穩定同位素的原理與古環境上的應用

同位素為質子數與電子數相同，質量數不同的元素，因此會有質量、排列方 式的不同，進而使物質在進行化學或物理反應時，表現出不同性質，使反應物與 產物間的同位素以不同比例分佈於不同物質間的現象，此現象稱之為同位素分異 作用（isotope fractionation）。不同的氣候環境條件下，同位素分化作用會有不同 的變化，因此可反應出不同地區產生的同位素組成特徵，故環境同位素可用來探 討自然環境變遷所反映出的同位素組成特徵的訊息與意義 （例如: Anderson and Arthur, 1983）。

1.2.1 碳酸鹽類穩定碳、氧同位素

1947 年美國芝加哥大學尤瑞（H. C. Urey）教授在論文中提到，貝殼在水中 沈澱形成碳酸鈣殼體時，其氧同位素數值因水體溫度不同使O¹⁶與O¹⁸的比值改變，

當水體溫度下降時，殼體的氧同位素比值會變重（Urey, 1947），在1953年Epstein 等人首次以貝類殼體為實驗材料發表碳酸鈣殼體中氧同位素換算的溫度方程式

（Epstein et al., 1953），經過Hays and Grossman（1991）整理並修正，得到新方 解石氧同位素轉換溫度方程式為：

T（^oC）=15.7-4.36（¹⁸Ocalcite - ¹⁸Ow,SMOW）+0.12（¹⁸Ocalcite - ¹⁸Ow,SMOW）² 其中T為碳酸鈣 （方解石）殼體沉澱形成時之水體溫度，單位為^oC，此方程 式適用水體溫度範圍為0^oC~60^oC，¹⁸Ocalcite相對於PDB （Pee Dee Belemnite），

是碳酸鈣殼體於T^oC時與沉澱時周圍水體之水體氧同位素達平衡時之氧同位素

數值；¹⁸Ow,SMOW 相對於SMOW （Standard Mean Ocean Water），為碳酸鈣殼體

沉澱時週圍水體的氧同位素數值數值。當碳酸鈣殼體之同位素數值與海水中的同

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位素數值達到同位素平衡時，海水中的碳、氧同位素數值則會記錄在碳酸鈣之中，

因此可運用碳酸鈣殼體來重建古環境（Anderson and Arthur, 1983）。

我們無法得知古海水的氧同位素數值，因此在推算古溫度時，必須考慮當時 冰川的消長、溫度、降雨量、海水蒸發效應等因素影響來估算水體的¹⁸Ow數值

（例如：Anderson and Arthur, 1983；Hays and Grossman, 1991；Ruddiman, 2000；

Grossman et al, 2008）。當全球冰川體積改變時，會使¹⁶O與¹⁸O比例產生相應的 變動，導致海水氧同位素數值改變；而受天水沈降與其他淡水注入的影響則使得 區域性的海水氫、氧同位素數值較其他地區海水氧同位素數值還要小（Craig and Cordon, 1965）；當區域性的蒸發效應旺盛時，海水中較小的¹⁶O及H同位素易進 入大氣中，使區域性海水氧同位素數值比原先的數值重（例如：Anderson and Arthur, 1983；Railsback et al., 1989）。而碳酸鹽類氧同位素不平衡的原因，可能 為殼體受到生長速度所造成的動態分異作用、新陳代謝作用，以及呼吸作用在環 境溫度壓力下造成碳酸鹽類氧同位素分異作用 （Schifano and Censi, 1983），因 此推算古溫度上需要更進一步的校正，但若殼體依生長週期所記錄的穩定同位素 數值變動明顯，還是可以應用在反映環境訊號。

一般來說，藉由雙枚貝類的碳酸鈣殼體之穩定同位素分析可以用來判斷死亡 的季節，但從考古學的角度，代表的則是人類獵食的採收季節（例如：Andrus and Crowe, 2000），因此我們可以藉由分析殼體穩定同位素記錄瞭解當時環境變化，

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異，故不同環境條件下的水體會顯示出不同的同位素值特徵。藉由分析水中的²H 和¹⁸O同位素之組成特徵以及氫同位素與氧同位素之間關係，可以觀察到在不同 環境條件影響下會產生不同程度的同位素分化作用，追溯水體的來源與其所顯示 其環境條件之特徵（Clark and Fritz, 1997）。

影響水的穩定氫、氧同位素組成原因有環境溫度、雨量效應、蒸發效應等。

一般而言，當環境溫度較高時，可以提供水分子較多的動能，使降水之氫、氧同 位素數值較重，因此氣溫年均溫每上升1^oC，年平均²H和¹⁸O值約上升5.6‰和 0.7‰ （Dansgaard, 1964）。在相對濕度較低的情況下，降雨時會產生較大程度 的蒸發作用，使雨水的氫、氧同位素數值變重，台灣冬季亦有此現象，因相對濕 度較低，降雨過程中雨滴會經歷較顯著的蒸發作用，因此落下來的雨水有較重的 氫、氧同位素數值 （Peng et al., 2010）。而在降雨量較大且時間較長之時，降雨 之氫、氧同位素數值會較低；當雨量較小而時間短，降雨之氫、氧同位素數值會 較高（Clark and Fritz, 1997）。Wang & Liu （1995）研究結果顯示台灣嘉南地區 地表水之氫、氧同位素數值季節效應顯著，在乾（冬）季之氫、氧同位素組成較 重，而雨（夏）季之氫、氧同位素平均值較小。而位於受太平洋季風影響的菲律 賓群島，年均溫變化小，但在冬夏季有明顯的降雨量之分，天水¹⁸O數值受雨量 所影響，呈現明顯負相關（Araguás-Araguás et al., 1998）。

不同地區受天水分異作用與降水影響產生同位素數值不同，當地表水與海水 混合時，會影響海水的同位素數值及鹽度，生物生長時，除了溫度之外其殼體同 位素數值會反映當地海水同位素特性，若淡水與海水的混合程度不同而造成不同 的同位素數值特徵，也會記錄在殼體之中。一般而言，天水滲入地面下形成地下 水後，會保留原來的氫、氧同位素記錄，所以不同地區的地下水會有不同的同位 素組成，可視為區域性的特性（Gat, 1981; Senturk et al., 1970），因此氫、氧同位 素多用於研究地表水、地下水的比較並探討水體的來源與演變過程及其隱含的水 文意義。

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殼內有白色粉末為生長時沉澱的白堊層與珍珠層交互生長。珍珠層與白堊層的礦 物成分大多為方解石，而閉殼肌部位殼體及 ligostracum 由霰石組成（Stenzel, 1963; Carriker and Palmer, 1979）。牡蠣是固著性生物，殼之形態因種類及養殖區 域的不同而有變化，通常以左殼附著在礁岩或堅硬的物體上，受生長環境導致牡

（Mississippi Delta）與乞沙比克灣（Chesapeake Bay）的牡蠣殼體¹⁸O及殼體外 觀判斷，牡蠣在15~25°C生長速率最快，生長極限溫度是28.2°C（Wang et al, 1995,Kirby et al., 1998），且牡蠣殼體會隨季節記錄溫度及鹽度變化，可與週遭