ウラン-トリウム年代測定

ウラン-トリウム年代測定法は、トリウム230年代測定法、ウラン系列不平衡年代測定法、ウラン系列年代測定法とも呼ばれ、 1960年代に確立された放射年代測定法で、1970年代からは洞窟生成物やサンゴなどの炭酸カルシウム物質の年代を決定するために使用されています。^[¹^]^[²^]ルビジウム-ストロンチウム年代測定法やウラン-鉛年代測定法など、一般的に使用されている他の放射年代測定法とは異なり、ウラン-トリウム年代測定法では、安定した端メンバー崩壊生成物の蓄積を測定しません。その代わりに、サンプル内で放射性同位体トリウム230とその放射性親ウラン234の間で永年平衡が回復した度合いから年代を計算します。

背景

{\displaystyle {\tfrac {R'}{Q'}}={\tfrac {{\vphantom {A}}_{\hphantom {}}^{\hphantom {230}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {230}}}\mathrm {Th} }{{\vphantom {A}}_{\hphantom {}}^{\hphantom {234}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {234}}}\mathrm {U} }},}} — このグラフは、トリウムが初期に存在しないと仮定し、2つの放射能比から年齢を決定することを可能にします。横軸は、縦軸はです。各曲線は線形分数双曲線です。年齢を比の関数として閉じた形で表すことはできません。 ${\tfrac {R'}{Q'}}={\tfrac {{\ce {^230Th}}}{{\ce {^234U}}}},$ ${\displaystyle {\tfrac {Q'}{P'}}={\tfrac {{\ce {^234U}}}{{\ce {^238U}}}}。$

トリウムは、地表または地表付近の条件下では天然水に溶けないため、このような水中または水から生成された物質には通常トリウムは含まれません。^{[ 3 ]}一方、ウランはある程度はすべての天然水に溶けるため、そのような水で沈殿または生成された物質にも微量のウランが含まれており、通常は重量で数ppbから数ppmの濃度です。このような物質が形成されてから時間が経つと、サンプル中の半減期が245,000年のウラン234はトリウム230に崩壊します。^{[ 4 ]}トリウム230自体は半減期が75,000年の放射性物質であるため、^{[ 4 ]}トリウム230は無制限に蓄積するのではなく（たとえばウラン鉛系の場合）、放射性の親ウラン234と永年平衡に近づきます。ここで、サンプル中のトリウム230の年間崩壊回数は、生成されるトリウム230原子の数に等しく、これは同じサンプル中のウラン234の年間崩壊回数にも等しくなります。この限界は、上のグラフの点(1,1)で表されます。

歴史

1908年、ダブリン大学トリニティ・カレッジの地質学教授ジョン・ジョリーは、大陸棚よりも深海の堆積物にラジウム含有量が多いことを発見し、堆積物が海水からラジウムを清掃しているのではないかと考えた。ピゴットとウリーは1942年に、ラジウム過剰がトリウム（ラジウムの直接の親元素である^{230 Th）過剰と一致することを発見した。この技術が陸生炭酸塩（}洞窟生成物やトラバーチン）に適用されるまでにはさらに20年を要した。1980年代後半、ラリー・エドワーズの多大な貢献により、この方法は質量分析法によって改良された。^[⁵^]^[⁶^]ヴィクトル・ヴィクトロヴィッチ・チェルディンツェフのウラン234に関する画期的な本が英訳された後、ウラン-トリウム年代測定は西洋の地質学で広く研究の注目を集めるようになった。 ^[⁷^]^{: 7}

方法

ウラン系列年代測定法は、様々な物質に、様々な年代範囲で適用できる一連の手法です。各手法は、年代測定に使用された同位体（主に娘核種とその親核種）にちなんで名付けられています。以下の表に8つの手法を示します。

ウラン系列年代測定法^{[ 7 ]}
同位体比の測定	分析方法	時間範囲（ka）	材料
²³⁰ Th/ ²³⁴ U	アルファスペック; マススペック	1～350	炭酸塩、リン酸塩、有機物
²³¹ Pa/ ²³⁵ U	アルファ仕様。	1～300	炭酸塩、リン酸塩
²³⁴ U/ ²³⁸ U	アルファスペック; マススペック	100～1,000	炭酸塩、リン酸塩
Uトレンド	アルファ仕様。	10～1,000(?)	堆積物
²²⁶ラ	アルファ仕様。	0.5～10	炭酸塩
²³⁰番目/ ²³²番目	アルファ仕様。	5～300	海底堆積物
²³¹ Pa/ ²³⁰ Th	アルファ仕様。	5～300	海底堆積物
⁴彼/U	質量分析計（ガス）	20～400(?)	コーラル

²³⁴ U/ ²³⁸ U法は、238 ^U原子がアルファ線を放出して崩壊する際に、娘原子が原子反跳によって結晶内の通常の位置から変位するため、 ^{234 Uが}²³⁸ Uよりも優先的に溶解するという事実に基づいています。^[⁸^] これにより²³⁴ Th原子が生成され、これはすぐに^{234 U原子になります。ウランが沈積すると、}²³⁴ Uと²³⁸ Uの比率は永年平衡状態（両者の放射能が等しくなる状態）に戻り、平衡状態からの距離は24万5000年ごとに2分の1ずつ減少します。

物質収支は、未知の定数 $A$ に対して、活動比の次の式を与えます（²³⁰ Th がゼロから始まると仮定）。

^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}=1+A\times 2^{-t/245000}

^{230}{\text{Th}}/^{238}{\text{U}}=1+{\frac {A}{1-75000/245000}}\times 2^{-t/245000}-\left(1+{\frac {A}{1-75000/245000}}\right)\times 2^{-t/75000}

最初の方程式 $A$ を、未知の年齢 $t を$ 使って解くことができます。

A=(^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1)\times 2^{t/245000}

$これを2番目の方程式に代入すると、 t$ について解くべき方程式が得られます。

^{230}{\text{Th}}/^{238}{\text{U}}=1+{\frac {^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1}{1-75000/245000}}-2^{-t/75000}-{\frac {^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1}{1-75000/245000}}\times 2^{t/245000-t/75000}

残念ながら、年齢 $tの$ 閉じた形式の表現はありませんが、方程式を解くアルゴリズムを使用すると簡単に見つけることができます。

デートの制限

ウラン-トリウム年代測定の上限は50万年強であり、これはトリウム230の半減期、試料中のトリウム230/ウラン234比の測定精度、そしてトリウム230とウラン234の半減期を正確に知る精度によって定義されます。この技術を用いて年代を計算するには、ウラン234とその親同位体であるウラン238の比も測定する必要があります。

精度

U-Th年代測定は、石筍、トラバーチン、湖成石灰岩などの沈降炭酸カルシウムに適用すると最も正確な結果が得られます。骨や貝殻は信頼性が低いです。質量分析法は±1%の精度を達成できます。従来のアルファ線計数法の精度は±5%です。また、質量分析法ではより小さなサンプルを使用します。^{[ 9 ]}

参照

放射性炭素年代測定

参考文献

^ Davis, Owen (2005年春). 「ウラン-トリウム年代測定」 . Biogeography ECOLOGY 438/538 . アリゾナ大学地球科学部. 2015年10月24日閲覧.
^ Costa, Kassandra M.; Hayes, Christopher T.; Anderson, Robert F.; Pavia, Frank J.; Bausch, Alexandra; Deng, Feifei; Dutay, Jean-Claude; Geibert, Walter; Heinze, Christoph; Henderson, Gideon; Hillaire-Marcel, Claude (2020). 「230Th Normalization: New Insights on an Essential Tool for Quantifying Sedimentary Fluxes in the Modern and Quaternary Ocean」 . Paleoceanography and Paleoclimatology . 35 (2) e2019PA003820. Bibcode : 2020EGUGA..22.2186C . doi : 10.1029/2019PA003820 . hdl : 1721.1/133816.2 . ISSN 2572-4525 .
^ 「ウラン・トリウム年代測定 | Isobar Science」 . Isobar Science | ストロンチウム同位体分析 - 地球化学. 2024年5月11日閲覧。
^ ^a ^b Aitken, MJ (2014年2月25日). 『考古学における科学的年代測定』ラウトレッジ. p. 124. ISBN 978-1-317-87149-1。
^ 「この2人の地球化学者は、科学界で最大級の出版ネットワークの一つを擁している」 Nature Index 2020年6月26日2023年9月1日閲覧。
^ 「洞窟生成物のウラン–トリウム年代測定」pubs.geoscienceworld.org . 2023年9月1日閲覧。
^ ^a ^b Schwarcz, Henry P. (1989年1月). 「第四紀鉱床のウラン系列年代測定」. Quaternary International . 1 : 7–17 . Bibcode : 1989QuInt...1....7S . doi : 10.1016/1040-6182(89)90005-0 .（サブスクリプションが必要です）
^ MB Anderson; et al. (2010年12月8日). 「外洋における²³⁴ U/ ²³⁸ U組成の精密測定」 .地球化学、地球物理学、地球システム. 11 (12). doi : 10.1029/2010GC003318 . S2CID 129292401 .
^ Schwarcz, Henry P. (2005). 「古人類学におけるウラン系列の年代測定」.進化人類学：論点、ニュース、レビュー. 1 (2): 56– 62. doi : 10.1002/evan.1360010207 . S2CID 83851086 .

外部リンク

Shakhashiri, Bassam Z. 「ウラン」 . scifun.org の「今週の化学物質」 . ウィスコンシン大学マディソン校化学科 . 2015年2月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年10月24日閲覧。

[1] Davis, Owen (2005年春). 「ウラン-トリウム年代測定」 . Biogeography ECOLOGY 438/538 . アリゾナ大学地球科学部. 2015年10月24日閲覧.

[2] Costa, Kassandra M.; Hayes, Christopher T.; Anderson, Robert F.; Pavia, Frank J.; Bausch, Alexandra; Deng, Feifei; Dutay, Jean-Claude; Geibert, Walter; Heinze, Christoph; Henderson, Gideon; Hillaire-Marcel, Claude (2020). 「230Th Normalization: New Insights on an Essential Tool for Quantifying Sedimentary Fluxes in the Modern and Quaternary Ocean」 . Paleoceanography and Paleoclimatology . 35 (2) e2019PA003820. Bibcode : 2020EGUGA..22.2186C . doi : 10.1029/2019PA003820 . hdl : 1721.1/133816.2 . ISSN 2572-4525 .

[3] 「ウラン・トリウム年代測定 | Isobar Science」 . Isobar Science | ストロンチウム同位体分析 - 地球化学. 2024年5月11日閲覧。

[Aitken2014-4] Aitken, MJ (2014年2月25日). 『考古学における科学的年代測定』ラウトレッジ. p. 124. ISBN 978-1-317-87149-1。

[5] 「この2人の地球化学者は、科学界で最大級の出版ネットワークの一つを擁している」 Nature Index 2020年6月26日2023年9月1日閲覧。

[6] 「洞窟生成物のウラン–トリウム年代測定」pubs.geoscienceworld.org . 2023年9月1日閲覧。

[Schwarcz-7] Schwarcz, Henry P. (1989年1月). 「第四紀鉱床のウラン系列年代測定」. Quaternary International . 1 : 7–17 . Bibcode : 1989QuInt...1....7S . doi : 10.1016/1040-6182(89)90005-0 .（サブスクリプションが必要です）

[8] MB Anderson; et al. (2010年12月8日). 「外洋における²³⁴ U/ ²³⁸ U組成の精密測定」 .地球化学、地球物理学、地球システム. 11 (12). doi : 10.1029/2010GC003318 . S2CID 129292401 .

[9] Schwarcz, Henry P. (2005). 「古人類学におけるウラン系列の年代測定」.進化人類学：論点、ニュース、レビュー. 1 (2): 56– 62. doi : 10.1002/evan.1360010207 . S2CID 83851086 .

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