放射性炭素年代測定

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1: 炭素14の生成
2: 炭素14の崩壊
3:活動中の生物と活動を停止した遺骸

放射性炭素年代測定(ほうしゃせいたんそねんだいそくてい、英語: radiocarbon dating)は、自然の生物圏内において放射性同位体である炭素14 (14C) の存在比率が1兆個につき1個のレベルと一定であることを基にした年代測定方法である[1]。対象は動植物の遺骸に限られ、無機物及び金属では測定が出来ない。

C14年代測定(シーじゅうよんねんだいそくてい、シーフォーティーンねんだいそくてい)のほか炭素年代測定炭素14法C14法とも言う。

概要[編集]

一般に地球自然の生物圏内では炭素14の存在比率がほぼ一定である。動植物の内部における存在比率も、死ぬまで変わらないが、死後は新しい炭素の補給が止まり、存在比率が下がり始める[1]。この性質と炭素14の半減期が5730年であることを利用して年代測定を行う[1]。なお、厳密には炭素14の生成量は地球磁場や太陽活動の変動の影響を受けるため、大気中の濃度は年毎に変化している。また、北半球と南半球では大気中の濃度が異なっている。放射性炭素年代は、BP(Before PresentもしくはBefore Physics)で表記されるが、これは大気圏内核実験による放射線の影響をあまり受けていない1950年を起点として、何年前と実年代が表記される。

炭素14の由来[編集]

大気上層で高エネルギーの一次宇宙線によって生成された二次宇宙線に含まれる中性子窒素原子核の衝突から、年間7.5キログラム[2]程度生成される。また、核実験や核燃料の再処理によっても大気中に放出されている[3]。生成された炭素14は直ちに酸素と結合し二酸化炭素になり、大気中に拡散する。但し、生成量の年変動は約30%と想定されているが海洋などとの交換により0.6%程度にまで小さくなる[4]

炭素14の減少[編集]

炭素14 (14C) は、約5730年の半減期β崩壊をして減じていく性質をもっているため、これを利用して試料中の炭素同位体12/14比から年代を推定することができる。測定限界が元の約1/1000である場合、約6万年前が炭素14法の理論的限界になる(実際の測定では、ベータ線測定法の場合は3 - 4万年程度、AMS法では4 - 5万年程度が測定限界)。

生物への移動[編集]

二酸化炭素中の炭素14は、光合成によって植物に取り込まれ、食物連鎖で動物にも広まっていく。生物の細胞に取り込まれた炭素14は、光合成で作られた時点から減じていくと見なす。つまり、光合成で取り込まれる二酸化炭素は大気中の炭素14量を反映しているが、生物の活動停止後は炭素14が新たに付加されない。従って、生物の遺骸から試料を得て測定した場合、その細胞に利用された炭素はいつ光合成が行われたかが分かる事になる。樹木の場合は、内側の年輪が古く、外側の年輪が新しく測定される。

歴史[編集]

測定方法[編集]

最初に開発された測定法は、炭素14が崩壊する際に発せられるベータ線を計測する方法である。後に、試料中の炭素14を直接数える方法が開発された。

ベータ線計測法[編集]

「ガスプロポーショナルカウンティング法」「液体シンチレーションカウンティング法」と呼ばれ、炭素14が電子反電子ニュートリノを放出して窒素14(14N 普安定同位体の窒素)に壊変するときに放射されるベータ線をシンチレータにより検知して数える方法である。現代の炭素1gでも4 - 5秒に1個しか壊れないので、計測には時間がかかり、試料もグラム単位で必要とされる。

ガスプロポーショナルカウンティング法では、炭素14を二酸化炭素のガスに変化させベータ線を計測する。

加速器質量分析 (AMS) 法[編集]

1970年代末に開発された分析手法。加速器で炭素14を直接数える方法 AMS(Accelerator Mass Spectrometer = 加速器質量分析計)で、必要な試料量(1mg程度)、測定時間(30分 - 1時間程度)共に大幅に改善され、ベータ線計測法と比較し高精度化・高効率化された。また約6万年前まで測定可能となった。装置の小型化に伴い多くの施設で入手可能なレベルになっている。

年代の誤差[編集]

この測定原理を発見したウィラード・リビーは、炭素14の半減期を5568年[注 1]として計算している。また、植物が炭素を固定する際に同位体選別と呼ばれる現象が生じ、植物の種毎に試料の炭素14濃度と年代には差異が発生する為、補正が必要である。同位体選別による炭素14の濃度差は、炭素13の濃度を精密に測定することで可能で、最大で400年程度の補正量となる。つまり、古生物の年代の正確な特定には、同じ種の現代の同位体選別量を正確に把握することも求められる。

年代較正[編集]

Radiocarbon dating calibration.svg

大気中の炭素14量は、宇宙線の変動や、海洋に蓄積された炭素放出事件を反映して変動してきた。そのため、計測結果には誤差が生じる。後述の年縞堆積物および年輪年代により年代の較正が行われる。年輪年代では、およそ12600年程度までの放射性炭素年代値 (BP) と実際の年代の対応表が作られている[5]。年輪年代の及ばない古い年代は、およそ24,000年前までは、サンゴのU/Th(ウラン / トリウム)年代と照合されている。

較正曲線を用いて較正された年代値、つまり、炭素14年代を実際の年代に較正(基準に照らして正す)したという意味であり、西暦1950年を起点とした年数には calibrated(較正済み)を意味する「cal」をつけて「calBP」で表される。あるいは西暦紀元を基準とする場合は「calBC」ないし「calAD」と表す。較正年代は、暦年代 (Calendar year) とも呼ばれ、「実際の年代」という意味である。ちなみに、炭素14年代は「14C BP」となる。

また近年では、δ13Cによって同位体分別を行った後のBP年代値に数学的な統計処理を行い、95.4%確率と68.2%確率の各確率間で、より詳細な確率分布を求める確率法(High-Probability density range)と呼ばれる手法も使用されている。

海洋リザーバ効果[編集]

大気圏及び水圏での炭素14濃度分布は、拡散、循環、均衡の影響を受けるため不均一である。中緯度地域の表層海水は大気より400年以上、深層海水は700年から1000年以上古い年代を示す。更に時代と地域により年代差は変動する。また、南半球の大気は北半球と比較し40年古い年代を示す。つまり、南半球の大気を起源とする有機物の場合、画一的に40年を差し引く必要があることになる。

国内でも弥生時代や古墳時代の開始時期について放射性炭素年代測定では実際より古く年代が推定されることが判明している。これは国内の年輪や出土物などの年代推定と比較して校正線を作成することで明らかとなった。特に土器については食物の貯蔵や調理に海産物である塩分が不可欠であることから、土器に付着した海産物のリザーバー効果により最大数百年古く推定されることに注意する必要がある[6]

年縞堆積物[編集]

穏やかな水底(淡水および海水)に堆積した物質の縞模様のうち、年ごとに一定の層序を保ち堆積したものは年縞堆積物と呼ばれ正確な年代を決定できる。主な、採集地は以下である。

特異的な変動[編集]

前述の様に炭素14の生成量は、高エネルギーの一次宇宙線の入射量によって変動する。従って、何らかの原因により宇宙線の入射量が増大すると炭素14も多く生成される[7]。過去に地球に入射する宇宙線の入射量が増大していた場合、増大前に生存していた標本は元々の炭素14の含有量が少ないため、計測結果は実際の年代より古く出る。このような変動の痕跡が1956年に伐採された屋久杉の分析から発見されている。発見した名古屋大学の研究グループによれば、西暦774年から775年にかけて急激な増加が有り、この変動は通常の太陽活動に伴う変動の20倍よりも大きく、過去3000年間で最大級の増加を示していた[8]。更に、西暦994にも急激な増加が記録されている[7]

系統誤差[編集]

化石燃料由来の炭素14放出量の変化
コンタミネーション(汚染)
  • 試料の採取、保管を行う際、他の年代のものが混入する可能性がある[9]ほか、試料保管中の生物による経時変化が指摘されている[10][11]
  1. 自然要因:試料(発掘物)周囲の海水由来物、石灰岩、土壌起源の有機酸、他の植物の根。
  2. 人為要因:海産物の付着、炭素を含むマーカーなどで直接試料にラベリング、殺虫剤、たばこの灰、紙による梱包。
  • 汚染除去作業内容が、測定精度を左右している。
試料そのものが汚染されている
  • 特に炭素年代測定でいわれているのが、古い炭素を含む化石燃料[注 2]を使った自動車の排気ガスなどを吸収した植物が、本来あり得ない時代を示す事があることである。[要出典]状況判断は機械的に出来ず、関係者の恣意、バイアスが入る可能性を排除できない。[要出典]

実例[編集]

日本の試料で初期に測定された例として、千葉市花見川区朝日ケ丘町にある東京大学検見川総合運動場の落合遺跡で発掘された丸木舟がある。植物学者でハスの権威者でもある大賀一郎は丸木舟と同時にハスの果托が出土したことを知り、1951年3月3日から地元の小・中学生や一般市民などのボランティアの協力を得てこの遺跡の発掘調査を行った。そして、3月30日に出土したハスの実は育ち翌年の1952年7月18日にピンク色の大輪の花を咲かせ大賀ハスと命名された。また大賀は年代を明確にするため、ハスの実の上方層で発掘された丸木舟のカヤの木の破片をシカゴ大学原子核研究所へ送り年代測定を依頼した。シカゴ大学のウィラード・リビーらによって放射性炭素年代測定が行われ、3075年 ±180年前のものとされた[12]

特筆すべきものとしては、1950年1955年に調査された夏島貝塚縄文時代早期の層から出土したカキ殻と木炭がある。1959年3月と6月に、ミシガン大学から杉原荘介に、炭素14年代法による年代値は、貝殻BP9450±400と木炭BP9240±500であったことが報告された[13]
[14]。この結果、縄文時代早期は9500年前と初めて測定され縄文土器が世界最古の土器文化である可能性が指摘された。これは日本の考古学者の多くを驚愕させた。また、測定を依頼した芹沢長介らと、大陸で出土した遺物の年代から3000年前と主張する山内清男との間で論争が起きている[15]

青森県東津軽郡外ヶ浜町大平山元I遺跡の縄文時代草創期の土器製作時期が、通説より4500年も古い(早い)1万6500年前と1999年4月に発表された。この実年代は、ワシントン大学スタイヴァーらが炭素14年代を年輪年代や珊瑚年代を使って暦年に換算する国際校正曲線 (INTCAL 98) を使ったものである。また、弥生時代の開始期は通説では紀元前5 - 紀元前4世紀ごろであったが、2003年3月の国立歴史民俗博物館の発表では約500年古い(早い)約3000年前(紀元前10世紀終頃、つまり、九州北部の弥生時代早期が前949年 - 915年から、前期が前810年頃から、中期が前350年頃から、それぞれ始まった。)に遡る結果が出た。

その後国内独自の年代校正曲線が国際校正曲線と異なることが判明し、また土器等に付着する海水由来の塩分によるリザーバー効果により年代が実際より古く推定されることも判明したために、縄文時代の開始時期については依然として議論が続いている。

出典[編集]

  • 奥村晃史「14C年代の補正と高精度化のための手法」『第四紀研究』第34巻第3号、日本第四紀学会、1995年8月、 191-194頁、 doi:10.4116/jaqua.34.191ISSN 04182642NAID 10002632957
  • 放射性炭素年代測定の原理と暦年代への換算 群馬大学教育学部 早川由紀夫研究室
  • 公文富士夫, 河合小百合, 井内美郎「野尻湖湖底堆積物中の有機炭素・全窒素含有率および花粉分析に基づく約25,000-6,000年前の気候変動」『第四紀研究』第42巻第1号、日本第四紀学会、2003年2月、 13-26頁、 doi:10.4116/jaqua.42.13ISSN 04182642NAID 10010089877

脚注[編集]

[脚注の使い方]

注釈[編集]

  1. ^ 真の値は5730年。
  2. ^ 石油、石炭、ガスなど。

出典[編集]

  1. ^ a b c アリソン 2011 p.71
  2. ^ アリソン 2011 pp.70-71
  3. ^ 炭素-14 原子力資料情報室
  4. ^ ICRRニュース No.41 2000.8.1 東京大学宇宙線研究所 (PDF)
  5. ^ a b 水月湖の年縞:過去7万年の標準時計 (PDF) 日本地球惑星科学連合 ニュースレター. November, 2010. Vol.6. No.4. 2010年11月1日
  6. ^ 小林謙一「弥生移行期における土器使用状況からみた生業」『国立歴史民俗博物館研究報告』第185巻、国立歴史民俗博物館、2014年2月、 283-347頁、 doi:10.15024/00000272ISSN 0286-7400NAID 120005689969
  7. ^ a b 三宅芙沙, 増田公明, 箱崎真隆, 中村俊夫, 門叶冬樹, 加藤和浩, 木村勝彦, 光谷拓実「樹木年輪に刻まれた突発的宇宙線イベント」『名古屋大学加速器質量分析計業績報告書』第25巻、名古屋大学年代測定資料研究センター、2014年3月、 137-143頁、 doi:10.18999/sumrua.25.137NAID 120005603717
  8. ^ 三宅芙沙, 増田公明「屋久杉に刻まれた宇宙現象 : 西暦774-775年,993-994年の宇宙線強度異常(最近の研究から)」『日本物理学会誌』第69巻第2号、日本物理学会、2014年、 93-97頁、 doi:10.11316/butsuri.69.2_93ISSN 0029-0181NAID 110009804901
  9. ^ 試料の汚染と前処理による汚染の除去 ベータアナリティク放射性炭素年代測定試験所
  10. ^ 高橋浩, 半田宙子「地下水試料における採取後の炭素同位体比の変化」『日本地球化学会年会要旨集』2014年度日本地球化学会第61回年会講演要旨集セッションID: 1P44、2014年、 119頁、 doi:10.14862/geochemproc.61.0_119
  11. ^ 高橋浩、半田宙子、南雅代ほか、地下水試料の保管と炭素同位体比の経時変化 日本地球惑星科学連合 2015年 AHW24-P07 (PDF)
  12. ^ 髙橋統一「縄文丸木舟覚え書-房総の諸事例から」『アジア文化研究所研究年報』第39巻、アジア文化研究所、2004年、 1(132)-31(102)、 ISSN 0288-3325NAID 120006399740
    高橋統一「「縄文丸木舟覚え書-房総の諸事例から」補遺」『アジア文化研究所研究年報』第40巻、アジア文化研究所、2005年、 25(52)-27(50)、 ISSN 1880-1714NAID 120006395663
  13. ^ 杉原荘介「神奈川県夏島貝塚出土遺物の放射性炭素による年代決定」『駿台史學』第12巻、駿台史学会、1962年3月、 119-122頁、 ISSN 0562-5955
  14. ^ 小林謙一「縄紋時代研究における炭素14年代測定」『国立歴史民俗博物館研究報告』第133巻、国立歴史民俗博物館、2006年、 51-70頁、 doi:10.15024/00001444ISSN 0286-7400NAID 120005748566
  15. ^ 小野田正樹「縄文化の起源年代をめぐって : 山内清男・佐藤達夫両氏と,芹沢長介氏との間の「論争」は本当に決着したのか」『基礎科学論集 : 教養課程紀要』第19巻、神奈川歯科大学、2001年、 56-68頁、 doi:10.18924/00000325NAID 110000467430

参考文献[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]