加速器14C年代測定における試料調製の実際
∼姶良Tn火山灰の14C年代測定を素材として∼
年 代 測 定 資 料 研 究 セ ン タ ー池田晃子
ど う い う わ け か 今 回 の シ ン ポ ジ ウム で 話 を す る こ と に な って し ま い 、 い っ た い 何 を 話 す ことができるであろうかと考えた.しばらく前に姶良Tn火山灰(以下ATと略)中より 採 取 さ れ た 試 料 ( 炭 化 樹 木 ) を 測 定 し た の で、 必 然 的 にそ の こ と に 関 連 し た 話 を す る こ と に決まってしまった.AT は日本列島の広い範囲に分布しており、考古の発掘や露頭調査 に 時 間 軸 を 提 供 す る 重 要 な テ フ ラ で あ る . し か し 、 地 理 ・ 地 学 が 専 門 で は な い 私 が 大 勢 の テ フ ラ の 専 門 家 を 目 の 前 に して A r に つ いて 語 る な んて 大 そ れ た こ と は 恐 れ 多 く てと て も できない.そこで今回は試料を直接手にしている立場から、ATを素材にして14C年代測定 に お ける 試 料 の 調 製 ・ 測 定 に ま つ わ る 実 際 的 な こ とを 、 一 見 つ ま ら な い こ と も 含 めて 話 し てみようと考えた.ATを含めたテフラについては大変わかりやすい書物1)があるのでそ ちらに譲りたいと思う. 試 料 洗 い ・ 固 形 成 分 を 得 る 年代を知りたい試料を手に入れたとしよう.14C年代測定であるから、試料は炭素を含 んで い る も の で な け れ ば な ら な い . 炭 素 が 含 ま れて い る の は い い が 、 試 料 に は 本 来 そ れ 自 体 が 含 んで い る 炭 素 の 他 に 、 必 ず と 言 って い い ほ ど 二 次 的 に 付 加 し た 炭 素 が 含 ま れて い る も の で あ る . 地 中 に 埋 ま って い た 試 料 で あ れ ば 砂 や 泥 な ど が 付 いて い る . 水 に 運 ば れて や って き た 有 機 物 が 染 み 込 んで い る か も し れ な い . 素 手 で 触 れ れ ば 手 ア カ が 付 く . ホ コ リ も の って い る だ ろ う . 目 に は 見 え な い こ と が 多 い が 、 結 構 炭 酸 塩 も 含 ま れて い る こ と が あ る.こういった二次的に付加した炭素は14C年代にくるいを与えてしまう.特に少量しか 試 料 を 必 要 と し な い 加 速 器 年 代 測 定 に お いて は そ の 影 響 は 余 計 に 大 き く な っ て し ま う の で ある.従ってまずは試料をよく洗うことから始める. 今回Ar中より得られた試料は炭化樹木2点であった.鹿児島大学の小林哲夫先生が採取 し 、 そ の 研 究 室 出 身 の 奥 野 充 さ ん が 当 セ ン タ ー に 持 ち 込 ん だ . 採 取 し た 地 名 に ち な んで、 それぞれKRS、KYと試料名をつけて処理にかかった.KRSは霧島、KYは鹿屋である.試 料 洗 い の 手 順 を 図 1 に 示 す. 文 献 2 ) を 参 考 に し な が ら 改 良 を 加 えての 方 法 で あ る . 試 料 は 一 見 し た と こ ろ 、 き れ い に 炭 化 して い る . 目 に 見 える 付 着 物 は ほ と ん ど な か っ た た め 、 ビーカーにいくつかかけらをピンセットでつまみ入れ、1.2N塩酸を加えて加熱を始め た . ま ず は 炭 酸 塩 を 追 い 出 す た め で あ る . も し 泥 ま み れ 、 火 山 灰 ま み れ に な っ て い る 場 合 は 、 塩 酸 処 理 の 前 に 蒸 留 水 を 加 えて 超 音 波 洗 浄 に か け、 可 能 な 限 り 落 と して お く ほ う が 良 い . 処 理 中 に ホ コ リ が 入 る と い け な い の で、 ビー カ ー の 上 に は シ ャ ー レ を 載 せ て ふ た に す る . 最 初 は ふ だ な ら 時 計 皿 で も い い よ う な 気 が し た の だ が 、 話 を 聞 いて み る と 時 計 皿 だ と ビーカ ー の 注 ぎ 口 と の 間 か ら 虫 が 入 って し ま う こ と が あ る そ う で あ る . シ ャ ー レ で あ れ ば 口 が お お わ れ る の で 虫 は 入 り にくく な る . そ れ に こうす れ ば 、 ホ コ リ も 入 り にくい . 処理後、塩酸を捨てて、次にアルカリ処理を行った.0.1N水酸化ナトリウム溶液を注 いで 加 熱 を 開 始 し た . ど ん な アルカ リ 溶 液 を 用 い る か に は 議 論 も あ る よ う だ が 、 今 回 は ア ル カ リ 溶 液 に 抽 出 さ れ て く る 有 機 物 で あ る フ ミ ン 酸 も 調 べ て み よ う と い う こ と で 、 土 壌有機物の研究の際によく用いられている0.1N水酸化ナトリウム溶液で行うことにし た . アル カ リ 溶 液 を 加 え る と 試 料 か ら 有 機 物 が 溶 け 出 し 、 溶 液 が 茶 ∼ 黒 褐 色 に な る . 二 次 的 に 加 わ っ た 可 能 性 の あ る 有 機 炭 素 が 抽 出 、 除 去 で き る . 試 料 と い う も の は 皆 そ れ ぞ れ に 佃 吐 的 で、 アル カ リ 処 理 で 際 限 な く 有 機 物 が し み 出 て くる も の も あ れ ば 、 幾 度 か 処 理 を す ればもう何も出なくなるものもある.KRSで8回、KYで2回処理を行った.KRSはアルカ 5 4リ 溶 液 を 加 えて 加 熱 して も 固 形 分 が よ く 残 っ た の で、 出 てくる も の が な く な る ま で 処 理 を 行 っ た の で あ る が 、 K Y は アルカ リ 溶 液 を 加 えて 加 熱 す る と ど ん ど ん 溶 け て な く な って し ま う の で 2 回 で 止 め る こ と に し た . 余 談 に な る が 、 烏 の 羽 、 絹 、 毛 髪 と い っ た 蛋 白 性 の 試 料 は アルカ リ 溶 液 で 処 理 す る と 完 全 に 溶 け て、 あ と か た も な く な って し ま う . 学 生 時 代 、 化学実験の先生から「アルカリ溶液はE」にはいると非常に危険だから、必ず保護眼鏡をか ける よ う に ! 」 と 幾 度 も 言 わ れ た こ とを 思 い 出 し た . あ れ は こ と の こ と だ っ た の で あ る . 確 か に 、 水 酸 化 ナ ト リ ウム 溶 液 を 手 に 付 く と 指 紋 が 消 えて な く な る の で、 何 と な くや ばそ う だ と は 思 って い た が 、 ビーカ ー の 中 で 絹 糸 や 羽 が が 跡 形 も な く 消 えて い くの を 目 の 当 た り に して し ま う と 、 真 にそ ら 恐 ろ し い も の を 感 じ る . 生 物 の 組 織 は 非 常 に アルカ リ に 弱 い のだ.こういう試料に対してはアルカリ処理は行えない. 普 段 な ら ば アルカ リ に 抽 出 さ れてくる 有 機 物 ( フ ミ ン 酸 ) は 不 要 な も の 、 余 計 な も の と して 廃 棄 して し ま う の だ が 、 今 回 は 訳 あ って 捨 て ず に 残 して お き 、 そ れ か ら も 試 料 を 調 製 し た . 訳 は フ ミ ン 酸 試 料 の 調 製 の と こ ろで 述 べ る こ と に す る . アルカ リ 処 理 の 後 、 再 び 塩 酸 処 理 を 行 う . アルカ リ を 中 和 す る の と 、 アルカ リ 処 理 中 に 溶け込んだ炭酸を除去するためである.アルカリ溶液は14Cを多く含んだ空気中の二酸化 炭 素 を 大 変 よ く 吸 収 して し ま う の で あ る . 2 回 塩 酸 処 理 を 行 っ た 後 、 繰 り 返 し 水 で 洗 って 酸 を 除 去 し 、 乾 燥 機 で 乾 か して 試 料 の 固 形 成 分 が で き あ が る . フ ミ ン 酸 試 料 の 調 製 普 段 な ら ば 不 要 な も の と して 廃 棄 す る アル カ リ 抽 出 液 を 残 して お い て 、 そ れ よ り フ ミン酸試料を調製した2).もし試料が現代の炭素04Cを多く含む炭素)で汚染されてい る な ら ば 、 最 初 に 抽 出 さ れ た フ ミ ン 酸 の 年 代 が 最 も 新 し く 出 て、 抽 出 を 繰 り 返 す ご と に 固 形 成 分 の 年 代 に 近 づ き 、 し ま い に は 固 形 成 分 と 同 じ 年 代 を 示 すよ う に な る は ず で あ る . こ のことを調べれば試料の二次的な炭素による汚染の有無を知る目安になる. フ ミ ン 酸 試 料 の 調 製 法 を 図 2 に 示 し た . と って お い た アルカ リ 抽 出 液 を ガ ラス 繊 維 濾 紙 で 濾 過 し 、 細 か く 砕 け た 木 片 な どの 懸 濁 物 を 除 去 す る . 紙 の 濾 紙 で 濾 過 す る と 、 紙 の 炭 素 が 混 入 して し ま う の で、 ガ ラス 繊 維 製 の も の を 用 いて い る の で あ る . ま た 、 ガ ラス 繊 維 濾 紙 を は じ め 、 実 験 の 全 過 程 で 用 い る 器 具 等 は 、 焼 き だ し 可 能 な も の は は すべ て 焼 き だ して 付 着 して い る 可 能 性 の あ る 炭 素 を 除 去 して い る . 加 熱 し な い も の は 酸 洗 い 、 あ る い は 界 面 活 性 剤 でよ く よ く 洗 う . 扱 う 試 料 が 少 量 に な れ ば な る 程 、 ま た 試 料 が 古 い も の で あ れ ば あ る ほ ど ち ょ っ と し た 器 具 の 汚 染 が 年 代 に 影 響 して し ま う の で、 あ れ こ れ と 注 意 を 払 わ な け ればならないのである. さて、濾過して得られたアルカリ溶液に少量の濃塩酸を添加してpH1以下にするとフミ ン 酸 が 沈 殿 す る . こ れ を し ば ら く 放 置 して 沈 殿 を 熟 成 さ せ た 後 、 上 澄 み を 捨 て て フ ミ ン 酸 の 沈 殿 を 得 る . こ の と き 捨 て た 上 澄 み が 着 色 して い れ ば 、 も う 一 度 沈 殿 に アルカ リ 溶 液 を 加 えて 溶 か し 、 さ ら に も う 一 度 濃 塩 酸 を 加 えて 沈 殿 を っ くる . こう して 上 澄 み に 色 が つ か なくなるまで溶解、再沈殿を繰り返して沈殿を精製する.最後に精製した沈殿を0.1N塩 酸 で 洗 って、 含 ま れて い る 塩 、 特 に アルカ リ 溶 液 ( 水 酸 化 ナ ト リ ウム 溶 液 ) 由 来 の ナ ト リ ウムイオンを除去する.塩酸(HC1)は残っていても後の操作で除くことが出来るのだが、 ナ ト リ ウムイ オ ン は 除 か れず に 最 後 ま で 残 って し ま う の で、 こ の 段 階 で 可 能 な 限 り 除 いて お く . そ う し な い と 測 定 の 際 に 炭 素 イ オ ン ビーム の 出 にくい 、 よ く な い タ ー ゲ ッ ト が 出 来 上 が って し ま う . 炭 素 イ オ ン ビーム の 生 成 に 塩 が 悪 影 響 を 及 ぼ すよ う で あ る . さ て、 こう して ナ ト リ ウムイ オ ン を 除 い た 沈 殿 に は 塩 酸 が 含 ま れて い る が 、 こ れ を 蒸 発 乾 固 さ せる と 塩酸が揮発して、最終的なフミン酸試料の出来上がり.KRSは8回アルカリ抽出を行った ので8点、KYからは2点のフミン酸試料を調製することが出来た. 5 5
タ ー ゲ ッ ト の 作 成 ・ 測 定 こう して 得 ら れ た 炭 化 樹 木 の 固 形 成 分 と フ ミ ン 酸 、 そ れ ぞ れ を 真 空 中 で 蒸 し 焼 き に して 元素状炭素を調製する.元素状炭素数mgに、6倍量の銀粉を混ぜてプレス器で固め、測定 用 の タ ー ゲ ッ ト を 作 成 し た . こ の 作 成 法 は 、 当 セ ン タ ー に グ ラ フ ァ イ ト 化 法 3 ) を 導 入 す る 以 前 の 古 い や り 方 で あ る . こ の 銀 混 ぜ タ ー ゲ ッ ト は グ ラ フ ァ イ ト タ ー ゲ ッ ト に 比 べ て 加 速 器 質 量 分 析 計 に か け た 際 の 炭 素 イ オ ン ビーム が 弱 い 、 タ ー ゲ ッ ト の 持 ち が 悪 い 等 の 難 点 は あ る . し か し グ ラ フ ァ イ ト 化 法 に 比 べ て 非 常 に 手 軽 に 出 来 、 コ ス ト も 安 く て す む た め 、 グ ラ フ ァ イ ト 化 を 主 流 と して い る 現 在 で も 状 況 に 応 じ て 用 いて い る 方 法 で ある. こ こ ま で 来 て、 い よ い よ 作 成 し た タ ー ゲ ッ ト を タ ン デ ト ロ ン 加 速 器 質 量 分 析 計 に か け、 年 代 を 測 定 す る こ と に な る . 朝 来 て 機 械 を 立 ち 上 げ、 状 態 を 整 え た 後 、 一 試 料 あ た り 3 ∼ 4 時 間 か け て 測 定 を 行 う . 測 定 自 体 に か か る 時 間 よ り も 、 試 料 の 前 処 理 に 多 大 な る 時 間 が か か る こ と が お 判 り い た だ け るで あ ろ う か. な お 、 加 速 器 質 量 分 析 に 関 す る 詳 細 は 中 村 ほ か 4)に詳しく述べられているのでそちらをご覧いただきたい. 結 果 ・ 考 察 ・ そ の 他 年 代 測 定 の 結 果 を 表 1 に 示 す. こ の 結 果 に 期 待 を 寄 せ て 話 を 聞 いて 下 さ っ た 方 が 多 か っ た の か も し れ な い が 私 で は A T の 核 心 に 迫 る 話 が あ ま り 出 来 な い の で 恐 縮 で あ っ た . 結 果は24、500年前後.KRSとKYの固形成分が誤差範囲内で一致した年代を示した(年代算 出 、 誤 差 の 付 け 方 等 に つ いて は 4 ) を 参 照 して い た だ き た い ) . さ ら に フ ミ ン 酸 の 値 は 固 形 成 分 と 大 差 が な く 、 ま た 系 統 的 な 変 化 を 示 して い る わ け で も な い . フ ミ ン 酸 試 料 の 調 製 の と こ ろで 述 べ た 、 現 代 の 炭 素 に 汚 染 さ れて い た 場 合 に 想 定 さ れ る 現 象 は 見 ら れ な か っ た と い える . 試 料 は 現 代 炭 素 に よる 汚 染 を 受 け て は い な か っ た と み る こ と に し た い . ま た 値 自 体 は 、 世 に い わ れて い る 2 万 1 千 年 ∼ 2 万 2 千 年 前 後 説 で は な く ま だ 少 数 派 で ある 2万5千年前後説 5)ヽ6)を支持する結果となった.詳細な検討は、試料採取者、 提 供 者 、 調 製 者 、 測 定 者 が 入 り 乱 れて 執 筆 中 で あ る 現 在 投 稿 中 の 論 文 で 述 べ る つ も り な の で、世に出る日をお待ちいただきたい. 後 の 質 疑 応 答 で は 、 試 料 を 処 理 す る 溶 液 の 濃 度 に は ま だ い ろ い ろ と 検 討 の 余 地 が あ る と の ご 意 見 を 賜 っ た . ま さ にそ の 通 り だ と 感 じ る . 自 分 は ど う い う 条 件 で 処 理 さ れ た ど う い う 物 質 の ど う い う 年 代 を 知 り た い の か. 個 性 あ る 試 料 そ れ ぞ れ に 応 じ た 最 も よ い と 思 わ れ る手法を検討することは重要であると考える. お わ り に 年間3000試料をこなすことが可能であるというタンデトロン2号機の導入がとうとう決 定し、これからは是非とも14C年代を必要とされる皆様に試料調製に参加していただかな く て は な ら な い と 感 じ て い る . 年 代 測 定 セ ン タ ー の 数 少 な い ス タ ッフ だ け で は と て も カ バー して い け な く な る こ と は 目 に 見 えて い る . そ の よ う な こ と で、 今 ま で は 測 定 を 依 頼 さ れ る だ け だ っ た 方 に も 試 料 調 製 に 関 心 を 抱 いて 頂 くべ く 、 今 回 の よ う な 話 を さ せ て い た だ いた次第である.皆様の協力をお願いしたい. 参 考 文 献 こ の よ う な く だ け た 話 を す る 中 で も 、 ど う して も 紹 介 して お き た か っ た 文 献 で あ る . 関 心のある方は是非御覧頂きたい. 1)町田洋・新井房夫(1992)火山灰アトラス[日本列島とその周辺].東京大学出版 会 * 日 本 中 の 火 山 灰 に 関 す る デ ー タ を 集 め た 本 で あ る . テ フ ラ に 関 して 素 人 の 私 は こ の 本 に ずいぶんお世話になっている. 5 6
2 ) 中 村 俊 夫 ・ 岩 花 秀 明 ( 1 9 9 0 ) 岐 阜 県 諸 家 遺 跡 出 土 の 遺 物 か ら 採 取 さ れ た 炭 化 物 と そ の 抽出フミン酸の加速器14C年代の比較.考古学と自然科学、::!2:5976 * 試 料 の 固 形 成 分 と フ ミ ン 酸 を 調 製 す る 方 法 は 、 主 と し て こ の 文 献 に 述 べ ら れ て い る や り 方 に 改 良 を 加 え た も の で あ る . おKitagawa、H.、Masuzawa、T.、Nakamura、T.andMatsumoto、E(1993)Abatchprepatarion mcthodforgraphitetargetswithlowbackgound150rAMS14Cmcasurcmcnts・沢aぶoca盾aj7、 35:295300 * 現 在 、 当 セ ン タ ー で 主 流 と し て い る グ ラ フ ァ イ ト タ ー ゲ ッ ド の 作 成 法 に つ い て の 文 献である. 4 ) 中 村 俊 夫 ・ 中 井 信 之 ( 1 9 8 8 ) 放 射 性 炭 素 年 代 測 定 の 基 礎 一 加 速 器 質 量 分 析 法 に 重 点 をおいてー.地質学論集、29:83106 * 加 速 器 年 代 測 定 に 関 す る 原 理 的 な こ と や 測 定 結 果 の 処 理 な ど の 基 本 事 項 に つ い て 書 か れ て い る . 加 速 器 年 代 測 定 に 関 心 を お 持 ち の 方 は 一 度 は お 目 通 し い た だ き た い . 5 ) 松 本 英 二 ・ 前 田 保 夫 ・ 竹 村 恵 二 ・ 西 田 史 朗 ( 1 9 8 7 ) 姶 良 T n 火 山 灰 の 1 4 C 年 代 . 第 四 紀 研究、:!6:7983 6 ) 村 山 雅 史 ・ 松 本 英 二 ・ 中 村 俊 夫 ・ 岡 村 真 ・ 安 田 尚 登 ・ 平 朝 彦 に 9 9 3 ) 四 国 沖 ピ ス ト ン コ ア 試 料 を 用 い た A で Γ 火 山 灰 噴 出 年 代 の 再 検 討 . 一 タ ン デ ト ロ ン 加 速 器 質 量 分 析 計による浮遊性有孔虫の14C年代.地質学雑誌、!)9: 787798 * A T に 関 す る 年 代 測 定 は 数 多 く 行 わ れ て い る が 、 そ の 中 で 4 ) 、 5 ) の 文 献 は A T の 噴 出 年 代 が 2 万 5 千 年 前 後 で あ る と す る も の で あ る . そ の 他 A T に 関 す る 年 代 値 は 文 献 1 ) に 多 数 収 録 さ れ て い る の で 、 そ ち ら も ご 覧 頂 き た い . 57
卜
け
甲
、火山灰等を落と
1
一
万
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匹ミふ棄
(固形成分) ( チ ャ ー ト (固形成分)匝]H
図 1 1 炭 化 木 片 の 前 処 理 の 手 順 . 1 58痢
丿
(NaOH抽出溶液)ザ
(チャートその3へ続く)
J
C1がぬけるまで水 100Cで乾燥 くりかえしJ
+1.2NHC1 加 熱 1 ∼ 2 時 間 固 形 成 分 十〇.1NNaOH〔加熱2∼3時間
示 顕 苓 海 かつ、0.1NNaOH YES出成分多い
几
(NaOH抽出溶液)
固形成分
|+1.2NHc1
〔加熱0.5∼1時間〕
ら
し
その2へ続く)ロ
ラズ繊維漉紙で漉
⑤
溶液
O痘心分
じ
句
懸濁物 除去
HC1(pH<1となるまで)屈十分開放價と]
離(:3000rpm,15miJl(300()rpm,151niJ〔j心分離(3000rpm,15miljy)
国
験
←
ノ
☆
+ 1 2 N H C 1 2 0 ∼ 3 0 m l ⑤ N N a O H
沈
殿
衣 撹 絆 し y こ 4 、 ] 〔 a 。 四 E 〕
遠心分離(3000rpm、15min)
O
レ
鴛
?
7
‰
ゾ
]
ブ
匝xj]n
( チ ャ ー ト そ の 3 へ 続 く ) 図 1 2 炭 化 木 片 の 前 処 理 の 手 順 2 5 9 パイレックスガラス管に入れ
じ 真 空 引 き 、 封 じ 切 る
r ト kト
500 C、2時間加熱J
を折り、100 cで乾萄白
(炭化物の6イ音量)
よく混合、
じプレス機で直径3mmの]
ターゲットを作成
測 定 用 タ ー ゲ ッ ト 図 1 3 炭 化 木 片 の 前 処 理 の 手 順 3 6 0表1大隅降下軽石及び入戸火砕流中より採取された
炭化木片とフミン酸の14C年代
試料A
(大隅降下軽石)
固 形 成 分 フミン酸1 2 試料B (入戸火砕流 固 形 成 分 フミン酸1 2 3 4 5 6 7 8 14C年代゛誤差̈ (yBP)(1的 24,790士350 24,050土350 24,750 360 14C年代゛誤差̈ (yBP)(1(7) 24,240土250 23,730土390 23,630士250 23,870土300 24,420土320 24,840士300 24,650士390 25,270士290 23,590 390 ゛半減期=5568年. ゛゛14Cの計数に基づく統計誤差(1び) 6 1Accel{:う1゛atorMassSpcうctrometric14CDatingofAiraTnAsh ∼FromtheStoryofSamplePr(:うparation4SorAMS14CDating∼ Akikolkeda (Datingandmaterialsmse11rchcenter・Nagoyaun沁el7sity) lalwaysthinkandwanttosaythatthel)eうrsonswhoneed14Cdatashouldpl7epare samPlesforthemselves.Becauselthinkitisimportantforyoutoknowhowyour PrecioussanlPlesarer)1゛(4)aredandvariesitsfigureandpropertyintheplocessof l)17cうParation.lhadanoPPortunitytospeakaboutthesamPlePr(うPatarionProcedure ofwoodch21rcoalsfromAiraTnash(AT)whoseeruptionageisabout24,500yBP andemPhasizedtheimPOI7tanceofyoul7takingPartinsampleprcう1)aration. WearetohaveanewTANDETRONAccderatorMassSpectrometerinNagoya universitynextyear,So,wewanttosharethishapl)inesswithyou. 62