回到過去的時光機：穩定同位素地質學（Stable Isotope）（下）

回到過去的時光機：穩定同位素地質學（Stable Isotope）（下）
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

【時光機器】
要從上述生物性或非生物性的材料中得到古環境的訊息，除了觀察標本的組成分層外，還需進一步的分析其中所含各種元素比例，此時「同位素」就扮演了一個重要的角色。目前存在自然界中的元素，多以不同比例的同位素混合而成。同位素可分為兩類，一為放射性同位素，另一為穩定同位素。前者可作為定年之用，如14C、238U－230Th等；後者則可作為古氣候及古環境的指標，如18O、13C等，透過分析穩定碳氧同位素組成，可計算並推測標本形成時的環境溫度，進行區域性差異比較，甚至推測全球海洋環流或大氣組成改變的過程。
將同位素數值運用於古環境研究前，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，因此反應時會存在微量的變化，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。以水蒸發為例，自然界中以16O所組成的水分子，在蒸發作用進行時，因為比18O所組成的水分子質量輕，因此容易先脫離水表面，此時形成的水汽在氧同位素組成上，就會比原始水體要輕。配合全球水汽輸送路徑，在低緯度地區蒸發的水分子，會隨著大氣環流往高緯度地區輸送，其間不斷加入沿途蒸發而來氧同位素較輕的水分子，同時水汽中氧同位素較重的水分子也容易先凝結降回地表，重複進行的結果，就是愈往輸送路徑的末端（高緯度地區），水汽將帶有愈輕的氧同位素數值，同時降水也會有氧同位素越來越輕的趨勢。
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，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Urey等人（1951）證實，相同水體中沈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水體溫度，氧同位素自此開始成為古環境研究的一大利器。
因此，當我們收集越多合適且保存良好的地質材料時，分析其間組成和紀錄，就可以描繪出過去地球更詳細的面貌，更希望有朝一日，人類能在過去及現在的紀錄中，找到前往願景未來的道路！