ジルコンで時間を計る

クレジット: ジョン・バレー / ウィスコンシン大学マディソン校

西オーストラリアの人里離れたジャックヒルズ地域の露頭から抽出されたジルコン結晶のこの破片は、44億年前のものです。 このような結晶内の不純物により、科学者は結晶の年代、ひいてはあらゆる種類の地質学的発展のタイミングを決定することができます。

鉱物ジルコンの結晶は、最も激しい地質学的現象にも耐えられるほど頑丈です。 それらの中の不純物は、惑星の歴史のタイムカプセルを提供します。

サイプレス・ハンセン著 2021年4月14日

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ダイヤモンドは宝石の中で最も硬いかもしれませんが、永遠に続くのはジルコンです。 これらの 12 月の誕生石は非常に耐久性があり、既知の地球最古の物質です。オーストラリア産のジルコンの中には 40 億年以上前のものもあります。

しかし、ジルコンは古いだけではありません。 木の年輪と同じように、それらは時間を記録することができ、周囲の岩石の年齢や目撃した地質学的プロセスを明らかにします。 ジルコンのおかげで、研究者は惑星の起源の物語を語ったり、大陸がいつ海から隆起したのかを推測したり、おそらくは地球の表面の下にある貴重な鉱物を発見したりすることさえできます。

ペンシルバニア州立大学で結晶を研究している地質学者、ジェシー・ライミンク氏は、「ジルコンの助けなしに地球について私たちが知っていることは、非常に少ないです」と言う。

鉱物ジルコンは、ジルコニウム、ケイ素、酸素の元素がマグマまたは変成岩中で結晶化するときに形成されます。 時間の経過とともに、加熱と冷却を繰り返すと、塗料を塗り続けるかのように、結晶に外層が追加されます。 ウランなどの少数の元素の原子は、結晶構造内でその位置を占めることができるほどジルコニウム原子によく似ています。 これらの原子が放射性であれば、予測可能な放射性崩壊のプロセスを通じて、ゆっくりと別の元素 (鉛など) に変換されます。

これが起こると、水晶は時計になります。 たとえば、ジルコン結晶をレーザーで爆破したり、酸で溶解したりしてウランと鉛の比率を測定することにより、科学者は古代の地質学的事象の時期を驚くべき精度で推定することができます。

ジルコンは「ウラン-鉛崩壊系にとって完璧な鉱物です」とライミンク氏は言います。「そしてウラン-鉛崩壊系は地質年代学に対する神の贈り物のようなものです。」

また、ジルコンは溶けたり、ひび割れたり、侵食されたりしにくいため、研究者は地球上で最も古い出来事の年代を特定することができます。

「ジルコンの研究は、初期の地球についての発見を可能にする地平線です」とカリフォルニア大学ロサンゼルス校の地球化学者ベス・アン・ベルは言う。 「それは私たちがどこから来たのかを理解しようとする一環です。」

ジルコン結晶はマグマまたは変成岩で形成され、液体または液体に近い岩石で新しい層を成長させます。 自然に放射性の形態を持つ元素は、結晶構造が成長するにつれて結晶構造に組み込まれる可能性があります。 ここに示されているウランなどのこれらの元素は、時間の経過とともに予測可能な速度で娘元素に崩壊し、科学者にジルコン結晶が経験した地質学的プロセスの年代を特定できる「時計」を提供します。

ジルコンはおおよそ砂粒ほどの大きさで、研究者は適切なサイズのサンプルを得るために数キログラムの岩石を収集し、粉砕し、ふるいにかけなければならないことがよくあります。 しかし、レーザー技術の改良とより高感度な分析機器により、ジルコンの年代測定はより簡単かつ正確になり、科学者はより少ない結晶からより多くの情報を抽出できるようになりました。 「この分野は非常に急速に進化しています」とコペンハーゲン大学の惑星科学者マーティン・ビザロは言う。 「人々は、より小さなサンプルを最高の精度で分析するために限界を押し広げています。」

科学者がこれらの小さな時計から学んでいることの一部を以下に示します。