ウラン–鉛（U–Pb）年代測定法とは：原理・精度・適用範囲・歴史

ウラン–鉛（U–Pb）年代測定法の原理・精度・適用範囲・歴史を分かりやすく解説。100万年〜45億年の年代推定や実践的な解析手法、研究史を網羅。

ウラン-鉛は、放射性物質の年代測定法の中で最も古く、最も洗練されたものの一つです。

約100万年から45億年以上の年齢範囲で使用できます。精度は0.1～1％の範囲です。

この方法は、半減期44億7000万年のウラン系列(²³⁸Uから²⁰⁶Pbまで)と半減期7億400万年のアクチニウム系列(²³⁵Uから²⁰⁷Pbまで)の2つの崩壊連鎖に依存している。

2つの「平行」なウラン-鉛崩壊経路が存在することで、全体的なウラン-鉛系の中でいくつかの年代測定手法が可能となった。

U-Pb年代測定法」という用語は、通常、両方の崩壊スキームを併用することを意味します。しかし、単一の崩壊スキーム（通常は²³⁸Uから²⁰⁶Pb）を使用すると、ルビジウム-ストロンチウム年代測定法に似たU-Pb同位体年代測定法になります。

最後に、U-Pb系の年代は、Pb同位体比の分析だけで年代を決定することもできます。これは鉛-鉛年代測定法と呼ばれています。ウラン-鉛年代測定法の研究の先駆者であるアメリカの地球化学者クレア・キャメロン・パターソンは、この方法を用いて地球の年代を最も早く正確に推定したことで知られています。

原理（概略）

基本原理は放射性崩壊に基づきます。親核種であるウランの同位体（²³⁸Uと²³⁵U）が時間とともに鉛同位体（²⁰⁶Pbと²⁰⁷Pb）に崩壊します。崩壊は一定の速度（崩壊定数 λ）で進むため、現在の親・娘同位体比から岩石や鉱物が「閉じた系」になった時点（＝年代）を逆算できます。

代表的な崩壊式（イメージ）: N = N0 e^−λt（Nは現在の親核種量、N0は初期量、tは経過時間）

コンコルディア図とディスコルディアの考え方

U-Pbの強みは二系の崩壊を同時に利用できる点にあります。206Pb/238Uと207Pb/235Uの比をプロットしたコンコルディア曲線上にデータ点が乗れば、それが真の結晶化年代（コンコルダント）を示します。一方、鉛の喪失や混入が起きるとデータは曲線から外れ（ディスコルダント）、そうした点群は直線（ディスコルディア）を描き、その直線がコンコルディア曲線と交わる2点から「原始結晶化年代」と「鉛喪失（再結晶化）年代」を求めることができます。

適用範囲と精度

• 年齢範囲：実用上は約10^6年（百万年）から45億年以上まで幅広く適用可能。地球最古の岩石や隕石の年代決定にも使われます。
• 精度：測定法と試料に依存します。一般的に0.1〜1％とされますが、化学抽出＋ID-TIMS（同位体希釈質量分析法）やCA–ID-TIMS（化学エッチング併用）では0.01〜0.1％台の高精度が得られることもあります。一方、in-situ法（SIMS、SHRIMP、LA-ICP-MS）は空間分解能に優れるが精度は0.1〜数％程度の場合が多いです。

代表的な試料（鉱物）と閉鎖温度

• ジルコン（ZrSiO4）：Uを多く取り込み、Pbをほとんど取り込まないため最も一般的。高い化学的安定性と高い閉鎖温度を持ち、地質学的年代を正確に記録します。
• モナザイト、バデライトル（baddeleyite）、チタナイト（sphene）なども重要。試料ごとにU含有量・閉鎖温度・耐変質性が異なります。
• 閉鎖温度：鉱物や結晶の種類・サイズ・変成条件により異なるので、年代解釈の際には閉鎖温度や熱史を考慮する必要があります。

測定手順と主な分析法

• 化学分離 + ID-TIMS：試料から鉱物を選別し溶解、化学的にUとPbを分離して同位体希釈法で質量分析。最高精度を誇るが、多くの手間と試料消費を伴う。
• CA–ID-TIMS：化学的アブレーション（加熱・酸処理）で損傷域を除去してからID-TIMSを行い、変性で損なわれたジルコンでも正確な年代が得られるようにした改良法。
• SIMS／SHRIMP：イメージング的に少領域を測るin-situ法。結晶内の成長リングや包有物ごとの年代差を調べられるが、標準校正が必要。
• LA-ICP-MS：レーザーで微小領域を蒸発させて同位体を測定。高速でサンプル数を稼げるがID-TIMSほどの精度は得られにくい。

データ補正と注意点

• 共存鉛（コモンPb）の補正：試料に元来含まれていた非放射性の鉛（初期鉛）をどう扱うかが重要。通常は204Pbの検出や鉛同位体の等時線解析で補正します。
• 鉛喪失・継承晶：熱変成や流体作用でPbが流出すると年代が若く見える。逆に古い包有物を取り込むと年代が古くなる（継承）。コンコルディア解析や微細領域測定、化学前処理でこれらを識別します。
• 試料の選別：ジルコンの形態、CL（カソードルミネッセンス）像、同位体マッピングなどで良好な結晶を選ぶことが正確な年代決定には不可欠です。

歴史的背景とパターソンの業績

U-Pb法は20世紀初頭から発展してきました。先駆的な研究者の一人であるクレア・キャメロン・パターソンは、鉛同位体比（Pb-Pb法）を用いて地球の年齢を推定する研究で有名です。地球の年代に関する初期の信頼できる推定値は、こうした鉛同位体解析に負うところが大きいです。

実際の応用例

• 地球最古の岩石や隕石年代の決定（地球・太陽系の起源研究）
• 火成岩の結晶化年代、火山噴出年代の確定
• 変成作用や熱履歴の年代推定（岩石がいつ再加熱・再結晶したか）
• 考古学的に若い年代には向かないが、地質学スケールの年代解析には非常に有用

まとめ（ポイント）

• U–Pb法は二つの独立した崩壊系列を利用するため、自己整合性チェックができ信頼性が高い。
• ジルコンなど適切な鉱物を使えば数百万年から数十億年の年代が高精度に求められる。
• 鉛喪失や初期鉛の存在など、実験的・地質学的な問題を慎重に扱う必要がある。適切な前処理・解析法（例：CA–ID-TIMS、コンコルディア解析）で多くの問題が解決される。

質問と回答

Q: ウラン・鉛年代測定とは何ですか?

Q: ウラン-鉛年代測定の年代範囲はどのくらいですか?

Q: ウラン-鉛年代測定の精度範囲はどのくらいですか?

Q: ウラン-鉛年代測定はいくつの崩壊連鎖に依存していますか?

Q: U-Pbアイソクロン年代測定法とは何ですか?

Q: 鉛-鉛年代測定法とは何ですか?

Q: ウラン鉛年代測定法を用いて地球の年齢を推定した有名な人物は誰ですか?

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