カリウム–アルゴン（K–Ar）年代測定（以下 K–Ar 年代測定）は、地球年代学や考古学で広く使われる放射性年代測定の一種です。これは、放射性同位体であるカリウム（K）の崩壊で生成されるアルゴン（Ar）を測り、試料が最後に冷えてからどれだけの時間が経ったかを求める方法です。K を含む鉱物や火山性物質（テフラ、ラバ、ミカ、ミカ・粘土など）に適用されます。

原理（概略）

自然に存在する放射性同位体 40K は、時間とともに崩壊して一部が放射性生成物の 40Ar になります。高温で溶融している状態では生成した 40Ar は気体として岩石から逃げますが、岩石が冷えて鉱物結晶内に閉じ込められる（＝閉鎖）と、それ以降は放射性に生成された 40Ar が蓄積していきます。この蓄積量と現在の残存する 40K の量を比較することで、試料が「閉鎖」された時点（＝岩石が固まった時点）からの経過時間を計算できます。

数学的には、放射性崩壊の定数と 40K から 40Ar への分岐比を用いて次のように表されます（変数の意味は下記参照）：

t = (1/λ) ln[1 + ( 40Ar* / 40K ) × (λ / λ_e ) ]

  • t：経過時間（年代）
  • λ：40K の全崩壊定数（総崩壊率）
  • λ_e：40K が電子捕獲等で 40Ar に崩壊するための部分的崩壊定数（分岐定数）
  • 40Ar*：放射性起源の（放射性で生成された）40Ar の量（大気起源の分を差し引いた量）
  • 40K：試料中に現在残っている 40K の量

参考として、40K の全崩壊に対応する半減期は約 12.5億年（約1.25×109年）、そして 40K のうち約 約10.7％ が 40Ar に崩壊する、という性質があります。これにより、K–Ar 法は長い時間スケール（数千年〜数十億年）に適用可能です。

試料と前処理

K–Ar 年代測定に適した試料の例：

  • 急冷されたラバ（溶岩）や火山灰（テフラ）— 再結晶が少なく、閉鎖が鮮明であることが多い
  • ミカ類（雲母、黒雲母、白雲母など）や 粘土鉱物、前記の K 含有鉱物
  • 火山性の溶岩・凝灰岩、エバポライトなど

前処理では、目的の鉱物を分離し、風化や子鉱物を除去して純度を高めます。測定では通常、40Ar（および同位体の36Ar・38Ar）を高感度の希ガス質量分析計で測り、K 濃度（または K のモル量）を化学分析（ICP-MS、原子吸光など）で測定します。大気由来の非放射性 Ar（主に 40Ar/ 36Ar 比 ＝ 約295.5）を補正して、放射性起源の 40Ar* を求めます。

測定・計算上の注意点

  • 閉鎖系の仮定：試料が測定後も外部とガス交換しなかった（閉鎖系）ことが前提。加熱や変質で 40Ar が失われると年代は若くなり、逆に初期に取り込まれた余剰 Ar（excess Ar）があると年代は古く出ます。
  • 初期アルゴンの補正：岩石形成時に閉じ込められた非放射性 Ar（大気 Ar やマントル由来の余剰 Ar）がある場合、それを検出・補正する必要があります。通常は複数の Ar 同位体を測って補正します。
  • 鉱物ごとの閉鎖温度：鉱物によってアルゴンが保持される温度（閉鎖温度）が異なり、同じ岩石でも鉱物種ごとに得られる年代が異なることがあります。目安として、雲母類は数百度、カリ長石はさらに低めで鉱物や組織により変動します。
  • 測定精度：年齢が若い（数千年〜数万年）ほど放射性生成物が少なく、測定誤差が相対的に大きくなります。逆に数百万年〜数十億年では精度が高くなりやすいです。

長所と短所（要点）

  • 長所：火成・火山岩に適し、広い年齢域（古生代〜現代）をカバー。火山噴出物を直接年代測定できるため地層の年代決定やテフロクロノロジーに有用。地磁気の極性逆転の年代校正などにも貢献。
  • 短所：閉鎖系の成立や余剰 Ar の存在が問題になりやすい。鉱物分離や大気補正など実験手順に注意が必要。若い試料では感度が不足しがち。

地質学・考古学での応用例

  • 火山噴出物（溶岩流、テフラ層）の年代測定：層序の絶対年代を与え、地質イベントや火山活動史の復元に用いる。
  • 地磁気の極性時間スケール（GPTS）の校正：急冷した溶岩流がその時点の地磁気方向を保持するため、K–Ar による年代と組み合わせて極性逆転の年代が確定された。
  • 考古学での間接年代決定：遺跡周辺の火山灰層を年代測定して、埋納物や遺構の年代を推定する（テフロクロノロジー）。
  • 変成作用や熱履歴の解析：鉱物ごとの閉鎖温度差を利用して、冷却履歴や熱イベントの時期を調べることが可能。

K–Ar と Ar–Ar（40Ar/39Ar）法の比較

Ar–Ar 法は K–Ar 法の発展版で、標準的には試料を中性子で照射して 39Ar（39K 由来）を生成し、同一試料の複数同位体比を測ることで年代を求めます。利点は：

  • 単一試料から同時に K 相当量と Ar を比べられるため、より高精度・高再現性が得られる。
  • 部分加熱（ステップ加熱）で年代の均一性を評価でき、余剰 Ar や部分的なアルゴン損失を検出しやすい。

ただし Ar–Ar 法には中性子照射による標準の必要性など特有の問題もあります。多くの研究では補完的に両法を使うことがあります。

実務上の注意事項（まとめ）

  • 試料選択と前処理で風化や混入を避ける。
  • 複数の鉱物や層位からの測定・比較で異常値（余剰 Ar、アルゴン喪失）を検出する。
  • 大気起源 Ar の補正や、必要に応じて Ar–Ar 法による精密化を行う。
  • 年齢の解釈では地質学的文脈（層序、変成履歴、熱履歴）を重視する。

まとめると、K–Ar 年代測定は火山性物質や K 含有鉱物の年代を直接測る強力な手段であり、地質学・考古学の多くの問題に対して不可欠なツールです。ただし、測定と解釈には閉鎖条件や余剰 Ar の検討が重要で、必要に応じて Ar–Ar 法などと併用して精度と信頼性を高めます。