ルビジウム-ストロンチウム年代測定

ルビジウム-ストロンチウム年代測定法 (Rb-Sr) は放射年代測定法の一種で、科学者が岩石や鉱物の年代を、ルビジウム( ⁸⁷ Rb) とストロンチウム( ⁸⁷ Sr、⁸⁶ Sr) の特定の同位体の含有量から判定するために使用します。ルビジウムの 2 つの天然同位体のうちの 1 つである^{87 Rb は、}半減期492.3 億年で⁸⁷ Srに崩壊します。この崩壊過程で生成される放射性娘核種である⁸⁷ Sr は、4 つの天然ストロンチウム同位体のうち、太陽系の形成以前の恒星内元素合成によってのみ生成されたのではない唯一の同位体です。時間の経過とともに、^{87 Rb の崩壊によって放射性87} Srの量が増加しますが、他の Sr 同位体の量は変化しません。

^{鉱物サンプルの87} Sr/ ⁸⁶ Sr比は、質量分析計を使用して正確に測定できます。サンプルが形成された時点の Sr および Rb 同位体の量が判明すれば、⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr の増加から年代を計算できます。同じ珪長質溶融物から結晶化したさまざまな鉱物は、すべて元の溶融物と同じ初期の⁸⁷ Sr/ ^{86 Sr を持ちます。しかし、鉱物では Rb が K の代わりに使用され、これらの鉱物は}K /Ca 比が異なるため、鉱物は異なる初期の Rb/Sr 比を持ち、最終的な⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr 比は Rb の少ない鉱物ほど増加しません。通常、Rb/Sr は斜長石、角閃石、カリ長石、黒雲母、白雲母の順に増加します。したがって、放射性⁸⁷ Srの顕著な生成 (内部成長) に十分な時間が与えられると、測定された⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr 値は鉱物ごとに異なり、同じ順序で増加します。したがって、岩石サンプル内のさまざまな鉱物を比較することで、科学者は元の⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr 比率を推測し、岩石の年代を決定することができます。

さらに、Rb は非常に非相溶性の元素で、マントルが部分的に溶融しているときには、マントル鉱物に留まるよりもマグマ溶融物に加わることを好む。その結果、Rb はマントルよりも地殻岩石に濃縮され、⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr はマントル岩石よりも地殻岩石の方が高くなる。これにより、科学者は、その後のマグマ分化によって全体的な化学組成が類似している場合でも、地殻岩石の溶融によって生成されたマグマとマントル岩石の溶融によって生成されたマグマを区別することができる。 ^[1]科学者はまた、⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr から、マントルから抽出されたマグマから地殻岩石が最初に形成された時期を推定することもできる。たとえ岩石がその後変成したり、溶融して再結晶化したりしたとしても。これは、地球の大陸の年齢の手がかりとなる。^{[2] [3]}

このプロセスの開発はドイツの化学者 オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンの協力を得て行われ、彼らは後に1938年12月に核分裂を発見しました。

たとえば、花崗岩などの火成岩には、斜長石、カリ長石、角閃石、黒雲母、白雲母など、いくつかの主要な Sr 含有鉱物が含まれているとします。これらの鉱物はそれぞれ、カリウム含有量、溶融物中の Rb と K の濃度、鉱物が形成された温度に応じて、ルビジウム/ストロンチウムの初期比率が異なります。ルビジウムは、溶融物中の濃度に比例した速度で鉱物の格子内でカリウムと置換します。

ボーエンの反応系列による理想的なシナリオでは、花崗岩の溶融物が斜長石と角閃石の集積集合体（すなわち、トーナル岩または閃緑岩）の結晶化を開始し、 K （したがってRb）は低いがSr（Caの代わりとなるため）は高く、それに比例して溶融物のKとRbが豊富になる。次に、Rbが代わりとなるKに富む鉱物である正長石と黒雲母が沈殿する。結果として、岩石全体とその構成鉱物の両方におけるRb-Sr比とRbとSrの存在量は著しく異なる。したがって、時間の経過とともに、個々の岩石とその構成鉱物で放射性Srの異なる速度で進化することが可能になる。

サンプルの年代は、元のサンプルの異なる部分から採取した複数のサブサンプル内の複数の鉱物を分析することで決定されます。各サブサンプルの⁸⁷ Sr/ ^{86 Sr 比は、}アイソクロンと呼ばれるグラフ上で⁸⁷ Rb/ ⁸⁶ Sr 比に対してプロットされます。これらが直線を形成する場合、サブサンプルは一貫しており、年代はおそらく信頼できるものとなります。直線の傾きによってサンプルの年代が決まります。

放射性崩壊の普遍法則と次のルビジウムのベータ崩壊:を仮定すると、ルビジウム 87 の崩壊からストロンチウム 87 の成長を記述する式が得られます。はルビジウムの崩壊定数です。さらに、 の数は安定しており放射性ではないため、定数と 見なします。したがって、は等時方程式です。鉱物中のルビジウムとストロンチウムの濃度を測定した後、サンプルの年齢、t 値を簡単に決定できます。^[4]${\displaystyle {\ce {^{87}_{37}Rb->[{\beta ^{-}}]~_{38}^{87}Sr~+e^{-}\ +{\bar {\nu }}_{e}}}}$$${\displaystyle _{38}^{87}{\text{Sr}}(t)=~_{38}^{87}{\text{Sr}}(0)+~_{37}^{87}{\text{Rb}}(e^{\lambda t}-1)\ ,}$$${\displaystyle {\ce {\lambda}}}$${\displaystyle {\ce {^{86}_{38}Sr}}}$$${\displaystyle {\frac {^{87}{\text{Sr}}}{^{86}{\text{Sr}}}}=\left({\frac {^{87}{\text{Sr}}}{^{86}{\text{Sr}}}}\right)_{0}+{\frac {^{87}{\text{Rb}}}{^{86}{\text{Sr}}}}(e^{\lambda t}-1)}$$

Rb-Sr 年代測定は、鉱物または全岩石サンプルの Rb-Sr 比を正しく測定し、鉱物または全岩石サンプルの 正確な⁸⁷ Sr/ ^{86 Sr 比を導き出すことに依存します。}

Rb-Sr 年代が岩石の配置または形成の時期を表すと考えられるようになるには、いくつかの前提条件を満たす必要があります。

• システムは、岩石が形成された時点、または閉鎖温度（一般に 650 °C と考えられている）以下に低下した時点から、Rb および Sr の拡散に対して閉じた状態のままであったに違いありません。
• 等時線を構成するために岩石から採取された鉱物は、互いに化学平衡を保って形成されていなければならない。堆積物の場合には、同時に堆積されていなければならない。
• この岩石は、熱的にも化学的にもRb-Sr系を乱すような交代作用を受けていないはずである。

Rb と Sr を使用して放射年代を導き出すことの大きな欠点の 1 つ (そして逆に最も重要な用途) は、特に熱水中でのそれらの相対的な移動性です。Rb と Sr は比較的移動性の高いアルカリ元素であるため、変成作用やマグマ作用の際に存在する高温の、多くの場合炭酸化された熱水によって比較的簡単に移動されます。

逆に、これらの流体は岩石を交代作用で変化させ、岩石に新しい Rb と Sr を導入することもあります (通常はカリウム変質または石灰変質 (曹長石化) 中に発生します)。その後、Rb-Sr を変質した鉱物学に使用して、この変質の時期を測定できますが、岩石が形成された日付は測定できません。

したがって、結果に年代の重要性を割り当てるには、岩石の交代作用と熱履歴、変成作用、および流体の動きの証拠を研究する必要があります。他の地質年代計と異なる Rb-Sr 年代は役に立たないわけではなく、岩石の形成年代を表さないイベントに関するデータを提供している可能性があります。

Rb-Sr 年代測定法は、地球や月の岩石、隕石の年代測定に広く使用されています。Sr の初期量がわかっているか、推定できる場合は、Rb と Sr の濃度と⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr 比を測定することで年代を決定できます。この年代は、岩石がその後変化していない場合にのみ、鉱物の真の年代を示します。

同位体追跡における重要な概念は、風化反応によって鉱物から生成された Sr は、鉱物と同じ⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr を持つということです。これは地球上の岩石では潜在的な誤差源となりますが、月の岩石や隕石では化学的な風化反応が起こらないため、無関係です。

初期の⁸⁷ Sr/ ^{86 Sr 比率は}考古学、法医学、古生物学において有用なツールです。骨格、貝殻、粘土の遺物の⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr は、それらが形成された、または生物が生息していた原岩と直接比較できるからです。したがって、現在の⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr 比率 (および多くの場合¹⁴³ Nd- ¹⁴⁴ Nd 比率) を測定することで、物体または骨格の地質学的特徴を測定でき、移動パターンを判定できます。

ストロンチウム同位体層序学は、海水の⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr 比の経時的変化に基づいています。^[5] Sr 同位体層序学の適用は、一般的に、Sr 海水曲線が明確に定義されている炭酸塩サンプルに限定されます。これは新生代のタイムスケールではよく知られていますが、中生代以前の炭酸塩シーケンスの保存状態が悪いため、古いシーケンスについては完全には理解されていません。古いシーケンスでは、続成作用による変化と、他の地質年代計 (たとえばU-Th ) との重複がないため絶対年代を推定する際の不確実性が増し、Sr 同位体海水曲線の正確な形状の不確実性が大きくなります。^[6]

• 放射年代測定

• Jacobsen, SB; Wills, J.; Yin, Q. (1997). 海水同位体記録、地殻進化、テクトニクス、大気進化(PDF) 。第 7 回 VM Goldschmidt カンファレンス。アリゾナ州ツーソン。pp. 103–104。2022年 10 月 9 日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。
• 「周期表 - ストロンチウム」。同位体に関するリソース。USGS。2004年1月。 2016年11月10日閲覧。
• Attendorn, H.-G.; Bowen, RNC (1997). 「ルビジウム-ストロンチウム年代測定」.放射性および安定同位体地質学. pp. 159–191. doi :10.1007/978-94-011-5840-4_7. ISBN 978-94-010-6467-5。
• Walther, John Victor (2009)。「ルビジウム-ストロンチウム系統学」。地球化学の基礎。Jones & Bartlett Learning。pp. 383–385。ISBN 978-0-7637-5922-3。

ウィキメディア・コモンズには、 Rb-Sr 年代測定に関連するメディアがあります。

ウィキブック歴史地質学には、 Rb-Sr年代測定に関するページがあります。

• CSIRO 石油 – 地球規模の Sr 海水同位体の進化