同位素於古環境研究上的應用（二）

同位素於古環境研究上的應用（二）
臺北市立建國高級中學地球科學科葉昭松老師/國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

經由質譜儀分析而得的同位素數值要運用在古環境研究的解釋上，必須先瞭解自然界的同位素在反應過程中如何交換。雖然同位素有著相似化學性質與電子結構，但在物理性質上仍表現出質量數與比重的不同，因此在物理或化學反應過程中，會存在微量的變化，稱為「同位素分異作用（isotopic fractionation）」。

通常在快速或不完全的反應過程，如擴散、蒸發、溶解時，容易出現分異現象。以水體蒸發為例，自然界中以[sup]16[/sup]O所組成的水分子，在蒸發作用進行時，因為比[sup]18[/sup]O所組成的水分子質量輕，因此容易脫離水表面，此時形成的水汽在氧同位素組成上，就會比原始水體要輕。配合全球大氣循環路徑輸送水汽，在低緯度地區蒸發的水分子，將會隨著大氣環流往高緯地區輸送，輸送途中經過海洋及其他水體，也會不斷加入沿途蒸發而來具有較輕氧同位素數值的水分子。於此同時，帶有較重氧同位素數值的水汽分子，則容易先凝結成為小水滴，降回地表。在過程中重複進行的結果，造成愈往輸送路徑的末端（高緯度地區），大氣中的水將帶有愈輕的氧同位素數值，同時降水也會有氧同位素數值越來越輕的趨勢。最終累積在高緯度地區，如北極附近的格陵蘭及南極大陸冰川，分別取樣進行氧同位素數值分析結果，都較開放大洋的數值輕許多。

由於同位素的質量及物理性質差異，在不同條件下進行物理、化學或生物體的反應時，反應物和產物之間的同位素含量分配都會有所不同，這個過程可以由動力學或熱力學平衡計算反應式兩端的同位素差異。美國芝加哥大學化學系教授H. C. Urey於1951證實，相同水體中沉澱出的碳酸鈣結晶，氧同位素數值會隨著溫度的不同而與周圍水體呈現函數關係，且碳酸鈣沈澱的氧同位素數值，會隨著周圍水體溫度升高而有變輕的趨勢。將這樣的溫度關係應用於生物形成殼體過程，碳酸鈣質殼體的生物分泌殼質時，若與周圍水體達成同位素平衡，分析其殼體的氧同位素數值，就可以換算出殼體形成時的周圍水體溫度，只要採取合適且保存良好的化石殼體，也可以使用相同方式獲得古海洋的溫度，氧同位素自此開始成為古環境研究的一大利器。

參考資料：
何心一、徐桂榮，1990，古生物學教程：地質出版社，北京，共440頁。
(德)赫夫斯，2002，穩定同位素地球化學：海洋出版社，共259頁。
Grossman, E. L., and Ku, T. L., 1986, Oxygen and carbon isotope fractionation in biogenic aragonite; temperature effects: Chemical Geology; Isotope Geoscience Section, v. 59, no. 1, p. 59-74.