東京大学大学院
理学系研究科
地球惑星科学専攻

ウェブマガジン第9号前編

分子地球化学

 

-原子・分子レベルから地球をみる面白さ・重要さ-

 

 

高橋 嘉夫 (東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻 教授)

 

[1][2][3]

 

「分子地球化学への誘い」

 

 いうまでもなく地球・惑星は元素からできている。その元素どうしの相互作用の積み重ねで地球・惑星は進化をし、物質循環が起き、生命が育まれた。これらの現象は必ず化学反応を伴い、それを扱うのが地球化学である。現代の地球化学は、Goldschmidt (Victor Moritz Goldschmidt; 1988~1947;図1)により創始され、「元素の分配と挙動」を基本課題に据えて発展してきた。その後、岩石圏・土壌圏・水圏・大気圏のあらゆる相を対象としながら、同位体地球化学の発展や地球環境科学への貢献などを経て、地球科学の様々な分野を包含しながら、地球化学は今なお大きく発展している研究分野である。

 Goldschmidtは、地球惑星でおきる元素の分配・挙動を物理化学的に統一的に理解することを目指したが、当時原子レベルでの相互作用を調べる手法は限られており、化学的な本質は想像するほかなかった。しかし、近年の様々な物理化学的手法の発達により、ようやく我々は地球で起きる様々な現象を原子レベルで突き詰めて議論できるようになってきた。このような分野は「分子地球化学(Molecular Geochemistry)」と呼ぶことができ、地球化学の根本的課題である「元素の分配と挙動」を原子・分子レベルから扱い、今後の地球化学の発展を担う重要な研究分野である。もしGoldschmidtが現在生きていたら、これら最先端の手法を駆使して、地球化学をより多彩に、より系統的に、そしてより本質的に追及したことであろう。

 

 筆者はこうした手法のひとつとして、主にX線吸収微細構造(XAFS)法を用い、地球惑星系で起きるあらゆる化学現象に関心を持って研究を進めている。これらには、地球惑星や生命の進化、現在の物質循環、環境化学や資源化学などの様々な問題が含まれている。以下に紹介する分子地球化学の研究例を通じて、「原子分子レベルから地球で起きるマクロな現象を理解する面白さ」や「化学をベースして隕石から土壌まで様々な試料が扱える地球化学の醍醐味」を味わって頂ければと思う(図2)。また同時に、地球化学が持続可能な社会の実現に大きく貢献できる分野であることも強調したい。

 

 

 

「地球化学の面白さ:得意な手法を用いてあらゆる研究対象に挑戦」

 

 地球化学の面白さには、自分が得意な手法を用いて様々な研究対象にアプローチできるという点がある。私もご多分に漏れず、隕石からマントルの石まで、あるいは気体・水・固体試料など、あらゆるものを研究対象にしてきた。それは他の分野からみればあまりに軽はずみにみえるだろうと思うし、自分でも本質を見誤った研究をしていないか不安になる。しかし、地球惑星を俯瞰してみる場合、そうした経験は重要だろうし、元素合成に始まり将来の地球環境まで見通すために、化学というキーワードで様々なことを調べるのは悪いことではない。そもそもGoldschmidt先生からして、そうした研究スタイルだった。地球化学で重要なことは、元素の性質にまで立ち返って、系統的に地球をみていくことである。ここでは、このような立場で行ってきた研究を、時系列的に並べてみた。特に学生さんには、一人の研究者が迷いながら成長(?)してきた過程をお読み頂ければと思う。

 

 私は博士号取得まで東大理学部の化学教室で研究をしていた。学部3年の学生実習でやった溶媒抽出実験で、久保謙哉先生(現ICU教授)に有機相中の溶存金属イオンの化学状態について質問をしてから、元素の化学種(スペシエーション)に興味を持ち、今に至っている。卒業研究では、富永健・巻出義紘両先生主宰の放射化学研究室が当時推進していたフロンの分析の研究を行った。当時オゾンホールが発見され、フロンによる成層圏オゾン層の破壊が大きな注目を集めており、F. S. Rowland教授(カリフォルニア大学アーバイン校;富永・巻出両先生の恩師)のノーベル賞受賞(1995年)も比較的身近な出来事として感じることができた。ここで大気の研究に多少なりとも触れたことで、現在行っているエアロゾル研究にも抵抗なく取り掛かれたのかもしれない。

 

 修士・博士課程(1992~1997年頃)では、同じ放射化学研究室で薬袋佳孝先生のご指導の下、放射性廃棄物の地層処分問題の基礎研究として、アクチノイド元素の地層中での挙動を研究した。ここで本格的にアクチノイド・ランタノイドのスペシエーションを調べることになり、溶液中での錯体形成や固液界面での吸着現象などを室内実験や分光学的手法(レーザー誘起蛍光法;JAEAの木村貴海博士との共同研究)を用いた研究した。これらの研究は、現在でも比較的よく引用されており、自分の研究の礎となっている。その内容は、いくつかの総説論文にまとめているので、そちらを参照されたい([1][2])。

 

「スペシエーション(化学種解析)に基づく地球化学の研究」

 

 その後1998年4月に広島大学大学院理学研究科地球惑星システム学専攻に助手として着任した。化学から地学への転向であり、大きな転機となった。以 降、本格的にXAFS法を用いたスペシエーションを中心に据えた地球化学・環境化学の研究を開始した。研究室は、清水洋教授が主宰する新しいラボで、そこ で沢山の学生(博士号取得者7名、修士修了者約50名、卒業研究のみ約15名)と一緒に研究をしてきた(2014年5月まで;図3)。

 

当初はどのようにしたら学生さんと一緒によい研究ができるかに悩み、とても苦しんだが、徐々に学生さんに「任せて、待つ」ことが大事であることに気づき、それ以降多くの成果が発信できるようになった。 沢山の優秀な学生さんと研究ができたことに心から感謝している。研究内容は当初は、希土類元素地球化学の大家である清水先生のご指導も頂きながら、希土類元素を中心に研究していた。特に地球の過去の酸化還元状態の指標として重要とみなされてきたセリウム異常(Ce異常)について、Ce(III)のCe(IV)への酸化がその異常の原因とされてきたが、これまで直接的に価数比をXAFS法などで調べた例がなかったので、Ce(IV)/Ce(III)比を調べ、Ce異常の程度と比較することで、マンガン団塊の成因や花崗岩の風化過程などを調べた。

 

*研究1: 岩石中のセリウムの酸化還元状態がもたらす地球化学的知見(「放射光」誌総説)

 

 このセリウムの研究は、地球化学で起きる化学反応の素過程を化学状態解明から調べた研究として自分でも楽しく進めることができた。その後、マンガン団塊の研究は多くの元素を対象にした研究に発展し、マンガン団塊・クラストへの微量元素の濃集機構の解明の研究(近日中に臼井朗博士らと共著の教科書「海底マンガン鉱床」(東大出版会)が出版の予定)、海洋環境でのモリブデンの同位体分別の研究(当研究室で学位を取得した柏原輝彦博士との共同研究)、セリウム安定同位体により古酸化還元状態の推定に関する研究(同・中田亮一博士との共同研究)などに発展した。これらの研究は、微量元素の化学反応性を物理化学的に調べることが、新たな地球化学的ツールの開発につながることを示しており、こうしたボトムアップ的な分子地球化学的研究が今後重要になることを示している(図4)。

 

これらの研究(図5)にさらに興味がある方は、以下を参照して頂きたい。 

 

*研究2: 地球の化学環境の変化による元素の水溶解性の変化と生命の進化

*研究3: 重元素安定同位体比の変動要因解明による地球の古酸化還元状態の精密な推定

 

 地球化学の重要な研究対象に、同位体というものがある。地球化学は、様々な試料が持つ濃度情報と同位体比の情報を大きな柱として発展してきた。ここで述べた研究2や研究3は、それぞれ濃度や同位体比を主題にしているが、それらの変化は化学素過程の積み重ねの最終結果として現れるものであり、濃度や同位体比の支配因子の理解には分子地球化学的考察が重要であることを示している(図6)。

 

 さて地球上で起きる同位体比の変化の要因には、主に放射壊変に伴って生成する子孫核種の元素の同位体比の変動と、研究2で問題にしたような質量の違いに起因する同位体分別による変動の2種類がある。特に前者は、地球科学試料の年代測定と密接に関連しており、地球化学的に極めて重要な分野である。この年代測定を行う上で、試料中の親核種と子孫核種が化学的に安定であることは極めて重要である。このうち親核種は、多くの場合試料生成時から含まれていたものなので、化学的に安定である。しかし子孫核種は、化学的安定性とは無関係に放射壊変により生成したものであり、その試料中の位置で化学的に安定になっているとは限らない。しかし、子孫核種が化学的に不安定なために、何らかの現象(例えば拡散や水による溶出など)で試料から除かれその濃度が減少してしまうと、得られる年代値は実際よりも若くなってしまう。このようなことから、放射壊変で生成した子孫核種の化学的安定性は、年代測定の基礎となる重要事項である。このような観点から、187Re-187Os年代測定系での子孫核種(187Os)のモリブデナイト中での安定性についてXAFS法から検討したのが以下の研究例である。

 

*研究4: 放射壊変起源の娘核種の結晶中での化学状態(「放射光」誌総説論文の3章参照)

 

中編「スペシエーションに基づく水圏環境化学の研究」につづく