石筍氧同位素基理

石筍氧同位素取決於洞穴溫度和洞穴滴水的氧同位素值。首先，適宜條件 下沉積的石筍碳酸鈣與滴水母液之間存在同位素平衡分餾，此平衡分餾為洞穴 溫度 (滴水溫度) 的函數。此分餾在 0 至 500℃時可用下式表示 (Friedman et al.,

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1977 ; O'Neil et al., 1977)：

δ¹⁸O_c SMOW = δ¹⁸O_w SMOW + 2.78 × 10⁶/(T + 273)²− 2.89 上式¹⁸O_c為碳酸鈣氧同位素值；¹⁸O_w為與其平衡的滴水母液氧同位素值。

在 0 到 30℃內的分餾可用一個線性方程式表述 (Li et al., 2000)：

δ¹⁸O_c PDB = 0.97δ¹⁸O_w SMOW − 0.2272 T ℃ + 4.2712 氧同位素標準 SMOW 與 PDB 之間轉換如下式：

δ¹⁸O_c SMOW = 1.03086 δ¹⁸O_c PDB + 30.86

由上述式子可知道，當洞穴溫度升高/降低時，碳酸鹽的¹⁸Oc值會變輕/變重。

在洞穴內部的氣溫約等於當地地表的年均溫，假設在討論的時間範圍內氣溫變 化很小的話所造成¹⁸Oc值變化是非常小的，那麼碳酸鹽的¹⁸Oc就主要取決於洞 內滴水的¹⁸Ow值。在同位素平衡的條件下，滴水的¹⁸Ow變化基本上承襲了大 氣降水的¹⁸O 變化，當地表水從洞頂滲入洞穴的時間較短時，滴水¹⁸Ow值通常 反映了地表雨水的年平均氧同位素值。而大氣降水的¹⁸O 值會受到水汽凝結溫 度、水汽源、水汽遷移路徑及降雨量等因素控制 (圖 1-4)，包括下列幾種效應：

A. 溫度效應：學者總結在北半球大部分內陸地區的雨水¹⁸O 值與當地氣溫呈 正比的關係，範圍由 0.1 ‰/℃到 0.6 ‰/℃變化不等 (Rozanski et al., 1993)。

此溫度對大氣降水¹⁸O 值的影響與洞穴溫度對¹⁸Oc ─¹⁸Ow之間平衡分 餾的影響呈相反的趨勢。

B. 緯度效應、高程效應：從遠處遷移來的降水氣團會經過多次地冷凝降雨，

產生氣─液之間的同位素分餾，氣─液分餾時，重的同位素¹⁸O 趨於液相 ，分餾的結果使得殘留氣團的¹⁸O 值變輕。所以從遠處而來的降水氣團 經過多次冷凝降雨的分餾後，其¹⁸O 值一般會比原地地表水蒸發形成之 降水氣團的¹⁸O 值要輕得多。緯度效應為降水氣團由 低緯度往高緯度長 距離遷移的過程中會持續地冷凝降雨，使得殘留氣團的¹⁸O 值變輕。高 程效應為降水氣團遷移中遇到高地，由於上升過程中溫度與壓力的降低

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導致凝結降雨，產生同位素分餾，經過高地後氣團的¹⁸O 值會變輕。

C. 雨量效應：降雨量和降水氣團的¹⁸O 值會影響雨水的¹⁸O 值。雨量效 應是指雨水的¹⁸O 值與當地的降雨量呈負相關，降雨量越大，降雨的¹⁸O 值會越輕 (越負)。

在東亞季風氣候區，對於石筍氧同位素的解釋仍存在著多解性，一般認為，石 筍的¹⁸O 指示夏季風的強度或是季風降雨的變化。中國季風控制區內，雨季大 部分集中於夏季，而主要夏季的降雨氣團來源是從太平洋及印度洋過去的，從 海洋過去且長距離遷移的氣團導致其雨水的氧同位素值比較輕，並且降雨量高 的話也會使雨水的氧同位素值比較輕。例如對中國北方地區而言，夏季風強盛 時，由海上過去的氣團強度增強，並且降雨量增加，雨水的¹⁸O 值變輕，換言 之，石筍¹⁸O 值變化反映了該地區降雨量受夏季風影響的變化。目前來看，季 風影響地區內生長的石筍，其¹⁸O 值主要紀錄的是氣團的來源 (source) 和降雨 量變化的信息，而在長時間尺度下才能看出溫度的影響；不同的是，在非季風 區的洞穴研究，可得到石筍氧同位素主要紀錄溫度變化的信息，例如北美和法 國等的溫帶和高緯度地帶或地中海式氣候區的洞穴石筍，其¹⁸O 值主要反映了 溫度的變化。

對以上石筍氧同位素的意義簡述，洞穴滴水的¹⁸Ow變化基本上承襲了大氣 降水的¹⁸O 變化，通常反映地表雨水的年平均氧同位素值。在季風氣候區，降 雨的¹⁸O 值會受到降雨量效應的影響 (雨量越大，降雨的¹⁸O 值會越輕)，所以 我們可以用氧同位素去關連降雨的強度。並且一般典型中國季風氣候區域內的 降雨主要為夏季風所帶來的，因此石筍氧同位素的變化常作為季風降雨或季風 強度的代用指標。

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圖 1-4、影響雨水氧同位素效應示意圖。洞穴滴水繼承大氣降水的¹⁸O 變化，而 降雨的¹⁸O 值會受到水汽源、水汽遷移過程中的降水分餾、雨量效應等因素影

響。

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