キセノン同位体地球化学

キセノン同位体地球化学では、キセノン（Xe）同位体の存在量と総キセノンを用いて、惑星系内でXeがどのように生成、輸送、分別、分布してきたかを調べます。Xeには、9つの安定または非常に長寿命の同位体があります。放射性 ¹²⁹ Xeと核分裂性 ^{131、132、134、136 Xe同位体は、地球}化学研究で特に興味深いものです。^[1]放射性および核分裂性の特性は、地球の初期の年代学を解読する際に使用できます。^{[2] [3]}大気中の元素Xeは、推定される太陽存在量と比較して、より重い同位体が枯渇し、同位体が濃縮されています。^[1]この枯渇と重い同位体の濃縮は、地球の初期の大気で発生した宇宙への流体力学的脱出によって説明できます。深部マントル（海洋島玄武岩、OIB）、浅い中央海嶺玄武岩（MORB ）、および大気の間の Xe 同位体分布の違いは、地球の形成の歴史と固体地球の層への分化を推測するために使用できます。

Xeは地球の大気中で最も重い希ガスです。安定同位体が 7 つ( ¹²⁶ Xe、¹²⁸ Xe、¹²⁹ Xe、¹³⁰ Xe、¹³¹ Xe、¹³² Xe、¹³⁴ Xe)、半減期が長い同位体が 2 つ ( ¹²⁴ Xe、¹³⁶ Xe)あります。Xe には半減期が非常に短く、通常は 1 か月未満である 4 つの合成放射性同位体があります。キセノン 129 は地球の初期の歴史を調べるために使用できます。129 Xe^は、ヨウ素の絶滅核種であるヨウ素 129または¹²⁹ I (半減期は 1,570万年、Myr) から生成され、ヨウ素キセノン (I-Xe) 年代測定に使用できます。¹²⁹ Xeの生成は、太陽系が始まってから約1億年以内に停止しました。これは、^{129 Iが絶滅したためです。 [1]}現代の大気では、大気中の¹²⁹ Xeの約6.8% ^[4]は、太陽系の歴史の最初の約1億年、つまり地球の集積中および直後に起こった¹²⁹ Iの崩壊に由来しています。

核分裂性Xe 同位体は、主に絶滅した核種であるプルトニウム 244または²⁴⁴ Pu (半減期 80 Myr) と、現存する核種であるウラン 238または²³⁸ U (半減期 4468 Myr)から生成されました^。238 Uの自発核分裂では、 ²⁴⁴ Puの約 5% ^[5]の核分裂性 Xeが生成されました。Pu と U の核分裂では、4 つの核分裂性同位体¹³⁶ Xe、¹³⁴ Xe、¹³² Xe、¹³¹ Xe がそれぞれ異なる割合で生成されます。地球の歴史を通じて完全に閉鎖系のままである貯蔵庫では、Pu 由来の核分裂性 Xe と U 由来の核分裂性 Xe の比率が約 27 に達します。^[6]したがって、閉鎖系リザーバーの核分裂原性Xeの同位体組成は、純粋な²⁴⁴ Puの核分裂から生成されるものとほぼ同様になります。^{[7] 244} Puが消滅した後（5億年）にリザーバーからXeが失われると、核分裂原性Xeへの²³⁸ U核分裂の寄与が大きくなります。^[1]

天然サンプル間の同位体存在比の差は極めて小さい（ほとんどの場合 0.1% または 1パーミル未満）。それでも、これらの非常に小さな差は意味のある地質学的プロセスを記録することがあります。^[8]これらの小さいが意味のある差を比較するために、天然物質の同位体存在比は、指定された標準物質の同位体存在比と比較してデルタ（δ）表記で報告されることがよくあります。Xe 同位体の絶対値は、大気中の¹³⁰ Xe に対して正規化されています。^[9]定義します。ここで、i = 124、126、128、129、131、132、134、136。 ${\displaystyle {\rm {\delta _{Xe}=[(^{i}Xe/^{130}Xe)_{sample}/(^{i}Xe/^{130}Xe)_{atm} -1]\1000 倍}}}$

ヨウ素 129 は半減期 1570 万年で¹²⁹ Xe に崩壊し、その結果、原始隕石中の^{129 Xe は原始 Xe 同位体組成に比べて過剰になります。 129} Iの特性は放射年代測定に使用できます。ただし、以下に詳述するように、地球の形成年代は I-Xe 年代測定から直接推定することはできません。主な問題は、Xe 閉鎖時間、つまり初期地球システムが宇宙から大量の新しい物質を獲得しなくなった時間です。地球が I-Xe システムに対して閉鎖的になると、Xe 同位体の進化は以下に示すように単純な放射性崩壊法則に従い始め、予測可能になりました。

放射性年代学の原理は、^[5]時刻 t ₁における放射性同位体の量が P ₁であり、それより前の時刻ではこの量が P ₀であった場合、 t ₁と t ₀の間の間隔は放射性崩壊の法則によって次のように表される。

${\displaystyle {\rm {\Delta t=t_{1}-t_{0}=(1/\lambda )ln(P_{0}/P​​_{1})}}}$

ここで、放射性同位元素の崩壊定数は、単位時間当たりの原子核あたりの崩壊確率である。崩壊​​定数は半減期t _1/2と関連しており、t _1/2 = ln(2)/${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle \lambda}$

I-Xeシステムは1975年に地球の年齢を推定するために初めて適用されました。^[10]すべてのXe同位体について、地球のヨウ素の初期同位体組成は次のように与えられます。

${\displaystyle {\rm {({\frac {^{129}I}{^{127}I}})_{E}=({\frac {^{129}I}{^{127}I}})_{0}e^{-\lambda \Delta t_{E}}}}}$ ここで、は地球が最初に形成されたときのヨウ素同位体比、は恒星内元素合成終了時のヨウ素同位体比、は恒星内元素合成終了から地球形成までの時間間隔です。地球全体（BSE）（地殻＋マントル平均）中のヨウ素127の推定濃度は、質量で7～10 ppbです。^{[11] [12]} BSEが地球の化学組成を表す場合、^{[2] BSE中のヨウ素127の}総量は2.26×10 ¹⁷～3.23×10 ¹⁷モルになります。ビュルボレ隕石は45.6億年前の隕石であり^[13]、初期の¹²⁹ I/ ¹²⁷ I比は1.1×10 ^{−4 [14]}であるため、 次の式が導かれる。 ${\displaystyle {\rm {({\frac {^{129}I}{^{127}I}})_{E}}}}$${\displaystyle {\rm {({\frac {^{129}I}{^{127}I}})_{0}}}}$${\displaystyle {\rm {\Delta t_{E}}}}$

${\displaystyle {\rm {({\frac {^{129}I}{^{127}I}})_{E}=({\frac {^{129}I}{^{127}I}})_{B}e^{-\lambda (\Delta t_{E}-\Delta t_{B})}}}}$

ここで、は地球の形成からビュルボレ隕石の形成までの期間です。129 ^Iの半減期が15.7 Myr であり、最初の^{129 I がすべて129} Xeに崩壊したと仮定すると、次の式が導かれます。 ${\displaystyle {\rm {\Delta t_{E}-\Delta t_{B}}}}$

${\displaystyle {\rm {\Delta t_{E}-\Delta t_{B}={\frac {1}{\lambda }}ln({\frac {(^{129}I/^{127}I)_{B}}{(^{129}I/^{127}I)_{E}}})={\frac {1}{\lambda }}ln({\frac {(^{129}I/^{127}I)_{B}}{(^{129}Xe/^{127}I)_{BSE}}})}}}$

現代の大気中の^{129 Xe は 3.63×10 13}グラムです。BSE のヨウ素含有量は質量で 10 ～ 12 ppb です。したがって、108 Myr であるはずです。^{[2] [3] [10]}つまり、Xe 閉鎖年代は Bjurböle 隕石の年代より 108 Myr 若いです。推定される Xe 閉鎖時期は、成長中の地球が大気中に Xe を保持し始めた約 44.5 億年前であり、これは他の地質年代測定法から得られた年代と一致しています。^{[2] [3] [15]}${\displaystyle {\rm {\Delta t_{E}-\Delta t_{B}}}}$

I-Xe年代測定法を使用してXe閉鎖時間を推定することについては、いくつかの論争がある。第一に、初期の太陽系では、微惑星が衝突してより大きな天体に成長し、それが集まって地球を形成した。しかし、地球の内部と外部の領域では、Xe閉鎖時間に10 ⁷～ 10 ^{8年の差がある可能性がある。 [16]}一部の研究では、4.45 Gaはおそらく最後の巨大衝突体（火星サイズ）が地球に衝突した時間を表すと支持されているが、^{[3]一部の研究では、それを}コアマントル分化の時期と見なしている。^[2] 2つ目の問題は、下部マントルが完全に混合されていなかったため、地球上の¹²⁹ Xeの総量は大気よりも大きい可能性があり、計算で¹²⁹ Xeが過小評価される可能性があることである。最後に、もし地球の初期の歴史の長い期間にXeガスが大気から失われていなかったら、¹²⁹ Xeと¹²⁷ Xeが大きく変わる可能性があるため、 ¹²⁹ I- ¹²⁹ Xeに基づく年代記を修正する必要があるだろう^[17]。

太陽のキセノンと比較すると、地球の大気中のキセノンは、原子質量単位（amu）あたり3〜4％重い同位体に富んでいます。^[18]しかし、キセノンガスの総存在量は、他の希ガスに比べて1桁少なくなっています。^[15]重い同位体が相対的に濃縮されている間に元素が減少することは、「キセノンパラドックス」と呼ばれています。考えられる説明としては、いくつかのプロセスにより、他の軽い希ガス（例：クリプトン）よりもキセノンが特異的に減少し、より軽いキセノン同位体が優先的に除去される 可能性があるということです。

過去 20 年間で、キセノン パラドックスを解決するために 2 つのカテゴリのモデルが提案されました。1 つ目は、地球が多孔質の微惑星から集積し、重力分離によって同位体分離が起こったと仮定するものです。^[19]しかし、このモデルでは、大気中の軽い希ガスの存在量と同位体組成を再現できません。2 つ目のカテゴリは、大規模な衝突により重いガスに空気抵抗が生じたと想定しています。^[20]空気抵抗と下向きの重力効果の両方により、Xe ガスの質量依存損失が発生します。しかし、その後の研究により、Xe 同位体の質量分離は急速な単一のイベントではないことが示唆されました。^[21]

2018 年以降に発表された、太古代（35～30 億年前）のサンプルに保存された希ガスに関する研究は、Xe パラドックスの解決策を提供する可能性があります。^{[21] [22]}同位体質量分別された Xe は、太古代の重晶石^[23]や熱水性石英[ ^24]に含まれる古代の海水の微細な包有物に含まれています。Xe 同位体の分布は、原始太陽と現代の大気中の Xe 同位体パターンの中間にあります。同位体分別は、地球が誕生してから最初の 20 億年間にわたって進化するにつれて、太陽​​の分布に比べて徐々に増加しています。 ^[21]この 20 億年にわたる Xe 分別進化の歴史は、太陽の極端紫外線 ( EUV ) の高放射^{[15] [25] [26]}や、キセノンを引きずり出すほどの大きな衝突など、初期の太陽系の状況と一致しています。しかし、中性キセノン原子の放出モデルでは、他のより軽い希ガス元素が枯渇や質量依存の分別を示さないという問題を解決できない。例えば、KrはXeよりも軽いため、Krも中性風で放出されるはずである。しかし、地球上の大気中のKrの同位体分布は、大気中のXeよりも分別が著しく少ない。^[16]

現在説明されている^{[28] [29]}は、流体力学的脱出により、中性原子の代わりに荷電イオンの形で、より軽い大気種とXeのより軽い同位体が優先的に除去されるというものである。水素は、初期の地球大気中の光分解によって水素含有ガス（H ₂またはCH ₄）から解放される。水素は軽いため、大気圏の上部に豊富に存在し、脱出することができる。磁力線が開いている極地では、中性Xeは脱出できないが、水素イオンはイオン化したXeを大気圏から宇宙に引きずり出すことができる。^[27]

そのメカニズムは以下のようにまとめられます。

^Xeは[28]の範囲の紫外線によって直接光イオン化される。${\displaystyle 91.2\ {\rm {{nm}}}$

${\displaystyle {\rm {Xe+hv\rightarrow Xe^{+}+e^{-}}}}$

_{あるいは、XeはH 2}およびCO ₂と交換反応し てイオン化される。

${\displaystyle {\rm {CO_{2}^{+}+Xe\rightarrow CO_{2}+Xe^{+}}}}$

${\displaystyle {\rm {H_{2}^{+}+Xe\rightarrow HXe^{+}+H}}}$

ここで、H ⁺と CO ₂ ^{+ は}EUV 分解から生じます。Xe ^{+ は}H、H ₂、または CO ₂大気中では化学的に不活性です。^[30]その結果、Xe ^{+ は持続する傾向があります。これらのイオンは}クーロン力によって互いに強く相互作用し、最終的には強い古代の極風によって引きずり出されます。Xe ⁺のより軽い同位体が優先的に地球から逃げるため、同位体質量分率が蓄積します 。予備モデルでは、始生代に大気に 1% を超える H ₂または 0.5% を超えるメタンが含まれている場合、Xe が逃げることができることが示唆されています。^[28]

大気中のO2濃度が上昇すると、Xe ₊は^O2_と正電荷を交換できるが[ ^30]

${\displaystyle {\rm {Xe^{+}+O_{2}\rightarrow Xe+O_{2}^{+}}}}$

この反応から、大気中の酸素濃度が上昇すると、Xeの漏出は止まりました_。その結果、Xe同位体の分別は、大酸化イベント（GOE）で終わった水素漏出の長い歴史についての洞察を与えてくれるかもしれません。^[28] Xe同位体を理解することは、地球を不可逆的に酸化させ、生物の進化を好気性生態系へと導いた水素やメタンの漏出の歴史を再構築することに期待が持てます。^{[21] [31] [32]}水素（またはメタン）濃度が低くなりすぎたり、老化した太陽からのEUV放射が弱くなりすぎたりするなどの他の要因も、Xeの流体力学的漏出を止めることができますが、^[28]相互に排他的ではありません。

太古代の地球上の有機物によるもやも、同位体的に重いXeを捕捉する可能性がある。^[25]イオン化されたXeは化学的に有機物に組み込まれ、^[33]地表で地球の風化サイクルを経る。捕捉されたXeは、より重い同位体で約1％/amuに質量分別されるが^[28]、再び放出されて元の分別されていない組成に戻る可能性があり、Xeパラドックスを完全に解決するには不十分である。

観測された大気中のXeは、コンドライト隕石に比べてKrに比べて4～20倍減少している。^{[27]対照的に、Krの安定同位体はほとんど分離されていない。このメカニズムは、Kr +}イオンが^[34]を介してすぐに中和されるため、Xeに特有である。

${\displaystyle {\rm {Kr^{+}+H_{2}\rightarrow KrH^{+}+H}}}$

${\displaystyle {\rm {KrH^{+}+e^{-}\rightarrow Kr+H}}}$

そのため、Kr は急速に中性状態に戻り、極域の荷電イオン風に引きずられることなく、大気中に保持されます。

MIF-S として知られる質量非依存の硫黄同位体分別信号は、Xe 同位体分別の終焉と相関している。大酸化イベント(GOE) の間、O ₂が上昇したときにオゾン層が形成され、MIF-S の特徴が終焉した。MIF-S 信号の消失は、地球表面の貯留層の酸化還元比を変化させたと考えられてきた。^{[35] [36]}しかし、酸化風化による MIF-S の潜在的な記憶効果は、GOE のプロセスと年代に大きな不確実性をもたらす可能性がある。^{[37] MIF-S 信号と比較して、Xe の流体力学的逃避はオゾン形成の影響を受けず、O} _{2 の}利用可能性にさらに敏感である可能性があり、^[32]地球の酸化の歴史についてより詳細な情報を提供できる可能性がある。^[32]

Xe同位体は、地球の進化におけるマントルのダイナミクスを追跡する上でも有望です。陸上サンプル中の大気以外のXeが初めて明確に認識されたのは、ニューメキシコ州のCO2井戸ガスの分析によるもので_、 129 I由来または原始起源の129 Xeの過剰と^、 238 ^Uの崩壊による^131-136 Xeの高含有量を示しました。 ^[38]現在、¹²⁹ Xeと^{131-136 Xeの過剰は、中央海嶺玄武岩（MORB） [39] [40] [41]}と海洋島玄武岩（OIB）で広く観測されています。^{[42] 136} Xeは他の重いXe同位体よりも核分裂の寄与が大きいため、異なるマントル源のXe同位体の傾向を議論する際には、通常、 ¹²⁹ Xe（¹²⁹ Iの崩壊）と^{136 Xeを130 Xeに正規化します。 [11]} MORBの¹²⁹ Xe/ ¹³⁰ Xeと¹³⁶ Xe/ ¹³⁰ Xe比は、大気比からより高い値に向かう傾向にあり^[39]、空気によって汚染されているように見えます。海洋島玄武岩（OIB）のデータはMORBよりも低く、OIBとMORBのXe源が異なることを示唆しています。^[42]

^{空気とMORBの129} Xe/ ¹³⁰ Xe比の偏差は、 ¹²⁹ Iが絶滅する前にマントルの脱ガスが起こったことを示している。そうでなければ、空気中の¹²⁹ Xe/ ¹³⁰ Xeはマントルと同じになるはずである。^{[45] [46] MORBとOIBの129} Xe/ ¹³⁰ Xe比の違いは、マントルのリザーバーがまだ完全に混合されていないことを示しているのかもしれない。OIBとMORBの化学的違いはまだ発見されていない。^[11]

マントルのXe同位体比を得るには、25億年前より前から始まっている可能性のある大気中のXeによる汚染を除去する必要がある。^{[47] [48]}理論的には、空気とマントルのわずかな違いを正確に測定できれば、多くの非放射性同位体比（¹²⁴ Xe/ ¹³⁰ Xe、¹²⁶ Xe/ ¹³⁰ Xe、¹²⁸ Xe/ ¹³⁰ Xe）を使用して大気汚染を正確に補正できる。しかし、現在の技術ではそのような精度には達していない。^[11]

火星では、現在の大気中の Xe 同位体は、火星のゲールクレーターでのキュリオシティローバーの現場測定から、原始的な組成に比べて質量分別されている。 ^{[49]火星の}レゴリス角礫岩NWA 11220に閉じ込められた古大気の Xe は、太陽の Xe に比べて質量依存的に約 16.2 ‰ 分別されている。^[29]分別範囲は火星と地球で同程度であり、これは火星の歴史において流体力学的脱出も起こったという説得力のある証拠である可能性がある。レゴリス角礫岩NWA7084と4 Ga を超える斜方輝石ALH84001火星隕石は、現代の火星大気の Xe に比べて Xe 同位体分別がほとんどないかまったくない状態で、古代の火星大気ガスを閉じ込めている。^[50]火星の代替モデルでは、火星大気中のXeの同位体分離と放出は、惑星の歴史の非常に初期に起こり、進化の歴史を通じて継続するのではなく、惑星形成後数億年で停止したと考えられています^{[21] [51]}

金星の大気中ではXeは検出されていない。132 Xeの上限は体積で10ppbである。^{[51] [ 52]} Xeの存在量に関するデータがないため、Xeの存在量が太陽の値に近いのか、金星にXeパラドックスがあるのか​​どうかを評価することができない。また、データがないため、地球や火星の場合のように同位体組成が質量依存的に分別されているかどうかを確認することもできない。

木星の大気中のキセノンの濃度は太陽の2.5±0.5倍で、アルゴンとクリプトンの濃度も同様に高い（それぞれ太陽の2.1±0.5倍と2.7±0.5倍）。これらの元素が非常に低温（T<30K）の氷の微惑星の形で木星にやってくるため、濃度が高くなっていることが示唆されている。^[53]

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