穩定同位素地質學-古氣候與環境研究

作者Editor
日期2018-09-11

「同位素」分析在地質學研究扮演十分重要的角色。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,同位素一般可以分為兩類─放射性同位素及穩定性同位素。放射性同位素能夠用來定年,如14C、238U-230Th等。穩定性同位素可以作為古氣候及古環境的指標,如18O、13C等。透過分析穩定性碳、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。

美國學者Harold Urey與其研究團隊早在1951年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。目前測量碳酸鹽樣品中δ18O和δ13C已經是重建過去氣候和海洋條件的標準做法。通常除了測量生物標本,例如有孔蟲、腕足動物、石筍、貝殼或珊瑚之外,也會分析環境沉積物,透過生物標本或是環境樣品中的無機碳酸鹽類之碳13與氧18同位素變化量可以追蹤古代環境條件隨時間的演變的痕跡。


μCarbs

生活於海洋環境的生物於死亡時期個體將會沉降至海底,所以如果想要量測海洋生物碳酸鈣外殼之穩定同位素,可以透過對沉積岩或沉積物岩心的碳、氧同位素分析得到資訊。氧18同位素的變化會反映地球的溫度,對海洋環境而言就是水體的溫度,因此可以透過氧同位素推估海洋生物生存年代當時的環境狀況。

目前世界各國都在努力尋求減輕氣候變化的影響,可以透過量測DIC穩定同位素比例了解環境大氣微量氣體(atmospheric trace gases)的來源與沉降,進一步作為擬訂國際氣候協定的重要科學參考依據。

由於碳酸鹽和DIC分析都需要將磷酸添加至樣品中,使其反應後並將產生的CO2釋放至樣品瓶的頂部空間,再利用氦氣沖提將CO2轉移到IRMS進行δ18O和δ13C同位素分析。因此Sercon μCarbs針對碳酸鹽和DIC的同位素分析進行了優化設計。μCarbs有兩道樣品通道,一道負責添加磷酸,另一道則是用於吸取頂空的CO2,此設計可以避免磷酸阻塞或腐蝕。此外,磷酸會放置於恆溫的儲存容器中避免磷酸溶液產生黏度。