M4 TORNADOによる堆積学・層序学解析

堆積岩の特性評価にM4 TORNADOを使用する理由とは？

ブルカー社のM4 TORNADO micro- XRF分光計は、湖成または海成の未固結・湿潤堆積物から、切断試料やボーリングコアとしての堆積岩に至るまで、幅広い堆積物に対して、最小限の侵襲で迅速な空間元素分析を可能にします。

20ミクロン未満のスポットサイズ分解能と、主要元素・微量元素・痕跡元素を同時に検出する能力により、層状堆積物における化学的変化などの微細な特徴の評価が容易に行えます。完全な定量分析機能を備えており、他のバルク分析手法とデータを相関させることで、詳細かつ堅牢な化学層序モデルの構築が可能です。

図1 - M4 TORNADOは、地質試料の空間元素分析を行う卓上型 micro-XRF分光計です。

層状堆積物の組成特性評価

海成および湖成堆積物は、周期的な堆積イベントや気候変動を反映した組成の変化を保持していることが一般的です。これらの堆積物は、局所的な大規模事象の痕跡を記録している場合もあり、地球規模から地域・局地的なスケールに至るまで、地球の過去の出来事を理解するための重要な研究対象となっています。これらのイベント履歴を解明する鍵となるのは、試料に保存された変化と同等のスケールでの正確かつ堅牢な特性評価です。

M4 TORNADO micro-XRF分光計は、微小なスポットサイズと高い元素分解能を容易に実現できるため、微細な層状堆積物の特性評価に理想的な装置です。従来の単線スキャン型XRFに加えて、M4 TORNADOは堆積コアやその他の試料における垂直方向および水平方向の変化を、より包括的かつ詳細に可視化することが可能です。

この調査の詳細はこちらをご覧ください:

Cornard, P.H., Degenhart, G., Tropper, P., Moernaut, J., Strasser, M. (2023). Application of micro-CT to resolve textural properties and assess primary sedimentary structures of deep-marine sandstones. The Depositional Record – The Journal of the International Association of Sedimentologists, 10, 559-580.

図2 - M4 TORNADOを用いて湖の層状堆積物から採取されたドリールコアを分析した micro-XRFマップ。湖内の堆積サイクルを定義する元素の相関および反相関を示しています。

縞状鉄鉱層における元素変動

縞状鉄鉱層（BIF）は、地球の歴史における重要な時期を記録するものであり、世界最大の鉄鉱石供給源でもあります。BIFは、初期のシアノバクテリアが十分な酸素を生成し、それが海水中に溶解していた鉄と反応することで酸化鉄鉱物が沈殿し、海底に堆積したことによって形成されました。約38億年前から17億年前の間に形成されたBIFは、世界でも限られた地域にしか保存されていませんが、初期の海洋で起きていた地球化学的プロセスを理解する鍵となります。

Micro-XRFは、従来の薄片観察だけでは得られない広範な情報を提供しつつ、20µm未満の微小なスポットサイズと微量元素への高感度を維持します。M4 TORNADOによる元素マッピングは、試料に保存された化学的複雑性を明らかにし、研究者がその詳細を深く理解するための強力なツールとなります。

図3：縞状鉄鉱層試料の元素マップ。石英層と赤鉄鉱に富む層が細かく葉理状に重なった構造を示している。

未固結堆積物および粉砕試料の全スペクトル起源解析

堆積岩に含まれる構成要素の起源を理解することは、堆積プロセスや地体構造の進化を研究する上で重要な要素です。鉱物種、存在量、粒径などの情報は、一般的に手間のかかる光学顕微鏡による観察や、走査型電子顕微鏡による分析によって得られます。場合によっては、ジルコンなどの年代測定可能な鉱物を対象に試料をスクリーニングし、堆積物の供給源となった岩石の年代や、侵食・堆積のテクトニック環境を明らかにすることもあります。

従来の手法では、薄片や研磨されたエポキシ樹脂マウントなど、広範な試料調整が必要です。これに対し、M4 TORNADO micro-XRF分光計は、微量の鉱物の存在を迅速にスクリーニングできるため、粒子状試料の分析に非常に有効です。元素マッピングは、エポキシ樹脂へのマウントや研磨、炭素コーティングを必要とせず、散乱マウントなどの平坦でない試料にも対応可能で、迅速なスクリーニングを容易に実現します。さらに、ED-XRF技術としての micro-XRFの利点は、各測定点で全エネルギースペクトルを同時に取得できることであり、予期しない鉱物の検出や試料の包括的な特性評価を可能にし、体系的かつ短時間で堅牢な起源解析を実現します。

図4：M4 TORNADO を用いた Micro‑XRF による、砂試料の元素マッピングによる迅速スクリーニング。
上：通常の岩石薄片上に両面カーボンテープを貼り、その上に砂試料を散らしただけの概観画像（エポキシ樹脂包埋・研磨・カーボンコーティングは一切不要）。
中：砂試料の元素マップで、酸化鉄および硫酸鉄で被覆された鉱物粒子の相対的な分布を示す。
下：砂試料の元素マップで、石英（淡青色）、ルチル（青）、イルメナイト（紫）、および鉄に富む鉱物（赤）の相対的な存在量を示す。