造礁珊瑚之同位素與微量元素分析

珊瑚是指能分泌碳酸鈣質骨骼或骨針的刺胞動物（Cnidaria），身體呈輻 射對稱，由外而內分別由外皮層（ectodermis）、中膠層（mesoglea）及胃 皮層（gastrodermis）組成（圖 1.4）。1933 年地質學家馬廷英即發現古生代 珊瑚的年生長率與海水溫度有關（Ma, 1933, 1934），並說明各地質時代的 珊瑚在赤道地區年層變化不明顯，而在緯度較高的亞熱帶，因季節變化明 顯，珊瑚就有明顯的年層變化。利用年層的明顯與不明顯即可推出古赤道 位置，其證明了各地質時代的赤道是移動的，因而詳細說明了古大陸位置 與它們漂移的蹤跡，直接證明了魏格納的大陸飄說（Ma, 1943）。

目前全世界約有六千餘種珊瑚（Barnes, R.D., 1987; Lalli & Parsons, 1995 ）， 在 眾 多 的 珊 瑚 種 類 中 ， 地 質 學 家 所 感 興 趣 的 為 石 珊 瑚 目

（Scleractinia），因石珊瑚具有建造外骨骼的能力，這些碳酸鈣質骨骼，蘊 藏了豐富的環境資訊。

廣泛分布於熱帶及亞熱帶淺海中的珊瑚，其骨骼在生長堆積的過程中同 時記錄了當時周圍海水的化學成分，會跟生存海水中的物理環境與化學環 境相關（表 1.2），且造礁珊瑚生存年代長、生長連續，因此利用造礁珊瑚 進行古環境研究的發展已廣泛被應用（Weber & Woodhead, 1970, 1972；

Weber, 1973; McConnaughey, 1989ab； Druffel et al., 1989； Beck et al., 1992）。其中塊狀群體珊瑚如微孔珊瑚（Porites）因其質地緻密，抗水流能 力強，耐沉積物覆蓋且具有明顯的生長輪可供定年，是最常用來研究環境 變遷的工具（Felis & Pätzold, 2004）。

圖 1.4 珊瑚的構造（取自 Veron, 1993）。

表 1.2 珊瑚骨骼指標與環境因子的相關性。

指標 環境因子

海表溫度 鹽度 營養鹽 逕流 日照量

δ¹⁸O ◎ ○ ○

δ¹³C, Δ¹⁴C ○ ○

Sr/Ca ◎

Ba/Ca ○ ◎ ○

Cd/Ca ○ ◎

Mn/Ca ○

Ectodermis Mesoglea a

Gastrodermis

Zooxanthellae

Costa

Septa

Dissepiments

Columella

（取自 Dunbar et al., 1992；◎ 表相關性極高；○ 表相關性高）

1.3.1 珊瑚骨骼 δ¹⁸O 之環境應用

在達到同位素平衡的條件下，生物生成的碳酸鈣殼體之氧同位素（δ¹⁸O）

成分可反映出其生長環境周遭的海水溫度及水體氧同位素數值的效應，且 很早就被利用來當水體溫度的代用指標（Epstein et al., 1953），海水溫度每 升高 1°C，軟體動物殼體（腹足綱、雙殼綱等）δ¹⁸O 數值每少 0.22‰。珊 瑚得到的範圍值則為0.18~ 0.26‰/1°C（Epstein et al., 1953），然而因其骨 骼中的δ¹⁸O 值還會較明顯受到其生理效應的影響，使之比預期海水平衡值 低（2-5‰）（Land et al., 1975； McConnaughey, 1989a），但若在採樣時沿 著珊瑚的最大生長軸進行取樣，這種偏低的效應對於同一種屬的珊瑚而言 近於定值（Weber & Woodhead, 1972）。因此利用沿著珊瑚最大生長軸方向 採樣的δ¹⁸O 值紀錄，可以追蹤珊瑚生長環境周圍的海水溫度狀況，且解析 度是可以達到以月甚至週為單位的高解析度（Fairbanks & Dodge, 1979；

Dunbar & Wellington, 1981； Pätzold, 1984； McConnaughey 1989a； Shen

et al., 1996）

在知道珊瑚生長水體氧同位素數值的條件下，珊瑚骨骼的 δ¹⁸O 數值可以 反映生活之水體溫度（Epstein et al., 1953； Fair & Matthews, 1979； Dunbar

& Wellington, 1981），因此眾多的研究都利用珊瑚骨骼 δ¹⁸O 數值，以

1.3.2 珊瑚骨骼 Sr/Ca 比之環境應用

海水中有許多種類的二價陽離子，如鈣、鎂、鍶和鋇等，這些離子也會 進入珊瑚骨骼中成為主要、次要或微量元素，而珊瑚骨骼的 Sr/Ca 比值被 廣泛的認為是良好的水體溫度計，其骨骼之 Sr/Ca 比值和其生成當時的水 溫，呈線性反比例的關係（Weber, 1973； Smith et al., 1979； Quinn &

Sampson, 2002; Fallon et al., 2003; Corrège, 2006）。但因 Sr/Ca 比值對溫度 的敏感性太小（0.8%/℃）（Schrag, 1999），小於早期的技術所能達到的分 析精確度，故未受到重視。直到 1992 年 Beck 等人使用了熱離子源質譜法

（TIMS, Thermal ionization mass spectrometry）來改善 Sr/Ca 比值法的分析 技術，提升分析精確度達±0.03％（2σ），相對應的溫度解析度可達±0.05℃

（Beck et al., 1992）。但因 TIMS 測量涉及了過於耗時的樣品製備以及分析 程序，1999 年 Schrag 等人便使用電感耦合電漿體原子發射光譜法（ICP-AES, Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy），使每天可超過 180 次的分析，精確度優於±0.2％（2σ），溫度解析度為±0.3℃，也同時使得此 方法再度被重視，並開始迅速發展廣為採用在古海洋研究上 （Guilderson et

al., 1994； McCulloch et al., 1994； McCulloch et al., 1999； Shen et al., 1996；

Alibert & McCulloch, 1997； Schrag, 1999； Gagan et al., 2000）。此外 Sr/Ca 比值亦可以利用來作為追蹤水團的代用指標，尤其是在有湧升流的地區，

3. 不同區域的海水 Sr/Ca 比相同。 1996），然而亦有使用鐘形微孔珊瑚（Porites lutea； Shen et al., 1996），但 因珊瑚化石的表面保存不易，所採集之標本僅能分辨其為微孔珊瑚，無法 分辨為鐘形（P. lutea）或團塊（P. lobata），所幸此溫度計種間差異並不大

（Shen et al., 1996）。

1.3.3 珊瑚骨骼 δ¹³C 之環境應用

（3）珊瑚內共生藻的光合作用（Weber, 1974； Goreau, 1977； Fairbanks &

Dodge, 1979； Swart, 1983； McConnaughey, 1989）； （4）呼吸作用以及 珊瑚食性的影響（Grottoli & Wellington, 1999； Grottoli, 2002）。一般而言，

珊瑚骨骼碳同位素最常被用來當作其共生藻的光合作用強弱指標，因其在