同位素於古環境研究上的應用（一）

同位素於古環境研究上的應用（一）
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

為了瞭解地球在漫長時代的氣候變遷歷史，除了分析文史記載外，科學家也發展了各種化學分析及統計方法，希望透過生物性或非生物性的地質材料，獲知古環境的訊息。在各種地質材料中，海洋生物的化石證據著實成為一個非常重要的紀錄來源，除了開放大洋可連續沉積的特性外，沉積在海床上的化石，也較陸地上的地層（無論是陸上沉積或抬升至地表的地層）而言，較不受到構造運動的影響，這些材料中又以具備碳酸鈣質殼體的生物化石最為重要。除了可使用肉眼或顯微鏡觀察組成分層外，若想進一步瞭解其中所含各種元素比例，就得藉助儀器分析，質譜儀在同位素分析化學中便是一個很重要的工具，利用外加磁場的作用，使得不同質荷比的帶電粒子，在飛行過程中，產生路徑偏轉差異，進而偵測其含量。   

現行的元素週期表中的元素，化學性質各自不同，但即使屬於同一種元素，當原子核中具有不同數目的中子時，質量數就會存在差異，這些原子稱為「同位素」。目前存在自然界中的元素，很多以不同比例的同位素混合而成，原子量則由各自的同位素質量加權平均而得。同位素可分為兩類，一為放射性同位素，另一為穩定同位素；當原子核內部的束縛能不足以維持質子與中子結構時，表現出來的就是一種不安定的狀態，原子可能會進行分裂衰變，放出電子、質子或其他高能的粒子，同時也放出能量，具有這種性質的同位素稱為「放射性同位素」。在古環境的研究上，放射性同位素則可作為定年之用，如 ¹⁴C、²³⁸U－²³⁰Th 等。另外，當同位素的原子衰變時間遠大於偵測極限，而無法得知其半衰期的，相對於放射性同位素屬於長時間穩定的，即稱為「穩定同位素」，如 ¹⁸O、¹³C 等。

同位素表示法一般有兩種形式，一種為顯示某元素的兩種同位素比例，如大氣的氮氣中 ¹⁵N/¹⁴N=0.0036765，但想精確測量某一同位素的絕對含量時，常常面臨含量極少而不易測量的情形；因此另一種表示法則是利用待測標本與某種國際通用標準試樣的數值比較而得，如 δ（‰）=(R_x/R_std-1)*1000，以千分比（‰、permil）為單位，R_x 表示待測標本的同位素比值，R_std 則為國際通用標準試樣的同位素比值。這樣的表示法有兩個主要的優點：一、解析度較好，且不用計算絕對數值；二、比較好記，且可以隨著分析技術進步，修正前人數據資料。

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.