宇宙から地球へ：地球科学における希少かつ貴重な元素ヘリウムの素晴らしい応用（著者：李中平）

導入

日常生活では、ほとんどの人は地球の奥深くにある秘密にほとんど注意を払わないかもしれません。しかし、地球科学者たちはこれらの神秘的な領域を探索してきました。希ガスは不活性ガスとも呼ばれ、鉄、銅、鉛などの元素ほどよく知られていませんが、地球科学の研究において非常に重要な役割を果たしています。希ガス、特にヘリウム同位体は地球深部からの神秘の使者と呼ばれています。化学的性質が非常に安定しているため、地球表面の岩石やガスの起源を明らかにするだけでなく、地球深部の形成史や進化の過程に関する多くの情報も含まれています。それらは、広大な宇宙の進化など、多くの未知の基礎科学的問題を人々が深く理解するのにも役立ちます。そのため、ヘリウムとその同位体の地球化学的追跡技術は、地球科学の分野においてユニークな手段となっています。ここでは、ヘリウム同位体地球化学の基礎について簡単に紹介します。私たちは、地球科学の分野における革新的な発展と彼らが直面するさまざまな課題を注意深く追っている人々を中心に、より多くの人々を惹きつけたいと考えています。

図 1. 異なる希ガスは放電または励起されると異なるスペクトル色を生成するため、スペクトル色を使用して異なるガスを区別できます。 (ヘリウム (He): オレンジ黄色、ネオン (Ne): オレンジ赤色、アルゴン (Ar): 青紫色、クリプトン (Kr): 灰青色、キセノン (Xe): 青緑色)

宇宙で2番目に豊富な元素ですが、なぜ地球上ではそれほど希少なのでしょうか?

ヘリウムは、原子水素に次いで、観測可能な宇宙で 2 番目に軽く、2 番目に豊富な元素であり、宇宙全体の元素の質量の約 24% を占めています (Wikipedia)。しかし、ヘリウムは地球システムでは非常に稀で、大気中の体積割合はわずか5ppm程度です。これは、ヘリウムが非常に「軽い」ため、地球の重力では大気中に保持できないため、簡単に宇宙に逃げてしまうからです。分子が軽すぎて熱の影響を受けやすいからです。太陽風は、太陽の大気中の高温のプラズマから流れ出る荷電粒子の流れです。ヘリウムなどの元素が豊富に含まれており、これらはイオン化されて地球の磁力線に沿って宇宙空間に逃げていきます。ヘリウムは不活性であるため、化学反応によって他の物質と結合したり、地球の表面に留まったりすることはありません。それに比べて、水素は軽いですが、酸素と結合して水を形成したり、炭素と結合してさまざまな炭化水素、特に有機物を形成するなど、一般的な水素含有化合物などの化合物を形成できます。そのため、地球上には水素は大量に存在しますが、ヘリウムは非常に不足しています。

図 2. ヘリウムは宇宙の進化の過程で生じた産物であり、恒星内部の核融合は宇宙の元素の進化において重要なプロセスです。核融合により、水素はヘリウムに融合され、ヘリウムはさらに核融合してより重い元素を生成することができる（画像提供：科技日報）

ヘリウム同位体比はどのように測定されるのでしょうか?

同位体とは、陽子の数は同じだが中性子の数が異なり、周期表で同じ位置を占める核種または原子を指します。同位体比とは、ある元素の異なる同位体の原子の数の比です。たとえば、3He/4He 比は、ヘリウムの 2 つの同位体である 3He と 4He の原子数の比です。同位体比の測定は、物質またはサンプルの年齢、地質年代、地球化学的プロセス、生物学的プロセスなどを決定するために使用できます。

しかし、地球システム中の希ガス含有量は極めて少ないため、測定や分析は非常に困難です。ヘリウムの同位体比を測定するには、希ガス質量分析計が必要です。これは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガス同位体の比を測定できる素晴らしい機器です。この測定上の課題に対処するために、希ガス質量分析計は静的真空と高解像度技術を使用して、分析とテストの精度と信頼性を高めます。

試験のプロセスは以下のとおりです。まず、希ガスを含む試験対象サンプルを加熱またはレーザー照射して、該当する希ガスを放出させます。放出されたガスは、その後、ガス処理システムに送られ、精製および分離されて不純物が除去されます。次に、精製された希ガスが質量分析計のメインフレームに供給されます。ホスト内では、ガスは電子の衝撃を受けて He イオンを形成します。次に、電磁場によってイオンが質量に応じて分離され、特定の手順に従って異なる検出器を使用して質量の異なるイオン信号が測定されます。このようにして、希ガスのさまざまな同位体の比率を得ることができます。

図3. 希ガス同位体測定用静的真空質量分析計（中国科学院西北生態環境資源研究所地球化学分析試験センターのウェブサイト）

ヘリウム同位体比を使用して、異なる発生源からのヘリウムを区別するにはどうすればよいですか?

ヘリウムには 8 つの同位体があり、そのうち安定しているのは 4He と 3He の 2 つだけです。他の同位体は不安定であり、エネルギーを放射してすぐに消滅します。地球システム内には、4He と 3He の 2 つの主な発生源があります。 1つは、ビッグバンのときと恒星内部の核融合のときに生成されたオリジナルの3Heです。主に地球内部に存在し、火山や深海の熱水を通じて地表に放出されることもあります。もう 1 つは放射性起源の 4He で、これは放射性元素 (トリウム、ウラン、カリウムなど) が地殻内で崩壊するときに放出される粒子によって形成されます。この 4He は主に地殻、特に堆積盆地に存在し、亀裂や地質流体を通じて地表に放出されることがあります。

地球上のヘリウムは一般的に 4He と 3He で構成されています。異なる発生源のヘリウムの 3He/4He 比には大きな違いがあります。太陽系の物質のような原始ヘリウムは、通常、3He/4He 比が 10^-4 程度と高い。これは、ヘリウムの同位体比が太陽系形成時に固定されていたためであり、太陽系物質の起源と進化を決定するために使用できます。地球内部で生成されるような放射性起源のヘリウムは、通常、3He/4He 比が低く、約 10^-8 ～ 10^-7 の間になります。これは、地球内部で生成されるヘリウムは主に放射性崩壊による 4He から生成され、放射性同位体の崩壊によってヘリウム同位体の比率が変化するためです。

図4. 地球の核とマントル間のヘリウム交換のプロセス

（a）地球の形成中に、ヘリウム3は星雲の大気から吸収され、マグマの海を通って原始核に運ばれました。 (b) ヘリウム3の核からマントルへの輸送とマントルから海洋への輸送（画像提供：オルソン＆シャープ、2022年）

ヘリウム同位体を使用して地球内部の物質の進化と循環を研究するにはどうすればよいでしょうか?

ヘリウム同位体を使用して、地球内部の物質の構成、進化、循環を研究するにはどうすればよいでしょうか?たとえば、さまざまな地域のマントルのサンプル中のヘリウム同位体比を測定することで、マントル物質の起源と進化の歴史を研究することができます。ある領域のヘリウム同位体比が平均より高い場合、その領域の試験サンプルはより原始的なマントル物質に由来している可能性がある。逆に、比率が低い場合は、サンプルで表される特定の領域で材料の混合とリサイクルがより多く行われていることを意味する可能性があります。例えば、ハワイ島では、火山岩のヘリウム同位体比は大気レベルの 40 倍以上にも達しており、ハワイ島の火山マグマは地球深部の原始的または特異なマントル物質から発生し、特異な火山岩 (地質学者はホットスポットと呼んでいます) を形成している可能性があることを示しています。大西洋中央海嶺では、海底玄武岩のヘリウム同位体比は大気中のわずか 8 倍であり、これは中央海嶺が混合を伴う比較的浅い層または共通のマントル源から形成されたことを示している可能性があります。

図5. 自然界におけるさまざまな源からのヘリウム同位体値の分布範囲（佐野雄二、2018年）

図 5 は、さまざまな発生源 (大気、マントル、地殻、海水、地球外天体など) におけるさまざまな種類のヘリウム同位体 (3He と 4He) の相対的な存在量と、それらの混合関係を示しています。グラフの Ra は、サンプル内の 3He/4He 比と大気中の 3He/4He 比の比を表し、サンプル内のヘリウム同位体の組成と発生源を反映するために使用されます。

ヘリウム同位体地球化学の応用と将来の課題

地球化学研究におけるヘリウム同位体の応用は大きく進歩しましたが、まだ探求すべき未知の領域が数多く残っています。たとえば、地球内部の特定の領域におけるヘリウム同位体の組成と分布、また地球の進化がそれらの領域にどのような影響を与えてきたかについては、まだわかっていません。さらに、ヘリウム同位体は、太陽系の惑星や隕石などの地球外天体を研究し、宇宙の形成と進化をより深く理解するためにも使用できます。

ヘリウム同位体技術は現在、地球科学、宇宙科学、核科学などの分野の研究に広く使用されています。例えば、岩石、地下水、隕石中の希ガス同位体の比率を測定することで、それらの形成年代、起源、進化の過程を推測することができます。異なる発生源のヘリウムは、地球内部で異なる進化過程を経たため、同位体比が異なります。希ガス同位体の比率を測定することで、地球内部の動きや進化を探り、鉱床の起源や分布を特定し、さらには地震や火山噴火の可能性を予測することもできます。

ヘリウム同位体地球化学が直面する将来の課題としては、次のような点が挙げられます。① 極めて微量なサンプルの測定ニーズを満たすために、ヘリウム同位体分析の精度と感度を向上させること。 ② ヘリウム同位体のさまざまな媒体（岩石、流体、気体、生物など）への適用範囲と深さを拡大し、より多くの地球科学的問題を明らかにする。 ③ ヘリウム同位体と他の希ガス同位体（ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど）との結合関係を調査し、地球システムの複雑なプロセスに対する理解を深めます。

地政学的紛争によりヘリウム価格が高騰しており、「ガスゴールド」は緊急に国内での代替を必要としている

ヘリウムは重要な戦略資源であり、世界の供給は非常に集中しています。航空宇宙、半導体産業、先端科学研究などの分野で広く利用されており、国防、軍事産業、ハイテク開発に必要な戦略物資です。諸外国は古くからヘリウム資源の保護と戦略的備蓄を重視してきたため、米国は1960年に1925年に初めて公布されたヘリウム保護規則を改正し、米国全土におけるヘリウムの採掘、貯蔵、輸送を米国内務省の総合管理下に置きました。 2018年、米国大統領はヘリウムを極めて重要な35の重要鉱物の1つとして挙げる命令に署名した。

図 6. 核磁気共鳴技術では、磁石が強力な磁場を生成できるようにする超伝導状態を維持するために、液体ヘリウムを使用して磁石を冷却する必要があります。 NMR 装置の正常な動作を確保するには、一定の温度と圧力を維持するために、この液体ヘリウムを定期的に補充する必要があります。

中国のヘリウム資源は比較的乏しく、世界全体のわずか2％を占めるに過ぎない。米国地質調査所（USGS）の2020年の調査報告によると、世界のヘリウム資源は約520億立方メートルですが、分布が不均一です。米国、カタール、アルジェリア、ロシア、カナダ、中国は、世界トップ6のヘリウム資源国です。中国は国内のヘリウム供給を確保するために、ヘリウム埋蔵量のある高品質のガス田を積極的に探査し、開発する必要がある。 2022年3月の国際紛争勃発以来、ヘリウムの価格は急騰している。2022年6月、ロシアは希ガスの輸出を制限する政策を発表し、ヘリウム供給に関する前例のない世界的な懸念を引き起こした。この懸念により、中国におけるヘリウムの価格は1立方メートルあたり420～460元に上昇し、300%以上の値上がりとなった。 2020年、中国のヘリウム輸入依存度は97.5％となり、外資系企業がヘリウム輸入を独占した。

米国のヘリウム含有天然ガスのヘリウム含有量は 0.66% ～ 8.2% の範囲ですが、ロシアのヘリウム含有天然ガスのヘリウム含有量は 0.15% ～ 0.6% の範囲です。対照的に、中国のヘリウム資源全体は比較的少ない。現在、中国は四川省渭河、タリム、ツァイダム、松遼、渤海湾、江蘇省北部、ハイラル区の8カ所にヘリウム含有天然ガス盆地を発見している。そのうち、タリム盆地のホータン川ガス田は、ヘリウム含有量が0.30％～0.37％と、中国初のヘリウムを豊富に含む超大型ガス田である。しかし、この高品質のガス資源はまだ十分に開発されていません。

結論

我々は、ヘリウムの現代科学技術における幅広い応用価値と、その希少性と戦略的価値を認識し、ヘリウム資源の使用を保護し保全するために合理的な措置を講じるべきである。現在、我が国のヘリウム資源の研究、評価、探査は極めて低いレベルにあり、その資源量や埋蔵量は基本的に不明です。中国の科学者たちは、常に新たなヘリウム資源を探し求めており、中国の増大するヘリウム需要を満たすために、より効率的なヘリウム濃縮および利用技術の開発に懸命に取り組んでいます。

私の国はヘリウムが乏しい国であり、現在ヘリウムのほとんどを輸入しています。そのため、ヘリウム資源の立法保護を強化し、人間中心、持続可能な開発、政府管理と市場化の結合、利用と保護の結合の原則を確立する必要がある。ヘリウムの節約とリサイクルのための技術と設備を推進し、適用する。ヘリウム資源の消費行動に対する監督と管理を強化する。ヘリウム資源保護に対する国民の意識と参加を高めます。

私たち一般人も、日常生活の中でヘリウム資源を守るためにちょっとしたことをすることができます。たとえば、ヘリウム入りの風船は買わないようにするか、減らしましょう。なぜなら、風船が空中に浮かぶと貴重なヘリウムが大気中に放出され、リサイクルできなくなるからです。次回子供たちと出かけるときは、貴重なヘリウム資源を無駄にしないために、もっと楽しくて創造的なアクティビティを試してみようと思います。結局のところ、ヘリウムは風船を膨らませるためだけに使われるのではありません。また、航空機の離陸を可能にし、MRI スキャンの精度を高め、電波望遠鏡の観測をより鮮明にすることもできます。ヘリウム資源を保護し、科学技術の発展、医療診断、宇宙探査においてヘリウムがより大きな役割を果たせるよう、私たちは力を合わせて取り組みましょう。

（著者注：ポピュラーサイエンス記事は、専門知識をできるだけ多くの読者にシンプルでわかりやすい言葉で伝えることを目的としています。したがって、執筆プロセスでは専門性とわかりやすさのバランスを取る必要があり、これは著者にとって非常に難しい作業です。記事の執筆プロセスでは、著者は可能な限り信頼できる情報を確認して使用し、記事の正確性と信頼性を確保しました。ただし、知識の広さと深さ、および人間の専門知識の限界により、欠落や欠陥が残る可能性があります。読者の皆様からこの記事の補足や修正の提案を歓迎します。この記事の情報、見解、またはその他の側面についてご質問がある場合は、遠慮なくご指摘ください。感謝いたします。著者について：Li Zhongping、PhD、研究者、博士課程の指導者、中国鉱物学、岩石学、地球化学学会ガス地球化学委員会事務局長。彼の興味のある分野には、ガス地球化学、同位体地球化学、分析地球化学などが含まれます。連絡先：メール：[email protected]。謝辞：北京師範大学の陶明新教授、中国鉱物学・岩石学・地球化学学会ガス地球化学委員会委員長の鄭国東研究員、中国科学院西北生態環境資源研究所石油ガス資源研究センターの李立武研究員は、記事全文を読んでいただき、記事の改訂について具体的な提案をしてくださいました。心より感謝申し上げます。）

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