かつ Pb 同（消滅核種）

60235い核種）を使った年代測定法である．その代表的なも640138は一部β-壊変してCa 138に、La は一部電子捕獲でBa に変わる。
* * 40K K
は一部β-壊変してCa に、
La は一部電子捕獲でBa に変わる。

4040138138のを表 1 にまとめた．消滅核種を使った年代測定法は，それだけでは相対的な年代の差（相対年代）
しか求める

238,235

206,207

Pb 年代測定法（正確にはことができない．しかし半減期が短い分，比較的短い

Pb- Pb 年代測定法）である．この年代測定法は，親時間の中で起こった現象に敏感に反応する．本総説でともいえるのが，
207

U-206

核種のひとつである

235

U の半減期が比較的短く，かつ207

206

5353

詳しく説明する Mn- Cr 年代測定法もその一つであ53

Pb- Pb 年代

り， Mn の半減期が約 370 万年 [7] であることから，に限って言えば，親核種と娘核種の比を測定する必要

太陽系形成後約 2 〜 3 千万年までの出来事を記述するがないことから，一部の初期太陽系物質の年代を百万のに最も適している．

精度良く求められていること，そして年以下の誤差で求めることに成功している [3, 4]．た53

53

Mn- Cr 年代測定法（以後 Mn-Cr 法）を利用した年

だしこの手法にも弱点はある．それは，（1）物質形成

代測定は 1980 年代半ばから本格的に利用されるよう後の 2 次的な作用によって系が乱されやすい，（2）実になった [8, 9]．その中でも一つのベンチマークとな験中のブランクに敏感で，化学処理を使う分析法ではったのが Lugmair らによる HED（Howardite-Eucrite-

クリーンルーム等の大がかりな設備無しでは分析が困Diogenite）隕石を中心としたエコンドライトの年代学難である，（3）精密な年代測定は U/Pb 比の高い（結果的研究である [10]．彼らは TIMS を使った質量分析に的に普通鉛に比べて U 起源の鉛が多く蓄積される）試工夫を加えることで（後で述べる 2 次補正），当時とし料に限定されることなどである．さらに最近では，て は 最 も 精 度 の 高 い Cr 同 位 体 分 析 を 可 能 に し，

207

HED 母天体の形成が太陽系の非常に早い段階で始ま206

238Pb- Pb 年 代 測 定 法 の 前 提 で あ っ た， U/

53

235

U=137.88 という値についても疑問視され始めていっていたことを明らかにした [10]．この手法はその後，る [5, 6]．Brennecka らの報告によると CAI（Calcium-石鉄隕石の年代測定などにも利用され [11]， Pb- Pb

aluminum-rich inclusions）や一部のエコンドライトの年代測定法だけでは明らかにすることのできなかった，

238

235

207

206

U/ U 比はわずかであるが 137.88 からずれている [5,

太陽系の最も初期の歴史の解明に大きく貢献した．し6]．これが正しければ，これまで得られている Pb-Pb

かしその一方で，2000 年代に入って，先に述べた「質年代の中には，数十〜数百万年の補正が必要なものも量分析の工夫」に問題が指摘され始めた．TIMS を使

クロム同位体から探る初期太陽系の姿／山下283

った同位体分析では質量分析の際に生じる同位体差別効果の補正を，複数の安定同位体（放射壊変による変化のないもの）を用いて行うことが多い．クロムの同5052

位体分析も例外ではなく，通常の分析では Cr/ Cr比 を 用 い て 同 位 体 差 別 効 果 の 補 正 を 行 う． し か しLugmair らの分析方法では，この補正を行った後に，5452（2さらに Cr/ Cr 比を用いて同位体差別効果の補正
次 補 正：second-order fractionation correction）を 行53xうことで，ε Cr の分析精度を高めていた（ε Cr =x52x52

4[ Cr/ Cr）sample/（ Cr/ Cr）standard-1] x 10 ）．この補正（5452は分析対象となる試料の Cr/ Cr 比がスタンダードのそれと同じであることを前提としている．隕石の5452

Cr/ Cr 比は炭素質コンドライトやその中に含まれる CAI などに同位体異常が存在することは当時既に知られていたが，それ以外の隕石からは報告されていなかったことがその背景にあったのであろう．しかし，
2007 年に Trinquier[12] らによって，炭素質コンドライトだけではなく，普通コンドライト，HED 隕石，
54

メソシデライト，SNC 隕石についても Cr 同位体異図1： コンドライト，エコンドライト，石鉄隕石、鉄隕石のε54
Cr値．データは[12, 20]より引用．

常が報告されると，Lugmair らのデータは再検討が必要と考えられるようになった [13]．ここで注意しなけはできるが，それを絶対年代に置き換えるためには，ればならないのは，アイソクロンを求める際に使った

初生 Mn/ Mn 比と絶対年代の両方が正確に求められ545355試料に Cr 同位体異常があったとしても，その大きさた「アンカー（基準）」が必要となる．現在，最もよくが全て同じであれば，アイソクロンが平行移動するだ

使われているアンカーはアングライト LEW 86010 とけで年代には大きな影響はでないことである．しかしD’Orbigny である．これらの隕石の絶対年代と初生

当然ながら，求められるε Cr 値には 2 次補正による

53ず れ が 生 じ る こ と に な る．Lugmair and Shukolyu-± 0.07）x 10 ，4564.42 ± 0.12 Ma と（3.24 ± 0.04）x

kov[10] にとって不幸であったのは，このようにして10 である [10, 17, 18]．これらのアンカーを用いた絶53535355

Mn/ Mn 比はそれぞれ，4558.55 ± 0.15 Ma と（1.25-6-6

求められたε Cr 値を説明するために， Mn が初期太対年代には約 0.8 Ma の差が生じるので，年代を比較陽系に不均一に分布していたというモデルを立てたこする際には注意が必要である．また，アンカーの信頼535355とである [10]．もし Mn が太陽系の異なる場所で不均性 に 関 し て は，D’Orbigny の Mn/ Mn 比 は Yin ら

一に存在していたのであれば，Mn-Cr 法では同じ領域[19] によって確認されているが，LEW 86010 に関しで形成された試料同士の年代差しか求めることができては 2000 年代に開発された精密分析法を使った確認ない．しかし，その後開発された，2 次補正を用いなはされていないので，異なるラボによるチェックは今53

い手法 [14, 15] から得られたデータからは， Mn の不後の課題である．

均一性を支持する結果は得られておらず [13]，また他

このように，Mn-Cr 年代測定法にはまだ課題も残さの年代とのクロスキャリブレーション [16 など ] かられているが，その応用範囲はきわめて広い．この章のも，Mn-Cr 年代測定法は一部の隕石にのみ使えるもの

最後に，最近の研究例として山川らによるユレイライ

ではなく，太陽系の内側（inner solar system）で形成トの研究を紹介する [20]．ユレイライトはエコンドラされたと考えられる多くの物質の年代測定に利用できイトの一種で，その大半は主としてカンラン石と輝石ることが明らかになりつつある．

（＋炭素）からなる，超塩基性岩である．しかし部分溶

さて，Mn-Cr 年代は物質間の相対年代を求めること融の痕跡を残しているにもかかわらず，その化学的特284

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 4, 2010

徴の一部（酸素同位体や希ガス同位体など）は始原的隕石のそれに近い [21]．従って，その先駆物質や母天体

54

3. Cr から探る初期太陽系の姿

形成のタイムスケールの解明は，太陽系の最も初期の物質進化プロセスを知る上で極めて重要である．ユレ

先に述べたとおり，クロム同位体分析の手法にはイライトは粗粒のカンラン石，輝石，炭素からなるモTIMS, MC-ICPMS, SIMS などがあるが，現時点で最ノミクトユレイライト（monomict ureilite）と，これとも精度の高い分析法は TIMS である [14, 15]．この分析は組成の異なる岩片を含むポリミクトユレイライト

法のもう一つのユニークな点は，ε Cr と同時に ε（polymict ureilite）に分けることができるが，その大53

54

Cr を精度良く測定することができることである．鉄半を占めるモノミクトユレイライトは，年代測定に用周辺の元素（Ca-Zn）の多くがそうであるように [2]，クいる元素（Rb, Sr, U, Th, Pb，希土類元素など）に枯渇ロムの同位体に関しても，中性子の多い Cr の同位体54しているため，精度の良い年代測定は困難であった．

異常が様々な隕石から報告されている [12, 13, 20, 24,

そのため，一部の研究者はポリミクトユレイライト中25, 26]． Cr は Cr と異なり，年代測定に利用されるの玄武岩質岩片に着目し，その年代を，SIMS を使っことはない．しかし，種類の異なる隕石を特徴づけるた Al-Mg 法，Mn-Cr 法で求めていた [22, 23]．これら

54の研究から得られた結果は，ユレイライトが約 4562

らの起源を明らかにするトレーサーとしての役割を果Ma という非常に古い時期に形成されたことを示してたす．その一つの例として，山川ら [20] が年代を求めいる．しかし，ここで分析の対象となったのは，ユレることに成功した，ユレイライトの研究を紹介する．

5453

Cr 同位体異常は，隕石グループ同士の関係や，それイライト中の特異な岩片であるため，ユレイライト母ユレイライトは，その高い炭素含有量や，酸素同位天体の年代を厳密に議論するには不十分であった．モ体，希ガス同位体や親鉄元素の特徴が炭素質コンドラ

ノミクトユレイライトは Mn，Cr を数千 ppm のオーイトに類似することから，その先駆物質は炭素質コンダーで含むため，そのクロム同位体分析は比較的容易

ドライトであることが有力視されてきた [21]．炭素質である．その反面，鉱物学的に極めてシンプルである

コンドライトは，そこに含まれるコンドリュールやため，アイソクロンを求めるために必要な Mn/Cr 比

CAI，鉱物粒子レベルでは大きさの異なる正負の εの開きを期待できないという問題があった．この問題

54を克服するために山川らは，粉末にした試料を，数種から +1.5 ε程度の異常を示す．これに対して，山川

類 の 酸 を 用 い て 段 階 的 に 分 解 す る こ と で， 異 な るらによって求められたユレイライトのε Cr は，ほぼMn/Cr 比を持つ相を化学的に分離した．さらに，イ全ての試料で約－ 0.9 εであった [20]．この値は，こオン交換法を利用した Cr の分離方法や，質量分析のれまで求められている全岩隕石の中で最も低い値であ技術にも改良を加え，数マイクログラムのクロムのる．先に述べたとおり，炭素質コンドライトのε Cr5354

Cr 同位体異常を示すが，全岩レベルでは概ね +0.5ε5454

ε Cr，ε Cr 値をそれぞれ± 0.0005%，± 0.0010%

は，全岩レベルでは正の値を示すが，鉱物粒子レベルの精度（2 σ）で求めることに成功した [15]．これらのでは正負の値を示す．従って，負の同位体異常を持つ技術を使って，山川らはモノミクトユレイライトの母鉱物起源のクロムを部分溶融の際に優先的に取り込む

天体集積・分化が 4564.60 ± 0.67 Ma には始まっておことができれば，炭素質コンドライトからユレイライり，その火成活動が最低でも数百万年は続いたことをトを作ることは不可能ではない．しかし，ユレイライ

明 ら か に し た [20]． こ こ で 興 味 深 い の は， こ の ～トの多くが部分溶融の残渣（residue）であることと，4565Ma という年代が，HED 隕石やアングライトとい最初に溶融すると考えられる鉱物（メタル，炭酸塩鉱った，他のエコンドライトの最も古い年代と一致して物など）が負の同位体異常を示す（言い換えると，残渣いることである．このことは，太陽系初期のエコンドは出発物質よりも高いε Cr 値を示す）ことを考慮す

ライト母天体形成が，隕石の種類によらず，ほぼ同時ると，炭素質コンドライトの部分溶融によってユレイ期に始まったことを意味する [20]．

ライトを形成することが困難であることが分かる [20]．

54

では，ユレイライトの先駆物質は何であったのか．これに対する明確な回答は現時点では得られておらず，

クロム同位体から探る初期太陽系の姿／山下285

今後研究が期待されるテーマの一つとして残されてい年に求められた値が現在でも一般的に使われている．

る．

しかし，2002 年に米田ら [27] によって発表された値は，

54

Cr の同位体異常は太陽系全体の物質進化について

Honda and Imamura[7] の値とは誤差範囲を超えた不も興味深いメッセージを伝えている．図 1 はこれまで一致を示している．半減期の違いは，年代測定の対象

54に発表されている隕石のε Cr 値を，隕石の種類ごととなる物質の初生 Mn/ Mn 比が近い場合にはそれほにまとめたものである．これを見て分かるように，アど大きな影響は出ないが，そうでない場合は年代差にングライトと普通コンドライトの同位体比が比較的良顕著に表れる．従って，この問題の解決は，Mn-Cr 年く一致していることを除けば，コンドライトとエコン代測定のさらなる発展には欠かせないものである．ま54

ドライトのε Cr 値は異なる値を示す（オーブライト
545355

た，半減期の決定以外でも，アンカーの不足は今後克とエンスタタイトコンドライトのε Cr 値も誤差範囲服されなければならない問題として残っている．先に内で一致しているが，これはオーブライトのデータがも述べたとおり現在アンカーとして使われているのは少なく，誤差も大きいためである）．特に，エコンド

アングライト LEW 86010 と D’Orbigny である．しかし，ライトの大部分を占める，HED 隕石とユレイライト種類（分類）の異なる隕石は，その Cr 同位体異常が示の同位体比は，どのコンドライトとも一致せず，複数しているとおり，太陽系の異なるリザーバーで形成さのコンドライトの混合によっても説明できない．このれた可能性が高い．もしそうであるならば，アンカー

ことは，現在我々が手にしているコンドライトが，必はアングライトだけではなく，年代や化学的・岩石鉱ずしもエコンドライトの先駆物質であったわけではな

物学的特徴の異なる複数の隕石（あるいはその構成物いことを示している．これらのエコンドライトの組成質）を使って求めることが理想であろう．
そのためには，を説明するためには，ユレイライトと同じか，さらに他の年代測定法（Pb-Pb, Al-Mg, Fe-Ni 法など）とのク54

54

低いε Cr 値を持つ始原的物質が必要である．しかしロスキャリブレーションがますます重要となってくるながら，現時点ではそのようなものは，鉄隕石中のクので，今後その分野の研究にも期待したい．

ロマイト [12] を除けば，全く見つかっていない．これまでの宇宙地球化学では，コンドライト（特に CI コン

謝 辞ドライト）を太陽系の組成を代表するものとして取り扱ってきた．この仮定は，太陽系の組成を考える際のクロムを使った研究を進める上で Qing-Zhu Yin 博

大枠としては現在でも成り立つ．しかし，クロムを含士，木多紀子博士，山川茜博士，丸山誠史博士，岡山む，精密な同位体データを説明するには不十分であり， 大学地球物質科学研究センターの皆様には数多くのア
その意味での修正は今後必要になるであろう．

ドバイスを頂きました．東京工業大学の横山哲也博士には本原稿に関して多くの建設的なコメントを頂きました．以上の方々に感謝します．

4. 今後の展望
以上，まとめてきたとおり，クロムの同位体は惑星参考文献

物質の年代測定だけではなく，物質の起源を明らかにするためのトレーサーとしても理想的である．クロム
同位体を通じて，初期太陽系の姿が明らかになりつつ[1] Allègre, C. J. 2008, Isotope Geology, Cambridge
University Press.

ある背景には，分析技術の進歩 [14, 15] とデータの蓄[2] Birck, J.-L. 2004, in Geochemistry of Non-Traditional積が貢献していることは間違いなく，今後さらに多く

Stable Isotopes, ed. C. M. Johnson, B. L. Beardの隕石についてデータが求められることが期待される．

& F. Albarède (Mineralogical Society of America,

ただし，技術開発やデータの蓄積以外でも課題は残っWashington D. C., USA), Ch. 2ている．例えば，年代決定には親核種の半減期が正確
53[3] Amelin, Y. et al. 2002, Science 297, 1678に求められていることが重要であるが， Mn の半減[4] Connelly, J. N. et al. 2008. ApJ, 675, L121

期に関しては，Honda and Imamura[7] によって 1971

[5] Brennecka, G. A.et al. 2010a, Science 327, 449

286

日本惑星科学会誌 Vol. 19, No. 4, 2010[6] Brennecka, G. A. et al. 2010b, Lunar Planet. Sci. Conf.,
41, 2117[7] Honda, M., & Imamura, M. 1971, Phys. Rev. 4, 1182
[8] Birck, J.-L. & Allègre, C. J. 1985, Geophys. Res. Lett.
12, 745.
[9] Birck, J.-L. & Allègre, C. J. 1988, Nature 331, 579.
[10] Lugmair, G. W., & Shukolyukov, A. 1998, Geochim.
Cosmochim. Acta 62, 2863.
[11] Wadhwa, M. et al. 2003, Geochim. Cosmochim. Acta67, 5047.
[12] Trinquier, A. et al. 2007, ApJ, 655, 1179
[13] Trinquier, A. et al. 2008, Geochim. Cosmochim. Acta
72, 5146[14] Trinquier, A. et al. 2008, J. Anal. At. Spectrom., 23,1565.
[15] Yamakawa, A. et al. 2009, Anal. Chem., 81, 9787.
[16] Yin, Q-Z. et al. 2007, ApJ, 662, L43[17] Glavin, D. P. et al. 2004, Meteorit. Planet. Sci. 39, 693[18] Amelin, Y. 2008, Geochim. Cosmochim. Acta 72, 221[19] Yin, Q.-Z. et al. 2009b, Lunar Planet. Sci. Conf., 40,2060[20] Yamakawa, A. et al. 2010, ApJ, 720, 150.
[21] Mittlefehldt, D. W. et al. 1998, in Planetary Materials,ed. J. J. Papike (Mineralogical Society of America,
Washington D. C., USA), Ch. 4[22] Goodrich, C. A. et al. 2002, Meteorit. Planet. Sci. 37,A54[23] Kita, N. T. et al. 2007, Meteorit. Planet. Sci. 42, A83[24] Rotaru, M. et al. 1992, Nature 358, 465[25] Podosek, F. A. et al. 1997. Meteorit. Planet. Sci. 32,617[26] Shukolyukov. A., & Lugmair, G. W. 2006, Earth
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