地学セミナー

放射性炭素年代測定の原理と暦年代への換算

放射性炭素による年代測定 炭素原子のほとんどは質量数が12だが,地球大気に含まれる炭素のうち1兆個にひとつは質量数が14の14Cである.これは,高空で窒素原子に宇宙線があたって生じた元素であり,半減期が5730年の放射壊変によってゆっくりと窒素原子に戻る.したがって,試料中の14C/12C比を測れば,その試料が地球大気から隔離されて閉じた系になった瞬間から経過した時間(これを年代という)を知ることができる.5万7300年前に閉じた系になった試料は,地球大気に比べると1/1024の14Cしか含まない.このあたり(つまり1000兆分の1)が14C定量の技術的限界だから,放射性炭素年代測定で6万年より古い時代を測るのは困難である.

放射性炭素年代が教える事件は何か 火砕流堆積物の中に炭化木が発見されたとしよう.この炭化木の放射性炭素年代を測定することは,過去に起こったどんな事件の年代を知ることに相当するのだろうか.火砕流が発生した瞬間,すなわち樹木が高温の火砕流に取り込まれて炭化した瞬間だろうか.あるいは,火砕流に取り込まれる前にこの樹木はすでに枯死していたとして,枯死した瞬間だろうか.いや,そのどちらでもない.放射性炭素年代測定で知ることができるのは,樹木が生きていた瞬間である.樹木年輪は毎年6月から8月までの成長期にそのほとんどができるので,年輪ひとつ一つがそれぞれできた年の夏を記録している.

採用した半減期による誤差 放射性炭素年代学では,リビーが決めた半減期5568年を使って結果を報告する伝統がいまでも生きている.もっとも確からしいといま信じられている半減期は5730年だから,測定者から報告される放射性炭素年代値は,すでに2.9%( = 5730/5568)若返っていることを承知しておくべきである.

大局的な補正 じつは,地球大気に含まれる14Cの濃度は地質時代を通して常に一定ではなかった.その変動幅はかなり大きく,現在の値の1.5倍に達した時代もあったらしい.この変動の主な原因は,地球磁場強度が経年変化したためだと考えられている.磁場が弱かった時代は大量の宇宙線が地球に降り注ぎ,14Cの生成率が増した.
 最近の2400年間を除けば,過去5万年間は大気の14C濃度が現在より大きかったことがわかっている.これは,1万年前までは年輪による補正によって,それ以前は,他の放射性年代学(たとえばU-Th法)との比較によって得られた知見である.→intcal98 curve(ワシントン大学)
 つまり,いまから2400年前までの試料の放射性炭素年代は真の年代(これを暦年代とよぼう)よりたいてい古く出るが,それ以前5万年前までは暦年代よりつねに若く出る.具体的に数字をいうと,1500年前の試料の放射性炭素年代を測ると100年ほど古い1600年前と出る.5000年前の試料は逆に750年ほど若く出る.時代を遡るにしたがってこの差は広がり,1万5000年前の試料は2300年ほど若く出る.放射性炭素年代と暦年代の差がもっとも開くのは3万年前であり,その時代の放射性炭素年代は暦年代より3500年も若く出る.5万年前は放射性炭素年代と暦年代がほぼ一致するらしい.

炭素時計が止まったとき 放射性炭素年代から暦年代への換算ダイアグラムをみると,炭素時計がほぼ止まった時代があったことがわかる.それは,最近では2700-2400年前の約300年間,古くは1万2000-1万1000年前の約1000年間に顕著に起こった.前者は炭素時計によっていつもだいたい2450年前と測られ,後者は,いつもだいたい1万0000年前と測られる.だから,炭素時計がほぼ止まった時代を含む地学事件の時間微分を議論するときは注意しないといけない.
 炭素時計が完全に止まるのは,地球大気の14C濃度の減少速度が放射壊変速度と等しくなったときに起こる.つまり,新しい14Cが大気にまったく追加されないような環境を意味する.しかし高空での14Cの生産がまったくゼロになることは考えにくいから,その時代には14Cの生産量に見合うだけの量の古い炭素が海洋から大気に放出されたと想像される.換算ダイアグラムには,炭素時計の針が逆に進むことすらあったことが示されているから,大量の古い炭素を大気に注入する事件が過去に起こったことは事実だと思ってよいだろう.海洋は大気の60倍の炭素を含んでいるから,それは十分可能であろう.
 そのような事件が大規模に起こったうちの(より顕著なほうの)ひとつが,完新世直前という特別な時期に一致しているのはたいへん興味深い.氷床と海洋と大気の相互作用が研究されるべきだろう.


Stuiver, M. and Pearson, G.W. (1993) High-precision bidecadal calibration of the radiocarbon time scale, AD 1950-500 BC and 2500-6000 BC. Radiocarbon, 35, 1-23.


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