ウラン鉛年代測定

ウラン鉛年代測定法（略称U-Pb年代測定法）は、放射年代測定法の中でも最も古く^[1]、最も洗練された方法の一つです。この方法により、約100万年前から45億年以上前に形成・結晶化した岩石の年代を、0.1～1パーセントの範囲の精度で測定することができます。^{[2] [3]}

この方法は通常、ジルコンに適用されます。この鉱物は、ウランとトリウムの 原子を結晶構造に組み込みますが、形成時に鉛を強く拒絶します。その結果、新しく形成されたジルコン結晶には鉛が含まれず、鉱物に含まれる鉛はすべて放射性鉛であることを意味します。ウランが鉛に崩壊する正確な速度はわかっているので、鉱物のサンプルに含まれる鉛とウランの現在の比率を使用して、その年代を確実に判定できます。

この方法は、半減期が44億7000万年のウラン238Uから206Pbまでの崩壊系列と、半減^期が⁷億1000万年のアクチニウム^235Uから^207Pbまでの崩壊系列という2つの異なる崩壊系列に依存しています。

ウランは一連のアルファ崩壊とベータ崩壊を経て鉛に崩壊するが、²³⁸ Uとその娘核種は合計8回のアルファ崩壊と6回のベータ崩壊を起こすのに対し、²³⁵ Uとその娘核種は7回のアルファ崩壊と4回のベータ崩壊しか起こさない。^[4]

2 つの「並行した」ウラン-鉛崩壊経路 ( ²³⁸ U から²⁰⁶ Pb と²³⁵ U から^{207 Pb) が存在するため、U-Pb システム全体の中で複数の実行可能な年代測定技術が生まれます。U} -Pb 年代測定という用語は通常、「コンコルディア図」で両方の崩壊方式を組み合わせて使用​​することを意味します (以下を参照)。

ただし、単一の崩壊スキーム (通常は²³⁸ U から^{206 Pb) を使用すると、}ルビジウム - ストロンチウム年代測定法に類似した U - Pb アイソクロン年代測定法が得られます。

最後に、U-Pb 系では、Pb 同位体比のみを分析することでも年代を判定できます。これは鉛-鉛年代測定法と呼ばれます。ウラン-鉛放射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、この方法を使用して、1956 年に地球の年齢を 4.550Gy ± 70My と推定しました。この数字は、それ以来ほとんど反駁されていません。

ジルコン(ZrSiO ₄ ) が最も一般的に使用されますが、モナザイト(モナザイト地質年代学を参照)、チタン石、バデレイ石などの他の鉱物も使用できます。

ウランやトリウムを含むジルコンなどの結晶が入手できない場合、ウラン鉛年代測定法は方解石/アラゴナイトやその他の炭酸塩鉱物などの他の鉱物にも適用されています。これらの種類の鉱物は、通常、年代測定に伝統的に使用される火成岩や変成岩よりも精度の低い年代値を示しますが、地質学的記録ではより一般的に入手できます。

アルファ崩壊の過程で、ジルコン結晶は各アルファ崩壊に伴う放射線損傷を受けます。この損傷は親同位体 (U および Th) の周囲に最も集中し、娘同位体(Pb) をジルコン格子内の元の位置から追い出します。

親同位体の濃度が高い領域では、結晶格子の損傷が非常に広範囲に及び、多くの場合相互接続されて放射線損傷領域のネットワークを形成します。^{[4]結晶内の} 核分裂飛跡と微小亀裂により、この放射線損傷ネットワークがさらに拡大します。

これらの核分裂トラックは結晶の奥深くで導管として機能し、ジルコン結晶から鉛同位体が浸出するのを促進する輸送手段を提供します。^[5]

外部環境からの鉛の損失や増加が発生していない状況では、ウランの 指数関数的減衰を仮定してジルコンの年代を計算することができます。

${\displaystyle N_{\mathrm {n} }=N_{\mathrm {o} }e^{-\lambda t}\,}$

どこ

• ${\displaystyle N_{\mathrm {n} }=\mathrm {U} }$現在測定されているウラン原子の数です。
• ${\displaystyle N_{\mathrm {o} }}$元々のウラン原子の数であり、現在測定されているウラン原子と鉛原子の合計に等しい。${\displaystyle \mathrm {U} +\mathrm {Pb} }$
• ${\displaystyle \lambda =\lambda _{\mathrm {U} }}$ウランの崩壊率です。
• ${\displaystyle t}$決定したいジルコンの年代です。

これにより

${\displaystyle \mathrm {U} =\left(\mathrm {U} +\mathrm {Pb} \right)e^{-\lambda _{\mathrm {U} }t},}$

これは次のように書ける。

${\displaystyle {{\mathrm {Pb} } \over {\mathrm {U} }}=e^{\lambda _{\mathrm {U} }t}-1.}$

ウランと鉛のより一般的に使用される崩壊系列は、次の式で表されます。

（この文脈で時々使用される表記 は、放射性鉛を指します。ジルコンの場合、元々の鉛含有量はゼロと仮定でき、表記は無視できます。）これらは、一致する年代（各式1および2のt）を生み出すと言われています。一連の時間間隔にわたってプロットされたこれらの一致する年代は、一致する線をもたらします。^[6]${\displaystyle {\text{Pb}}^{*}}$

サンプルから鉛が失われると（漏出すると）、各崩壊方式で決定された年代に食い違いが生じます。この効果は不一致と呼ばれ、図 1 に示されています。一連のジルコン サンプルが異なる量の鉛を失った場合、サンプルは不一致の線を生成します。一致線と不一致線の上側切片は元の形成年代を反映し、下側切片は開放系の動作、つまり鉛の損失につながったイベントの年代を反映します。ただし、下側切片の年代の意味については意見の相違があります。^[6]

損傷を受けていないジルコンは、ウランとトリウムの放射性崩壊によって生成された鉛を非常に高い温度（約 900 °C）まで保持しますが、非常に高いウラン濃度のゾーン内で蓄積された放射線損傷により、この温度が大幅に低下することがあります。ジルコンは化学的に非常に不活性で、機械的風化に耐性があります。これは地質年代学者にとっては喜ばしいことでもあり、ゾーンまたは結晶全体が元のウラン-鉛の年代を保ったまま母岩の溶融を生き延びることができるためです。したがって、長く複雑な歴史を持つジルコン結晶には、劇的に異なる年代のゾーン（通常、最も古いゾーンがコアを形成し、最も新しいゾーンが結晶の縁を形成します）が含まれる可能性があり、「継承された特性」を示すと言われています。このような複雑さ（鉛の最大保持温度に応じて、他の鉱物にも存在する可能性があります）を解明するには、通常、イオンマイクロプローブ（SIMS）またはレーザーICP-MSを使用したin situマイクロビーム分析が必要です。

ウィキブック歴史地質学には、その他の等時法に関するページがあります。

ウィキブック歴史地質学には、 U-Pb、Pb-Pb、核分裂トラック年代測定に関するページがあります。