Geologic Age

地球の歴史：地質時代の区分　　　　　　2024.08.31 version

1相対年代

2放射年代

3地質時代区分

4人新世

参考　E-Bookや動画の紹介

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要点

・相対年代：化石(古生物)を利用する時代区分

・放射年代：元素の放射性壊変を利用して数値で示す年代

・地質時代は，無生物や原始的生物の先カンブリア時代と本格的生物が多くなる古生代，中生代，新生代に区分

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自習の効率をあげるため本文中にある問いをはじめにまとめる。

問い1　　化石のうち，地質時代を決める化石を何というか。その例の化石をあげる。

(回答例を1まとめの後に記す)　→　リンク

問い2　　地球の歴史を1年にたとえると，人類の出現はいつのことか。地球の歴史の始まりを46億年前，人類の出現を250万年前とする。

(回答を2のまとめの下に記す)　 →　リンク

問い3　　過去の動物を見ると，魚類から両生類と進化し，海から陸に進出するようになる。これは地質時代でいつのことか。

(回答を3まとめの後に記す)　 →　リンク

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1相対年代

生物は時間の経過とともに変化(進化)し，種類が増減する。そのような古生物の特徴を利用する時代区分を相対年代という。

化石

地質時代の生物を古生物といい，古生物や古生物の活動の痕跡を化石という。活動の痕跡を生痕化石(せいこんかせき)という。

生痕化石の例　恐竜の足跡の化石(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e9/Trex_footprint.jpg

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示準化石と示相化石

示準化石(しじゅんかせき)：時代を決めるのに役立つ化石，例えば三葉虫やアンモナイトは有名。

例　三葉虫　古生代を代表する化石(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c7/Phacops_rana.jpg

例　アンモナイト　ドイツの生物学者によるアンモナイト図説(1904)，ウィキペディアより

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/da/Haeckel_Ammonitida.jpg

古生代後半から中生代の示準化石，形態の変化から細かな時代区分ができる。

示相化石(しそうかせき)：暑いか寒いか，真水か海水かなどの環境がわかる化石。

例　造礁サンゴ　熱帯の浅い海に生息(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Coral.jpg

例　ビカリア　新生代第三紀に生息する示準化石であるとともに熱帯‐亜熱帯のマングローブ海岸を示す示相化石でもある。(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/Vicarya_japonica.jpg

示相化石の例

生物は種類によって住んでいた場所などの環境が異なる。化石によって，その地層ができた環境を特定できる。

サンゴ　　　　　暖かく浅い海

シジミ河口・湖　

アサリ・カキ・ハマグリ浅い海

ブナ(の葉っぱ) 温帯のやや寒冷な地域

マンモス　寒冷な気候

ホタテ寒冷な海　　

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相対年代

生物は時間の経過とともに変化し，種類が増減する。このような生物の特徴を利用する時代区分を相対年代という。このように地質年代ごとに化石(示準化石)の種類が異なっていく。

示準化石と地質時代(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Index_fossils.gif

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問い1

化石のうち，地質時代を決める化石を何というか。その例の化石をあげる。

回答例をまとめの下に記す。

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1のまとめ

生物は時間の経過とともに変化し，種類が増減する。このような古生物の特徴を利用する時代区分を相対年代という。

問い1　回答例

示準化石

三葉虫，アンモナイト，恐竜など

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2放射年代

元素の放射性壊変を利用して数値で示す年代を放射年代という。絶対年代ともいう。

放射壊変の基礎

同位体：同じ元素で質量数が異なるもの。原子核は陽子と中性子からなるが，中性子の数が異なると質量数が異なる。

核種：原子を陽子数(原子番号)と中性子数の組合せで区別したもの。元素記号の左肩に質量数をつけて表す。例　炭素(C)は原子番号6(陽子数6)で中性子数が6,7,8の3種類の核種がある。¹²C, ¹³C, ¹⁴Cで，炭素12，炭素13，炭素14とよぶ。

親核種と娘核種：放射性核種は放射壊変する。この際，元の核種を親核種，壊変でできた核種を娘核種という。

年代決定の原理：親核種と娘核種の量，あるいは残った親核種の量からその壊変に要した時間を求めることができる。親核種の数が初めの1/2になるまでの時間が半減期(T1/2)，核種(同位体)ごとで決まっている。

放射壊変のグラフ(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Plot-exponential-decay.svg

はじめに1ベクレルあった放射性物質がどれだけの速さで減衰するのか表したグラフ。崩壊定数が大きい(=半減期が短い)と，早く減衰する。

例　放射性炭素(¹⁴C)法

炭素14(¹⁴C)は壊変で窒素14(¹⁴N)となる。その半減期は5700年である。

つまり，親核種　炭素14，娘核種　窒素14，半減期5700年

ある試料の炭素14の75%放射性壊変していた。この試料は何年前にできたものか。

炭素14はもとの量の25%が残っていたことになる。

25%=1/4=(1/2)×(1/2)より半減期の2倍の時間が経過している。したがって

5700×2=11400年

そのほかの放射年代法

ウラン・鉛法

　親核種　ウラン238，娘核種　鉛206，半減期44.7億年

カリウム・アルゴン法

　親核種　カリウム40，娘核種　アルゴン40 (11%)，カルシウム40 (89%)，半減期12.5億年

ルビジウム・ストロンチウム法

　親核種　ルビジウム87，娘核種　ストロンチウム87，半減期492億年

放射年代を求めるために核種の比を測定する。その際に質量分析計を用いた精密な分析を行う。

質量分析計(ウィキペディアより)

Q-TOF.jpg (450×338) (wikimedia.org)

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参考：年代決定の事例

上記の年代測定例では放射性壊変した量から求めた。

実際には娘核種と親核種の比を質量分析計から求め，半減期とあわせ，年代値を得ることが多い。計算では指数や対数などを使う。やや難解なのでこの項は省略可。

まず，指数と対数を復習する。

指数と対数は同じ意味のことを異なる表現で示している。例えば，指数を使った表現　8=2³ (2x2x2) は，2を3乗したものが8の意である。対数を使った表現　log₂8=3　は2を何乗したら8になるのかの意で，3を得る。

つまり，aのp乗＝M　←→　p＝log a M，ここでaを底(てい)，Mを真数(しんすう)という。

自然対数は　ln，Ln，LN と表す。エクセルなどの計算ではLNに数値を与え，べき数を得る。

この自然対数の底は無限数でeと表す。e=2.718…，ネイピア数という。

「自然」であるというのは，数学では自然な性質だから。例えば微分や積分などを容易に定義できる。

指数関数eのx乗はexp xであらわす。e^xということ。

底がeである指数関数のグラフ(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Exp.svg

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ジルコンのウラン鉛同位体で年代を求める

最近はジルコンのウラン鉛同位体から年代を決定することが多い。すなわち核種の比(同位体比)を測定し，理論にあてはめ年代を求める。

例題　

測定値として，娘核種鉛206(²⁰⁶Pb)と親核種ウラン238(²³⁸U)の比，²⁰⁶Pb/²³⁸U=0.00301を得た。放射壊変は，²³⁸U→²⁰⁶Pb+8α+6β，この壊変定数λ₂₃₈=0.155x10^-9 /年として年代を求める。

なお，前の説明で出てきた半減期は，T(1/2)=LN(2)/λ，つまり2の(自然)対数を壊変定数で割ったものである。

放射性起源の鉛を含まない核種²⁰⁴Pbで規格化した壊変式は一般に次のようになる。

²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb=(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)₀+(²³⁸U/²⁰⁴Pb) x (exp (λ₂₃₈ x t)-1)

ここで，exp (λ₂₃₈ x t)は指数eの(λ₂₃₈ x t)乗を示す。

(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)₀は形成時(t=0)に存在した鉛の同位体比を示す。

ジルコンはUに富むので試料中の鉛は放射性起源の同位体とみなすことができる。

そこで，(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)₀は無視できる。

つまり，²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb=(²³⁸U/²⁰⁴Pb) x (exp (λ₂₃₈ x t)-1)

そこで，²⁰⁶Pb=²³⁸U x (exp (λ₂₃₈ x t)-1)

よって，²⁰⁶Pb/²³⁸U=exp (λ₂₃₈ x t)-1

この式に測定値を代入する。

0.00301= exp (0.155x10^-9) x t)-1

exp (0.155x10^-9 x t) = 1.00301

自然対数に換算して，べき数を求める。関数電卓あるいはエクセルでLN(数値)から求めることができる。

0.155x10^-9 x t = LN (1.00301) = 0.0030055

t=0.0030055/0.155x10^-9 =19390187年(19.4Ma)，つまり1940万年。

年代を求める式を言葉で書くと

年代=自然対数[鉛206とウラン238の比(²⁰⁶Pb/²³⁸U) +1]÷壊変定数

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例　黒雲母のカリウム・アルゴン年代

カリウム40は放射壊変してカルシウム40やアルゴン40に変化する。アルゴンはマグマの状態のときはガスでとんでしまう。マグマから鉱物ができたときをスタートとしてカリウム40から変化したアルゴン40は鉱物の中にとどまり時間とともに増えていく。

その原理でアルゴン40 (⁴⁰Ar)とカリウム40 (⁴⁰K)の比は古い岩石(鉱物)ほど大きくなる。年代値Tは次の式で求められる。

T=(1/λ)x LN {1+(1+R)/R x (⁴⁰Ar/⁴⁰K)}

λは壊変定数でλ=5.3 x 10^-10 /年，カルシウムに変わるλ_βとカリウムに変わるλeの和。

Rは分岐比という定数，R=0.124，λ_β/λe，LNは自然対数。

実際の測定例から年代を求める手順は次の通り。

Kは，通常の化学分析から求めることができる。K2Oで求められたときはKに換算する。

⁴⁰Kはカリウム中での存在比が決まっているので(= 0.019%)，化学分析で得たKから求めることができる。

鉱物中のアルゴンは高周波加熱装置などで抽出する。質量分析装置でアルゴンの同位体比をもとめ，アルゴン全体の量との案分で⁴⁰Arを求める。

例題　

群馬県の沢入(そうり)花こう岩中の黒雲母(河野・植田，1966)

K % =6.93, ³⁶Ar/³⁸Ar =0.00002, ⁴⁰Ar^T/³⁸Ar=0.62714, ⁴⁰Ar^R/³⁸Ar=0.61999, ⁴⁰Ar/⁴⁰K=0.005218,

ほかに空気補正値% =0.94

直ちに⁴⁰Ar/⁴⁰Kを使い年代計算式に代入してみる。

T=(1/λ)x LN {1+(1+R)/R x (⁴⁰Ar/⁴⁰K)}

= (1/5.3 x 10^-10) x LN {1+ (1+0.124)/0.124 x (0.005218)}

= (1/5.3 x 10^-10) x LN {1.047}

= (1/5.3 x 10^-10) x 0.0459

=45.9/5.3 x 10^-7

=8.66 x 10^-7年 (8700万年前)

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問い2

地球の歴史を1年にたとえると，人類の出現はいつのことか。

地球の歴史の始まりを46億年前，人類の出現を250万年前とする。

回答を2のまとめの下に記す。

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2のまとめ

古生物の変化に基づく相対年代に対して，元素の放射性壊変を利用して数値で示す年代を放射年代，または絶対年代という。

問い2

回答例

1年＝365日＝365ｘ24(時間)＝8760時間＝8760ｘ60ｘ60(秒)＝31,536,000秒

人類の出現/地球の歴史

250万年/46億年＝0.00054

46億年を1年にたとえると

31,536,000秒ｘ0.00054＝17100秒＝4.75時間＝4時間45分

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3地質時代区分

かたい骨格をもった多細胞動物が多数出現したときを境界とし，それより前を隠生累代(いんせいるいだい)または先カンブリア時代といい，それ以降を顕生累代(けんせいるいだい)という。

隠生累代は，地質年代値の数値で区切られ，古い方から冥王代(めいおうだい)，始生代(しせいだい)，原生代(げんせいだい)に区分される。

顕生累代は，代表的な動物群を基準に，古生代(こせいだい)，中生代(ちゅうせいだい)，新生代(しんせいだい)に区分される。

代，時代

紀(世)　(先カンブリア時代は代)

生物界

新生代

第四紀　　(完新世/更新世)

新第三紀 (鮮新世/中新世)

古第三紀 (漸新世/始新世/暁新世)

動物：哺乳類

植物：被子(ひし)植物

中生代

白亜紀

ジュラ紀

三畳紀

動物：爬虫類(はちゅうるい)

植物：裸子(らし)植物

古生代

ペルム紀

石炭紀

デボン紀

シルル紀

オルドビス紀

カンブリア紀

カンブリア紀に生物が爆発的に発生する。

大局的には，無脊椎動物→魚類→両生類と進化し繁栄する。

先カンブリア時代

原生代

始生代

冥王代

主な放射年代：古生代の始まり541，中生代の始まり252，新生代の始まり66(単位は百万年前)

それぞれの地質時代にどんな特徴があるか，簡単に記す。

先カンブリア時代　生物が隠れているという意で隠生累代(いんせいるいだい)ともいう。

冥王代(46-40億年前)　地球誕生の初期，地球表層ではすべてものがとけたマグマオーシャンの時代だった。

始生代(40-25億年前)　温度が下がり，雨が降るようになる。原始海洋が形成，原始的な生物(細胞)が誕生した。

原生代(25-5.41億年前)　シアノバクテリアのはたらき(光合成)で酸素が増加，そのため複雑な生物も出現。

原生代末の生物(化石)　デッキンソニア(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fb/DickinsoniaCostata.jpg

以下の古生代，中生代，新生代を生物が見える意で顕生累代(けんせいるいだい)ともいう。

古生代(5.41-2.52億年前)　古生代になり突然かたい骨格をもった動物が多数出現(カンブリア紀の爆発)。三葉虫などの無脊椎動物の時代，魚類の時代，両生類の時代と生物は進化し，海から陸へ進出する。

・前期：初期には目が5つある動物(オパビニア)など多彩だったが環境に適合せず淘汰。三葉虫や筆石が繁栄した。

・中期：陸上植物出現。海では魚類が栄え，陸でも生活する両生類が誕生する。

・後期：大森林の発達(リンボクなど)。浅海では紡錘虫(フズリナ)が繁栄した。

中生代(2.52億-6600万年前)　概して温暖，爬虫類(はちゅうるい)の時代。特に恐竜が繁栄し，恐竜から進化して鳥類が誕生。初期の鳥類の始祖鳥(しそちょう)は有名。

始祖鳥　中生代半ばの後期ジュラ紀の地層から発掘。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d6/SArchaeopteryxBerlin2.jpg

鳥の特徴と爬虫類の特徴を有する(ウィキペディアより)

新生代(6600万年前‐現在)　寒冷な気候，哺乳類(ほにゅうるい)の時代。人類が発展する。

・前半：はじめは温暖，貨幣石(ヌンムリテス)が海底に住む。寒冷化が始まると哺乳類(ほにゅうるい)が発展するようになる。

・後半：寒冷化が進む。人類が出現する(例　ジャワ原人)。氷期と間氷期がくりかえす。

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地質時代の特徴に伴う鉱物資源

地質時代の環境の変化や生物の繁栄の結果，現代社会で鉱物資源として利用されているものがある。

原生代に酸素が増加した時期，海水中の鉄イオンが酸化して沈積して鉄鉱床となった。

21億年前の縞状鉄鉱床(しまじょうてっこうこうしょう)から採掘された鉄鉱石(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5f/Black-band_ironstone_%28aka%29.jpg

古生代の大森林時代の植物は世界の大規模な石炭資源となっている。

石炭　ワイオミングの石炭の露天掘り(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/05/Coal_mine_Wyoming.jpg

古生代後半の海のサンゴなどの石灰分は主要な石灰岩鉱床となっている。

石灰岩露天掘り　岐阜県大垣市金生山(ウィキペディアより)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/ba/Mines_in_Mount_Kinsho_and_Mount_Ikeda.jpg

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問い3

過去の動物を見ると，魚類から両生類と進化し，海から陸に進出するようになる。これは地質時代でいつのことか。

回答をまとめの後に記す。

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3のまとめ

本格的な生物の多細胞動物が多数出現したときを境に，その前を先カンブリア時代あるいは隠生累代という。それ以降は代表的な動物群を基準に，古生代，中生代，新生代に区分，まとめて顕生累代という。

問い3 回答例

古生代後半

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4人新世

第四紀のはじまりは258万年前，このうち258-1.8万年前を更新世，1.8万年前から現在を完新世という。ところが産業革命以降，地球環境に人為的な影響があり，人類が地球の歴史を左右するようになったと考え，人新世が新しい地質時代として提唱されている。

・この提唱に地質学者の保守的な層は，地質の時間尺度100万から10億にくらべ，100年単位の最近の事象は短く地質学の対象ではないと無視している。

・ただ，最近の地球温暖化は，第四紀の前の新第三紀鮮新世の温度に近づいている。短期間であるが，過去の記録の地質時代の環境になろうとしている。

・社会科学や経済学の専門家はこの人新世に注目している。例えば，「斎藤幸平著　人新世の資本論」では成長を求める経済からの脱皮を提案している。

人新世認定指標の例として鉱物と岩石の変化を記す。

参考文献：Zalasiewicz, J., Waters, C., Summerhayes, C. and Williams, M. (2018): The Anthropocene, Geology Today, vol.34, 177-188.

鉱物の数：

・太陽系形成のころ250。

・プレートテクトニクスが始まるころ2000。

・25億年前大気に酸素が生じるころ4000，その後大きくは変わらない。

・産業革命後，特に第二次大戦後，無機的結晶物質合成が18万を超える。

無機合成物質の例　

タングステンカ―バイト(炭化タングステン)　ウィキペディアより

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/Tungsten_carbide.jpg

タングステンカ―バイトは，その硬さから切削工具(ドリル)や耐摩耗工具(金型)に利用されている。

新たな岩石　(コンクリート，セラミックス，レンガ，短期間に変成)：

・ローマ時代から生産

・20世紀後半に莫大な量となる。コンクリートを地球表面にならすと1平方ｍあたり1ｋｇになる。

・都市では地下に数ｍの厚さの(人工)地層が存在するようになった。

コンクリートは現代社会に欠かせない　－　建物や土木工事で利用。

人新世の模式地候補　別府湾　(読売オンライン)

https://www.yomiuri.co.jp/science/20230220-OYT1T50179/

4のまとめ

地球環境に人為的な影響があり，人類が地球の歴史を左右するようになったと考え，人新世が新しい地質時代として提唱されている。

例えば，無機合成物質やコンクリートなどの人の手による鉱物や岩石が，20世紀半ばから急速に増えてきた。

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参考教材

E-Bookと動画

e-Book：理科のおさらい　天文生物の誕生

https://elib.maruzen.co.jp/elib/html/Viewer/Id/3000007742?16

動画：地球誕生　3分6秒

(289) 全地球史アトラス　 1 ．地球誕生 - YouTube

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遠隔授業での課題例

地球の歴史を1年にたとえると，産業革命はいつのことか，1年の終わりの何秒か。

地球の歴史の始まりを46億年前，産業革命を300年前とする。次の順に回答する。

(1) 1年は365日，1日は24時間，1時間は60分，1分は60秒である。1年は何秒か。

(2) 産業革命300年÷地球の歴史46億年はどのくらいか。

(3) 46億年を1年にたとえると産業革命は1年の終わりの何秒か。1と2で求めた値をかければ良い。

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