Paul Mueller with student Stephanie Ingle by a cliff in Stillwater, Montana. Photo courtesy of Paul Mueller
地球上で最も古い岩石は何か、そしてどのように形成されたのか？ このような基本的な疑問に対して、地球最古の歴史の一部を記録している可能性がある物質として、ジルコンという鉱物があります。 例えば、1990年代初頭にオーストラリア西部の砂岩から見つかった数粒のジルコンは、42億〜43億年前にさかのぼるもので、隕石から地球が45億6000万年とそれほど古くないことが分かっている。 ルイジアナ州立大学のダレル・ヘンリー教授とフロリダ大学のポール・ミューラー教授は、ジルコンから正確な年代情報を抽出することができるいくつかの技術の専門家である。
もともとジルコンは、マグマからの結晶化や変成岩の中で形成されたものですが、非常に丈夫で化学的な攻撃にも強いので、滅多に消えません。 そのため、地質学的な事象を何度も乗り越えて、木の年輪のように元の結晶の周囲にジルコンが輪を作るように記録されることがあります。 ジルコンは小さなタイムカプセルのように、何億年も続くような出来事を記録しているのです。
ジルコンは放射性元素のウランを含んでおり、長い時間をかけて特定の割合で鉛の元素に変換することから、ミューラー博士は「ジルコンの中の時計」と呼んでいます。 ミューラー博士によれば、このことがジルコンを「地球史の最初期を見る上で、最も信頼できる天然のクロノメーター」にしているのだという。 さらに彼は、地質学には2つの時間の測り方があると説明する。 「一つは相対的な時間で、ある種の鉱物があり、その周りに別の種類の鉱物が成長している場合、内側の鉱物が先にできたことはわかりますが、その間にどれくらいの時間が経過したかはわかりません。 ヘンリーは、このような岩石の鉱物関係を評価する。 岩石中の鉱物の種類とその分布から、圧力、温度、変形などのパラメーターの時間的変化を反映した相対的な事象の順序を再構築するのである。 「変成岩の場合、鉱物の種類とその化学的性質から、その岩石が歴史のある時点で経験した条件を特定することができるのです」。 例えば、温度が700℃、圧力が大気圧の数千倍ということは、地質学的な歴史の中で地殻の奥深くにあったことを意味します」。 彼は、岩石に何が起こったかを推論しますが、それがいつ起こったかは推論しません。 そこで登場するのが、相対的な時間に対する絶対的な時間である。 ミューラーは、「私たちは、いつ、何が起こったかを明らかにしようとしているのです」と説明する。 「私の仕事は、同位体を含む岩石の化学的性質を調べ、岩石やジルコンに記録されている事象の絶対時間を導き出すことです」
その実際の数値はどの程度正確なのだろうか。 「岩石の歴史にもよりますが、現在では年代を数百分の一のオーダーで決めることができます」とミューラー氏は答えます。 例えば、30億年のうち100万年はプラスマイナスということです。 炭素14の半減期は5,730年なので、炭素14年代測定は約7万年前にまでさかのぼることができない。 (半減期とは、元の放射性同位元素の半分が別の元素に変化するのにかかる時間のことである）。 それに比べて、ウラン238の半減期は45億年なので、非常に古い物質の年代測定に有効です。
ジルコン年代測定は、現場から始まります。 「どの岩石が最初に形成されたのか、相対的な年代関係を調べるのです。 「例えば、花崗岩の中に、他の種類の岩石のかけらが混じっていることがあります。 その位置から、花崗岩に囲まれた岩石はより古いものでなければならないことがわかります」。 地質学者は、これらの相対的な年齢関係を特定するために、地域をマッピングする。 そして、岩石の種類によって重さが2〜100キロもある試料を採取する。 ジルコンは決して珍しいものではなく、花崗岩類ではよく見られるものです。 しかし、ジルコンは小さな粒で、試料の10分の1以下しか含まれず、岩石全体に散らばっているのです。 そのため、ジルコンを分離するのは骨の折れる作業だ。 岩石を粉砕し、個々の鉱物の粒にする。 そして、「ジルコンは他のどの鉱物よりも密度が高いので、粉砕した岩石を密度の高い液体の中に入れて、密度の高い鉱物だけを底に落とすのです」とヘンリーさんは説明する。 つまり、「ジルコンは沈む」のである。 また、ジルコンの磁性を利用して、最も純粋なものを分離しています」
そして、詳細な地質年代学の作業が始まります。 「ジルコンの一部を採取し、薄切片を作ります。厚さ30マイクロメートル、髪の毛ほどの厚さの薄切片をガラスの上に置き、ゾーニングパターン、複数の成長エピソードを経たか、単純か複雑かなどの観点から、それらがどのように見えるかを把握します」とヘンリー氏は言う。 この情報を、サンプルの地質学的背景とともにミューラーに伝える。 「さらに、岩石の薄片を見て、ジルコンがどのような枠組みで生成されたかを調べます。 花崗岩の中なのか？ それとも、もっと複雑な歴史を歩んできた変成岩の中にあるのか？ それとも変成した堆積岩？ その歴史を知ることで、岩石の年代をより良く解釈することができます」
「岩石の相対的な地質史を理解するために、ダレルは薄切片を使用します。 「しかし、地質年代学では、1パーセントの10分の1以下の鉱物に興味があるのです」。 ミューラーは、「粒に反射する光、粒を透過する光、電子ビームをジルコンに当てたときのカソードルミネッセンス光」などさまざまな方法でジルコンを観察し、ジルコン粒を分析すべきスケールを決定する。 ジルコンに含まれる元素の定量微量分析は、電子顕微鏡で行われる。 「細い電子ビームを使ってミクロン（1メートルの100万分の1）単位で分析することができるんです」とヘンリー。 「電子が試料に照射され、試料内の原子がX線を発する。 試料に含まれるさまざまな元素の原子は、それぞれ特徴的な波長のX線を発します。 これを元素の濃度がわかっている標準試料と比較することで、その小さな点の正確な組成を知ることができます。 ジルコン1粒は、組成や年代の異なる多くのゾーンで構成されていることがあります。 同位体組成は、イオンプローブで測定することができます。 粒全体を見るか、それとも直径300マイクロメートルの極小酸素イオンビームをジルコン粒の一部に当ててU（ウラン）やPb（鉛）の同位体を分析し、その場所を年代測定してジルコンの個別の歴史を解剖するか？”。 あるいは、個々のジルコン粒をフッ酸に溶かすと、ウランと鉛を化学的に分離することができます。 「その後、質量分析計で分析すると、個々のウランと鉛の同位体の比率がわかり、そこから年代を計算することができます」とミューラー教授は説明する。 この装置は、ミューラーがさまざまな地球物質の正確な年代を決定するために使用したものと類似している。 写真提供：ウッズホール海洋研究所。
最終的には、「これらのデータはすべて、何十億年も前に地球がどのように働いていたかという大きな絵の中に組み合わされる」とヘンリーは述べています。 ミューラーの言葉では、「それは、初期の大陸を構成していたさまざまな岩石と、これらの大陸がどのように進化したかを知れば知るほど、地球の形成方法と、地殻とマントル、そしておそらくマントルとコアを分離した初期のプロセスについて、より良い窓となるという事実に帰着する」のです。 ミューラーは、彼とヘンリーの共同研究を、並行した旅と表現しています。 「私たちの研究は同じ道を進んでいるのですが、手を取り合うこともあれば、別々の道を進むこともあります。 いずれにせよ、異なるアプローチから得られる情報を常に交換し、常に新しい発見があるのです」。 ミューラーはこう言う。 「一石二鳥」
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