放射性炭素年代測定
出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2023/11/19 08:46 UTC 版)
年代測定に影響する要因
炭素リザーバーごとに14C/12C比が異なる以上、試料が保有する14Cの量だけを考えて年代を計算しても不正確な結果しか得られない。ほかにも検討すべき誤差要因はいくつか存在するが、それらは大きく4種類に分けられる。
- 大気中14C/12C比の地域的・時間的な変動
- 同位体分別
- リザーバーごとの14C/12C比の変動
- コンタミネーション(試料汚染)
大気中14C/12C比の変動
放射性炭素年代測定が行われ始めた当初から、この手法が数千年間にわたって大気中14C/12C比が不変だったという前提に頼っていることは理解されていた。その妥当性を確かめるため、ほかの手段によって年代が確定している考古遺物を用いた検証実験が行われたが、結果は十分に一致していた。しかしやがて、最初期エジプト王朝に関する既知の年代と、エジプトの考古遺物の放射性炭素年代との齟齬が目立ち始めた。既存の年代学と新しい放射性炭素年代分析のどちらも正確だという保証はないものの、14C/12C比が時間と共に変化しているという第三の可能性も考えられた。この問題は年輪の研究によって解決された[42][43][44]。年代が重なり合う複数の年輪試料から取った14C/12C比のデータ列をつなげて8000年間にわたる連続的な年輪データが構築された[42](その後、年輪データ列は13900年間にまで拡張された)[33]。1960年代にハンズ・スースは年輪データを用いて放射性炭素分析による年代データがエジプト学者の与えた年代と一致することを実証した。この方法は、トウモロコシのような一年生草が単純にその年の大気中14C/12C比を反映するのに対し、樹木は最外層の年輪にしか炭素を取り込まないという事実を利用している。それぞれの年輪は形成された年の14C/12C比を記録していることになるので、年代が分かっている年輪試料の N(試料中に残存する14C原子数)を測定し、放射性炭素年代測定の方程式を用いて N0(年輪が形成された時点での14C原子数)を計算すれば、各年における大気中14C/12C比が分かる[42][44]。これらの年輪データを基にして、大気中14C/12C比の時間変動に由来する誤差を補正するための較正曲線が構築された[45]。較正曲線については以下で詳しく扱う。
19世紀には石炭と石油が大量に燃焼されるようになった。それらは検出可能な量の14Cを含まないほど年代が古いため、放出されたCO2は大気中の14Cを大幅に希釈することになった。このため20世紀初頭の物体を測定すると見かけの年代が実際より古くなる。同じ理由で大都市の近くでは14C濃度が大気の平均よりも低下する。この化石燃料効果(1955年に初めて指摘したハンズ・スースにちなんでスース効果とも)は、仮に化石燃料由来の炭素がリザーバー全域に均等に分配されたとすれば14Cの比放射能を0.2%減少させるにすぎないが、大気から深海に炭素が混合するには長い時間がかかるため、実際の減少は3%に上っている[42][46]。
大気に多数の中性子を放出して14Cを生成する地上核実験は化石燃料よりはるかに大きな影響を生み出した。1950年ごろから大気圏内核実験が禁止された1963年までの間に生成された14Cは数トンに上ると見積もられている。この14Cが炭素リザーバー全体に均等に分配されたとすれば14C/12C比の増加は数%にとどまったはずだが、実際には短期的に大気中の14Cを倍増させる効果があった。北半球では1964年が、南半球では1966年がこの効果のピークだった。その後、「ボム・パルス」と呼ばれた核実験起源の炭素がリザーバーに溶け込んでいくにつれて14Cレベルは低下していった[41][42][46][47]。
同位体分別
大気から生物圏に炭素が取り込まれるプロセスでもっとも主要なものは光合成である。光合成経路において12Cは13Cよりわずかに吸収されやすく、14Cは逆に吸収されにくい。3種の炭素同位体の摂取率が異なることで、植物中の13C/12C比や14C/12C比の値は大気とずれる。この効果は同位体分別として知られている[48][49]。
植物試料の分別の度合いは試料中の同位体存在比13C/12CをPDBと呼ばれる標準値と比較することで評価される[注 8]。14C/12C比ではなく13C/12C比が使われるのは、後者の方が測定しやすく、そこから前者を導出することも容易なためである。同位体分別による存在比の減少は同位体の質量差に比例するため、14Cの減少は13Cの減少の2倍となる[25]。13Cの分別の度合いはδ13Cと呼ばれており、以下のように求められる[48]。
ノース・ロナルドセー島の浜辺にいる島の名と同じ品種名のヒツジの群れ。これらのヒツジは冬季になると草よりδ13Cが高い海藻を餌にする。δ13Cはおよそ−13‰になり、これは草を食べるヒツジよりはるかに高い値である[48]。 試料 典型的な δ13C の範囲 PDB 0‰ 海洋プランクトン −22‰ – −17‰[49] C3植物 −30‰ – −22‰[49] C4植物 −15‰ – −9‰[49] 大気CO2 −8‰[48] 海洋CO2 −32‰ – −13‰[49] 海洋生物の光合成反応はあまり詳しく分かっていないが、海洋光合成有機体のδ13C値は温度に依存する。高温ではCO2の水への溶解度が低下し、光合成反応に必要なCO2が減ることになる。この条件の下では分別が抑制されるため、温度が14°C以上になるとそれに応じてδ13C値も高くなる。低温ではCO2の溶解度が上昇して生物にとって利用可能な量が増える[49]。動物のδ13Cは食餌の影響を受け、δ13C値が高い食品を食べる動物はそうではない動物よりδ13Cが高くなる[48]。動物自身の生化学プロセスからの影響もある。たとえば骨塩と骨コラーゲンはどちらも一般に食餌よりも13C 濃度が高い(ただし生化学的な理由は異なる)。骨に13Cが濃縮するということは、排泄物の13Cは摂取した食餌より低いということでもある[52]。
13Cは試料中の炭素の約1%を占めるため、13C/12C比は質量分析法によって正確に測定することができる[25]。δ13Cの典型値は多くの植物や骨コラーゲンなど動物の各部位について実験的に求められているが、試料の年代測定を行うときは文献値ではなくその試料から直接δ13C値を測定するべきである[48]。
大気中の14Cは12Cよりも海水に溶け込みやすいため、大気中のCO2と海洋表面の炭酸塩の間の炭素交換でも分別は起きる。その結果、海洋全体で14C/12C比が大気と比べて1.5%上昇することになる。この14C濃度の増加は放射性炭素年代を若い方におよそ400年ずらす。しかしこのずれは、海水の湧昇による14Cの減少(深水に含まれる炭素は年代が古いため14Cが少ない)とほぼ打ち消し合うので、14C放射性を直接測定して得られる値は他の生物圏とあまり変わらない。しかし生物圏の異なる場所どうしを比較するには同位体分別の補正が欠かせない。補正を行うと表層海水の年代は見かけ上400年となる[25][40][53]。
リザーバー効果
リビーが最初に発表した炭素交換リザーバー仮説では14C/12C比が世界中どこでも一定だと仮定していたが[54]、その後リザーバー間の差異を作り出す要因がいくつか見つかっている[39]。
海洋効果
大気中のCO2は炭酸イオンもしくは炭酸水素イオンとして表層海水に溶け込むことで海洋に移る。同時に海水中の炭酸イオンはCO2として大気に戻る[54]。この交換プロセスにより大気の14Cが表層海水に持ち込まれるが、その14C が海洋の全域に浸透するには長い時間がかかる。海洋の最深部と表層海水との混合は非常にゆっくりしており、一様に混合されるわけでもない。深層水を表層に運ぶ主要な機構である湧昇は赤道周辺で盛んである。湧昇はまた海底や海岸線の局所的な地形、気候、風のパターンからも影響を受ける。全体的に深層水と表層水の混合は大気CO2の表層水への混合よりはるかにゆっくりしているため、深海では見かけの放射性炭素年代が数千年に達することがある。湧昇によってこの「古い」水が表層水に混ぜられることで、表層水の見かけの年代はおよそ数百年になる(分別効果の較正後)[39]。この効果はどの水域でも一様に生じるわけではない。平均の年代上昇は400年だが、地理的に近接した水域の間に数百年の食い違いが生まれることもある[39][40]。較正にこの偏差を織り込むことは可能であり、CALIB のような較正ソフトウェアには地域的な補正を入力するオプションがある[18]。貝殻のような海洋性有機物や、クジラやアザラシのような海棲哺乳類もこの効果の影響を受けるので見かけの放射性炭素年代が数百年になる[39]。
半球効果
北半球と南半球は実質的に互いに独立した大気循環系を持つので、両者の間の混合には顕著なタイムラグがある。大気の14C/12C比は南半球の方が小さく、放射性炭素年代にして北半球より見かけ上40年ほど古くなる[注 10]。南半球の方が海洋の面積が大きく、そのぶん海洋と大気の間の炭素交換が盛んなためである。表層海水は海洋効果によって14Cが減少しているため、南半球では大気14Cが北半球よりも早く失われる[39][55]。この効果は大規模な湧昇が存在する南極で特に大きい[15]。
その他の効果
岩石は検出できる量の14Cを含まないほど年代が古いのが一般的であり、淡水が岩石から年代の古い炭素を取り入れると水の14C/12C比は減少する。たとえば河川が石灰岩(主成分は炭酸カルシウム)の上を通過すると炭酸イオンが溶け込む。地下水も岩石の間を流れることで岩石由来の炭素を取り込むことがある。そのような水や、水中で生息する植物や淡水生物は見かけの年代が数千年になる場合がある[25]。この効果には硬水に特有のカルシウムイオンが関わっているため硬水効果と呼ばれる。腐植土などほかの炭素源が同様の効果を生み出すこともあり、炭素源が試料より新しければ見かけの年代が若くなる場合もある[39]。この効果は状況によって大きく変動するため、一律に加えられるようなオフセット値はない。オフセットの大きさを決めるには、堆積物中の淡水性貝類の殻の年代を関連する有機物と比較するような研究を別に行う必要があるのが普通である[56]。
火山が噴火すると大量の炭素が空気中に放出される。この炭素は地質由来のものであるため検出可能な量の14Cを含んでおらず、そのため火山付近の14C/12C比は周囲よりも小さくなっている。休火山も年代の古い炭素を放出することがある。そのような炭素を光合成によって取り込んだ植物も14C/12C比が低くなる。たとえば、アゾレス諸島フルナスのカルデラ地域に自生する植物は見かけの年代が250年から3320年に及ぶことが分かっている[57]。
コンタミネーション(試料汚染)
年代の異なる炭素が試料に混入すると測定データは不正確になる。現代の炭素による汚染は試料の年代を実際よりも新しく見せる。その影響は試料自体の年代が古いほど大きくなる。1万7千年前の試料が汚染されて1%の現代炭素を含んだとすると、実際より600年新しい結果が出る。3万4千年前の試料であれば同じ汚染から4千年の誤差が生まれる。14Cが枯渇した古い炭素が混入した場合には逆向きの誤差が生じるが、その程度は試料年代に依存しない。試料に古い炭素が1%混入したら、それ自体の年代がどうであれ実際よりも80年古く測定される[58]。
注釈
- ^ リビーが用いたオリジナルの試料の一部は再測定され、リビーとおおむね良く一致する結果が得られた。結果は2018年に公刊された[13]。
- ^ 地表の下で宇宙線が窒素や酸素と相互作用することでも14Cが作られる。状況によってはこの14Cが大気に移動することがある(例として、積雪の表面近くで生成した気体は雪を透過する)。しかしこの経路は14Cの生成量の0.1%以下にすぎないと見積もられている[17]。
- ^ 1952年には14Cの半減期(平均寿命は半減期から決まる)は5568±30年だと考えられていた[22]。平均寿命 τ と半減期 t+1/2 は以下の式で換算される[8]。
- ^ リビーが用いた値の中には1950年代初期に報告された二つの実験値(約6090年および5900±250年)は含まれていない[32]。
- ^ 「radiocarbon age(→放射性炭素年代)」のほか「conventional radiocarbon age(→慣用放射性炭素年代)」という言葉も使われる。放射性炭素年代の定義は以下の通りである。(a) 現在一般に認められている実際の半減期5730年ではなく、リビーの半減期5568年を用いる。(b) 1950年における放射性炭素の放射性はNISTが提供するHOxII標準試料によって定義する。(c) BP(before present, (→現在から~年前))表記で年代を数えるとき、1950年現在を基準とする。(d) 標準的な同位体比に基づいて同位体分別の補正を行う。(e) 14C/12C比は時間的に変動しないと仮定する[34]。
- ^ リザーバー各部のパーセンテージは1990年代半ばに見積もられた炭素量から計算されている。工業化以前の時代の炭素分布の見積もり量は大きく異なっている[35]。
- ^ 海洋生物の見かけの年代が400年になるのは同位体分別の較正を行った後のことである。その後の較正で海洋用の較正曲線を用いればこの効果は補正される。同様に、本文で書かれている陸生生物の14C/12C比は同位体分別の較正後の値である。
- ^ 「PDB」は "Pee Dee Belemnite" の省略形で、米国サウスカロライナ州のピーディー層で採取されたベレムナイト化石を意味している[50]。
- ^ PDB値は11.2372‰である[51]。
- ^ 近年に得られた年代オフセットの見積もり値としては、過去1000年にわたる変動幅が放射性年代にして8–80年、平均40±14年というものと、過去2000年にわたる変動幅が放射性年代にして−2–83年、平均44±17年というものがある。より古いデータセットからは50年程度のオフセットが見積もられている[55]。
- ^ 較正曲線にプラトーが生じるのは、試料中で放射性炭素が崩壊によって減少するのと同じ速さで大気の14C/12C比が減少したときである。プラトーは例えば紀元前750年から紀元前400年にかけて存在し、この時期で年代決定を行わなければならない試料は放射性炭素年代の精度が低下する[93]。
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