その誕生から現(xiàn)在まで、火山活動(dòng)や地震といった様々な現(xiàn)象を通して地球は変化してきました。この変化の過程で、地球の內(nèi)部にあった物質(zhì)が表層部に移動(dòng)し、移動(dòng)の過程で様々な化學(xué)反応をしながら現(xiàn)在の地球へと変わってきました。地球科學(xué) (Earth Science) のなかでも、特に地球化學(xué) (Geochemistry) と巖石學(xué)を?qū)熼Tとする秋田大學(xué)大學(xué)院　理工學(xué)研究科の福山 繭子 準(zhǔn)教授に、その研究について伺いました。

「地球の姿が過去から現(xiàn)在に変わってきたプロセスを研究しています。地球がダイナミックに変わってきたことがわかり、非常におもしろいと感じます」と、地球科學(xué)の研究の魅力を話す福山準(zhǔn)教授。地球は、表層部でプレートが誕生し、地下深くに沈み込むというサイクルの中で変化してきました。プレートが沈み込むと、深い場(chǎng)所で溫度や圧力が高くなり、流體が放出されます。その流體が周辺の巖石を変化させ、巖石が溶けた場(chǎng)合はマグマとなり、それが火山となります。これらが一連のプロセスとなっていますが、流體がどのように連続的に作用し、こうした現(xiàn)象が起こるのかはまだよく分かっていません。そして、このようにして地球が変わっていくプロセスには元素の挙動(dòng)が関わっています。ある元素は流體に入り込みやすかったり、別の元素は巖石に入りやすかったりなど、様々な挙動(dòng)を示します。様々な挙動(dòng)により、元素が地球の內(nèi)部から表層へと移動(dòng)し、その過程で化學(xué)反応をすることで、現(xiàn)在の地球の姿になっているのです。

地球化學(xué)研究の課題

地球化學(xué)とは、地球を構(gòu)成する物質(zhì)について化學(xué)的な手法を用いて研究する分野です。地球化學(xué)では巖石などの実物を元に研究を進(jìn)めることができますが、それでも大きな制約があります。それは、人間は地球の內(nèi)部には行けないということです。地球全體の変遷を解き明かしたいのに、その手掛かりは地球表層で手に入る物質(zhì)だけ。福山準(zhǔn)教授は「限られた手掛かりから地球の変化のプロセスを解明するためには、化學(xué)分析が非常に大切となります。いかに正確で、高精度な分析ができるかが課題です」と話しています。

過去の地球の姿の変遷を理解するうえで役に立つのが、巖石のできた年代です。巖石がいつできたのかを理解するために広く用いられる方法として、「U-Pb（ウラン-鉛）年代測(cè)定」という手法があります。これは、ウランから鉛への放射壊変による半減期を元に、年代を測(cè)定する手法です。

多くの場(chǎng)合、年代測(cè)定には、ウランが含まれるジルコンという鉱物が使われます。ジルコンは様々な巖石に含まれている鉱物ですが、すべての巖石に含まれているわけではありません。たとえば、鉱石や斷層の石にはジルコンが含まれていないのが一般的です。鉱床や斷層ができた時(shí)期を特定する場(chǎng)合には、鉱床や斷層の巖石のジルコンを使うことはできません。そのため、従來は、鉱床などの周辺にある、ジルコンを含む他の巖石を用いて年代測(cè)定を行っていました。より直接的に鉱床などの年代測(cè)定を行うことを目指して、近年、方解石（ほうかいせき）や柘榴石（ざくろいし）など、別の鉱物を使ったU-Pb年代測(cè)定法の開発が進(jìn)められています。福山準(zhǔn)教授も柘榴石を使ったU-Pb年代測(cè)定の手法開発に取り組んでおり、2023年に論文として発表しています。同様の研究?手法開発に取り組んでいる機(jī)関は他にもあるものの、局所分析やチューニング?補(bǔ)正など、様々なノウハウが必要であり、どの機(jī)関でも當(dāng)たり前のように分析できる手法ではないと言います。福山準(zhǔn)教授は「この研究について、海外の研究者からも問い合わせがきます」と話しています。

釜石鉱山の巖石。釜石鉱山は、かつては良質(zhì)な鉄鉱石の鉱山として知られた

鉱物を分析する際には、レーザーアブレーションという技術(shù)を使って局所分析を行います。分析には標(biāo)準(zhǔn)試料が必要です。ジルコンについては、長(zhǎng)年、世界的に標(biāo)準(zhǔn)試料が作られてきましたが、その他の鉱物試料のなかには、標(biāo)準(zhǔn)試料がないことも多々あります。レーザーで分析をする場(chǎng)合、自分の分析したいサンプルにあった標(biāo)準(zhǔn)試料が必要であり、標(biāo)準(zhǔn)試料に含まれる様々な成分（マトリックス）が異なると、分析結(jié)果にも影響を與えることがあります。そこで福山準(zhǔn)教授は、均質(zhì)でかつ濃度が適當(dāng)な鉱物を探し出し、そのデータを測(cè)定するとともに、他の複數(shù)の機(jī)関でも測(cè)定を行ってもらい、標(biāo)準(zhǔn)値の値付けをしていくなど、自ら標(biāo)準(zhǔn)試料を作り出すことでこの課題を克服しようとしています。

レーザーアブレーションで必要な標(biāo)準(zhǔn)試料。自ら標(biāo)準(zhǔn)試料を作ることもあると言います。

年代測(cè)定法や巖石中の微量元素分析に欠かせない分析機(jī)器とは

U-Pb年代測(cè)定法や、巖石中の微量元素分析など、福山準(zhǔn)教授の研究に欠かせない分析裝置の1つがICP-MS （誘導(dǎo)結(jié)合プラズマ質(zhì)量分析計(jì)）です。秋田大學(xué)著任前は磁場(chǎng)型のICP-MSを中心に使用しており、四重極型ICP-MSの使用経験はほとんどなかった福山準(zhǔn)教授ですが、現(xiàn)在では四重極型ICP-MSも研究に欠かせない裝置となっています。「巖石中の微量元素の測(cè)定に、四重極型のAgilent 7700 ICP-MSを使用しています。特に濃度を測(cè)定する際には、濃度の測(cè)定や、多元素一斉分析ではAgilent 7700が便利です」と福山準(zhǔn)教授は話します。レーザーアブレーション裝置を試料導(dǎo)入裝置として組み合わせると、巖石などの固體試料を前処理せずにそのまま分析することができます。レーザーアブレーションICP-MS (LA-ICP-MS)は、局所分析に適しています。また、福山準(zhǔn)教授の研究では、リチウムからウランまで測(cè)定できる元素はできるだけ測(cè)定したいというニーズがあり、巖石のルーチン分析では45元素を測(cè)定しています。

Agilent 7700 ICP-MS（左）と、レーザーアブレーション裝置（右）

また、レーザーアブレーションを用いずに、巖石を酸分解やアルカリ溶融をして分析溶液を調(diào)製し、全巖微量元素分析を行う用途でも、Agilent 7700 ICP-MSを活用しています。研究室には環(huán)境分野を?qū)煿イ筏皮い雽W(xué)生もいることから、河川水、地?zé)崴?、溫泉水などの微量元素分析も行われています。さらに醫(yī)學(xué)部との共同研究では生體試料の微量元素分析も行っています。

10年以上にわたりアジレントのICP-MSを使用してきた福山準(zhǔn)教授は、ソフトウェアが使いやすく操作性が良いことと、壊れにくいことが、そのメリットだと感じています。

新たな分析法の開発を目指して

福山準(zhǔn)教授は新たな分析法の開発に積極的に取り組んでいます?！钢辘郡い长趣郡丹螭ⅳ辘蓼埂￥筏?、その分析を行う手段が確立されていない場(chǎng)合には、自分で分析法を開発していきます」と、福山準(zhǔn)教授は話します。たとえば、福山準(zhǔn)教授は現(xiàn)在、沈み込み帯における地殻の進(jìn)化についての研究を進(jìn)めています。プレートの沈み込む領(lǐng)域で何が起こり、どんな元素がどのように動(dòng)いたり化學(xué)反応したりしているのかを明らかにしようとしています。これを解き明かすには、様々な分析をより高精度に行う必要があると言います?！冈胤治訾渫惑w分析の精度が上がると、今まで見えてこなかったプロセスが見えてきます。ですから、分析法の開発には力を入れていきます」と、分析法開発の重要性を語っています。知りたいことがあるからこそ、分析法の開発に取り組めるのだそうです。また、年代測(cè)定の領(lǐng)域では、福山準(zhǔn)教授は、現(xiàn)在、赤鉄鉱（ヘマタイト）や磁鉄鉱（マグネタイト）といった鉱物を用いた年代測(cè)定の手法の開発にも取り組んでいます。

アジレント?テクノロジーでは、地球化學(xué)分析に向けたソリューションを幅広く提供しています。分析ソリューションの観點(diǎn)から、地球化學(xué)研究の進(jìn)展を支えようとしています。

私たちの生活にも役立つ地球化學(xué)

地球化學(xué)や巖石學(xué)の研究は、自分たちが住んでいる地球環(huán)境やその生い立ちを理解したいという知的?學(xué)術(shù)的な関心を追求するだけでなく、私たちの生活にも役立つ可能性を秘めています。たとえば、地球の表層に移動(dòng)してくる元素の分布が分かれば、それを資源として利用できる可能性も高まります。福山準(zhǔn)教授は、「地球化學(xué)の研究をしていると、地球上の様々な元素の挙動(dòng)がわかってきます。使われていない資源を利用できないかと考えるようになります。」と、資源の有効利用について話しています。

また、福山準(zhǔn)教授は、二酸化炭素固定の観點(diǎn)からトラバーチンの形成の研究を進(jìn)めています。トラバーチンとは、陸上で作られる天然の炭酸塩巖です。福山準(zhǔn)教授は、「地球上で二酸化炭素の最大の貯蔵庫(kù)は、海洋の有機(jī)物によって作られた炭酸塩巖です」と話しています。巖石をうまく活用できれば、カーボンニュートラル実現(xiàn)の一助となるかもしれません。トラバーチンの主成分は炭酸カルシウム (CaCO3) です。炭酸カルシウム自體の色は白ですが、含まれる微量元素の影響で様々な色や模様を示します。色や模様のきれいなトラバーチンは、工蕓品や、建物の內(nèi)裝用の建材などに使用されています。たとえば、日本の國(guó)會(huì)議事堂の內(nèi)裝には富山県黒部市下立（おりたて）のトラバーチンが使われているほか、イタリアのコロッセオにもトラバーチンが用いられています。福山準(zhǔn)教授は、トラバーチンを人工的に作れないかと考え、まずはその形成條件を突き止めようと実験を行っています。

最後に福山準(zhǔn)教授は、「自然ならではの複雑さが、単純におもしろいと思います。數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物などの知識(shí)を総動(dòng)員でき、自分たちが住んでいる地球環(huán)境を理解できることが、地球科學(xué)?地球化學(xué)研究の魅力です」と、語っています。

地球化學(xué)研究では、実験室での分析や結(jié)果の解釈だけでなく、野外に出て観察し、サンプルを採(cǎi)取するプロセスも重要

本記事に掲載の製品はすべて試験研究用です。診斷目的にご利用いただくことはできません。
（Not for use in diagnostic procedures.）

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