地球化学が明らかにする地球と私達の関係

地球化学とは具体的に何を研究し何を解き明かすのか

地球化学(Geochemistry)は、地球を構成する岩石・鉱物・水・大気・生物といったあらゆる物質の化学組成や、その中に含まれる元素の挙動を手がかりに、地球というシステムの成り立ちと変化を解き明かす学問です。
地質学が地層や岩石の形成過程を扱い、化学が物質の反応や組成を扱うのに対し、地球化学はその両者を統合し、「なぜこの岩石にはこの元素がこの量だけ含まれているのか」「この水にはなぜこの同位体比の水素や酸素が含まれているのか」といった研究を行います。

具体的には、マグマがどのように結晶化し地殻を形成してきたか…、海水の化学組成が数十億年の間にどう変化してきたか…、大気中の二酸化炭素濃度が過去にどのように変動してきたか…、といった地球の歴史を、岩石、鉱物、氷床コア、堆積物などに残された化学的な痕跡から読み解きます。
さらに、現在起きている物質循環、例えば炭素、窒素、リンといった生命活動に不可欠な元素が、大気・海洋・生物・岩石の間をどのように巡っているか、を明らかにすることも、地球化学の重要な役割です。

こうした研究は、単に過去を知るだけでなく、現在私たちが直面する気候変動や資源枯渇、環境汚染といった課題を理解し、将来を予測するための土台にもなります。岩石一片、水一滴、氷床コアのごく薄い一層に刻まれた元素の記録は、いわば地球からのメッセージであり、地球化学の研究者はそのメッセージを読み解く翻訳者とも言えるでしょう。

地球という巨大なシステムの過去・現在・未来を、元素という言語を通じて理解する学問、それが”地球化学”ではないでしょうか。

地球化学の分類とそれぞれの具体的な研究内容

地球化学は扱う対象や手法によって、いくつかの分野に分類されます。

この他にも、海水の化学組成や熱水噴出孔での物質循環を扱う海洋地球化学、隕石や惑星物質を分析し太陽系の起源に迫る宇宙化学(コスモケミストリー)など、地球化学が扱う対象は地球にとどまらず宇宙にまで広がっています。それぞれの分野は独立しているわけではなく、複数の手法を組み合わせることで、より立体的に地球の姿を描き出すことができます。

分析装置の高度化がもたらしたメリット・デメリット

こうした地球化学研究を支えてきたのが、分析装置の目覚ましい高度化です。ICP-MS(誘導結合プラズマ質量分析装置)やTIMS(表面電離型質量分析装置)などの登場により、かつては測定不可能だったppt～ppqレベルの超微量元素や、ごく僅かな同位体比の違いまで検出できるようになりました。

従来、分析には数グラム単位の大量の試料が必要でしたが、砂粒一つ、氷床コアのごく薄い一層、隕石のごく微小な粒子といった極めて限られた試料でも可能になり、より高い時間・空間分解能で地球の歴史を読み解けるようになりました。最小限の試料で済むこうした手法は、貴重な試料で最大限分析できるという点でも大きな意義を持ちます。

一方、検出感度が上がるほど、試料の採取・保管・前処理の過程で混入するごく僅かな汚染物質が、本来とは異なる分析結果をもたらすリスクが高まります。高精度な装置を使っても、試料に触れる容器や試薬から汚染されれば、得られる数値は自然の情報ではなく汚染由来のノイズになってしまいます。
また装置の高度化・高感度化に伴い、データ量や解析の複雑さも増しており、これまで以上に緻密な管理体制が求められるようになりました。

微量金属混入による影響と分析精度向上への取り組み

前述の通り、微量元素の分析では、ガラス製容器からのナトリウム、ホウ素、金属元素の溶出、大気中の粉塵など、あらゆる場面に汚染源が潜んでいます。海水中の希土類元素や氷床コア中の鉛同位体比のように、対象元素の存在量がppt～ppqレベルである場合、容器由来のわずかな汚染でも測定結果を大きく左右しかねません。

装置の性能を最大限に引き出し、信頼できるデータを未来に残していくためには、分析の土台となる容器や試薬の品質にも、これまで以上に目を向ける必要があるでしょう。こうした課題に対応するため、地球化学の研究現場では、クリーンルームでの試料調製に加え、金属溶出が極めて少ないPFA樹脂容器の使用や、高度分析装置の試料前処理に使用する酸の超高純度化などの対策が取られています。

地球化学の展望と可能性

地球化学は今後、気候変動の理解を深めるための古気候復元研究、はやぶさ2やOSIRIS-RExが持ち帰った小惑星試料の分析、将来の火星サンプルリターン計画など、地球の枠を超えた惑星科学分野への応用はますます重要性を増しています。
また、リチウムやコバルト、希土類元素といった次世代技術に不可欠な資源の探査、環境汚染源の特定や生態系への影響評価といった社会的な課題の解決にも、地球化学の知見が求められています。
深海底の熱水鉱床や地球深部を対象とした掘削研究など、これまで手の届かなかった領域への挑戦も続いており、地球化学が対象とするフィールドは今後も広がり続けるでしょう。

サビレックスが提供するPFA製ジャー、バイアル、非沸騰式酸蒸留装置も、こうした超微量分析におけるバックグラウンド汚染の低減に貢献してまいりました。分析装置の進歩と容器や試薬の高純度化は、いわば車の両輪として、地球化学の分析精度向上を支えています。
サビレックスは、こうした研究の基盤を支える高純度PFA製品の提供を通じて、地球化学をはじめとするあらゆる分野の研究者の皆様の探求を、これからも支えてまいります。

• PFAジャー
  豊富な容量バリエーションを揃えた保管容器です。広口で開口部から容器の底まで段差がないのため、海洋水や岩石試料の保管はもちろん、氷の試料といった-200℃までの凍結保存にも対応可能で、用途や必要な量に応じて容量・形状を柔軟にお選びいただけます。
• PFAバイアル
  微量サンプルの調製・保管に適したコンパクトな設計となっており、ICP-MSなどの高感度分析における前処理容器として、多くの研究現場でご利用いただいています。密閉性に優れたキャップ構造も特長の一つで、サンプルの蒸発や汚染を防ぎます。
• PFAボトル
  独自のフッ素樹脂ストレッチブローによる歪みがない成形により、極めて高い気密性と密閉性を実現し、空気中の汚染物質の侵入を防止した薬液の安全な保管を促進します。機械による2次切断工程がないため微量金属の付着および樹脂微粒子混入の原因となる注出口の微細な切削痕もありません。
• 非沸騰式酸蒸留装置
  非沸騰式蒸留により1ppbグレードの酸を10pptグレードに高純度化する自動精製装置です。ヒーター内蔵式で接液部は全てPFAで成型され、蒸留された酸は直接回収ボトルに流入するため不純物の混入を回避できます。ICP-MSの試料前処理に使用する高純度酸の調達コスト削減に貢献します。
• PFAコーティンググラファイトホットプレート
  熱伝導性が高く粒子が細かいグラファイト天板の表面をPFAでコーティングしています。本体には熱源を多く配置するなど、温度分布性と純度を追求し、極めて均一で汚染のない試料分解が要求される微量金属分析の前処理用ホットプレートです。