地質溫度計──氧同位素與古氣候


1992年 1月265期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1992、01 ＃期號：0265 ＃專欄：「全球變遷」專輯＃標題：地質溫度計──氧同位素與古氣候＃作者：汪中和．突然發現手上握著一支地質溫度計．有孔蟲氧周位素的研究影響深遠．同位素研究風起雲湧．圖一：從1億5千萬年前的箭石化石所量測的溫度變化。這取自蘇格蘭的標本，其氧同位素值所計算的溫度顯示它出生於夏季，在四年後的春季死亡。而當時該處海水的表面溫度比現在溫暖，年溫度的變化約5度。．圖二：第四紀中期（70萬年前）以來，深海沈積物內浮游性有孔蟲氧同位素的變化曲線。圖中顯示約有10個「冰期－間冰期」的循環變化；橫作標上的數字是氧同位素地層學的分期，奇數表示間冰期，偶數表示冰期。我們現在正處於一個間冰期的高峰上。．圖：有孔蟲是生活在海洋裡的單細胞動物，殼上有無數細小的呼吸孔，有浮游性與底棲性兩類。浮游性有孔蟲分布範圍甚廣，對海洋氣候種種變化的適應能力又極強，因而成為微體古生物學者及海洋地質學者研究的理想對像。照片所示即是浮游性的似抱球蟲，係採集自南中國海，左側的標本放大200倍，右側的標本放大100倍。		地質溫度計──氧同位素與古氣候發現氧同位素與古氣候之間有關連，是一件有趣且偶然的事。1946年的冬天，美國芝加哥大學化學教授尤瑞（H. C. Urey），在瑞士蘇黎世著名的工科大學講演，談到有關同位素的事。尤瑞指出：雖然同位素在化學性質上幾乎一樣，但在參與化學反應時往往造成不一樣的結果。例如，放在桌上的一杯水會自然蒸發，其中氧同位素（¹⁶O﹑¹⁷O﹑¹⁸O）即以不同的速率向外逸散，質量輕的氧-16就蒸發的比質量重的氧-18多。時間一久，這杯水內相對的就比當初含有較多的氧-17及氧-18。尤瑞的結論是：地球上的海洋已經過了漫長的類似蒸發作用，因此海洋相對地應該要比陸上的淡水含有較多的氧-17及氧-18 。突然發現手上握著一支地質溫度計在演講後的討論裡，瑞士有名的結晶學者尼格立（P.Niggli)當即推論說：如果海水與淡水的氧同位素組成不同，則在這兩個水體裡沈澱出的「含氧礦物」就會反應出它們之間的差異。尼格立建議大家來分析石灰岩、珊瑚以及水生動物石灰質骨骼中的氧同位素，就可以區別出它們的來源。尤瑞聽了後記在心裡，一回到芝加哥大學的實驗室，就著手計算海水與淡水中碳酸鹽的氧同位素比值差異到底應有多少。結果他驚喜地發現：碳酸鹽氧同位素的比值與其沈澱時的溫度有關。尤瑞後來回憶說：「我突然發現手上握著一支地質溫度計。」當然，在1947年時，這支地質溫度計實際上還在尤瑞的腦子裡，而不在他的手上，因為尤瑞面臨二個難題。第一個是碳酸鹽氧同位素的溫度效應太小，當時質譜儀無法測量。依尤瑞的計算，如果溫度差一度，碳酸鹽的氧同位素比值（¹⁸O﹑¹⁶O）只有十萬分之五的差異；而當時最好的質譜儀只能量出溫度約10度的氧同位素比值。在海洋裡，10度幾乎就是溫帶與兩極地區的溫差！因此，尤瑞必須將質譜儀的靈敏度提高10倍。藉著一組優秀同事的協助，費了二年多的時光，他們克服了這困難。接著，第二個難題是為了檢驗與補充尤瑞的理論計算，他必須以實驗方法，導出一個碳酸鹽氧同位素的溫度方程式。加州大學Scripps海洋研究所提供了養殖海洋貝類的恆溫水槽，尤瑞及他的同事愛普斯坦（S. Epstein）開始分析在不同溫度下生長貝類的氧同位素組成。可是現生貝類的殼裡不只是含有碳酸鈣，還有少量的有機質。這些有機質裡的氧同位素會干擾碳酸鹽裡氧同位素的信號，使分析出的結果無法反映出碳酸鹽氧同位素應有的溫度效應。在尤瑞及愛普斯坦的努力下，他們總算發展出一套可靠的標本處理程序，把貝殼裡不需要的有機質除去，單單分析碳酸鹽裡氧同位素的組成。他們分析的結果終於得到了所要的碳酸鹽氧同位素的溫度方程式，也證實了當初尤瑞的理論計算，基本上是正確的。有孔蟲氧周位素的研究影響深遠因此，到了1950年代的初期，尤瑞在芝加哥大學的實驗室已有能力可以著手分析化石的古溫度了。他們第一個標本是產自蘇格蘭中生代的箭石，從它像樹輪般的生長序列著手分析，成功地獲得了箭石生長的溫度資訊：它是生長在溫暖淺海的生物，冬夏的溫差約有5度（見圖一）。接著下來，一系列對含碳酸鈣化石的研究紛紛展開，也得到了許多有價值的成果。其中最有成就、對海洋地質及第四紀地質影響最深遠的，當推有孔蟲氧同位素的研究。這是在羅溫斯塔姆（H. Lowenstam）建議下，由尤瑞交給艾米立安尼（C. Emiliani）去進行的。第一篇有關深海沈積物內有孔蟲氧同位素的文章，在1955年十二月號的《Journal of Geology》發表了，當時的主編霍爾柏格（L. Horberg）表示雖然他太不相信文章的內容，但是由於是個創新的研究，所以仍然批准登出。這篇文章登出後，立即引起廣泛注意，它首次揭開了更新世期間海水表面溫度變化的歷史，也革新了第四紀地質對於冰期-間冰期演變的觀念，更開拓了古海洋學的新領域。由此，可以想見它是多重要。同位素研究風起雲湧此後，許多實驗室開始紛紛投入有孔蟲氧同位素的研究，配合深海鑽探計畫適時提供的各大洋深海沈積物標本，海洋地質及第四紀地質的研究開始了嶄新的一頁。回顧過去三十多年的時光裡，有孔蟲氧同位素的研究已經脫胎換骨，從單單溫度的量測，蛻變成為應用廣泛的研究工具。迄今為止，一些主要的研究成果有：溫度與冰川效應當初愛普斯坦與尤瑞得到了碳酸鹽氧同位素的溫度方程式後，他們發現到一個得立即面對的問題：所計算出的溫度不單單與碳酸鹽氧同位素有關，還與碳酸鹽形成時水體的氧同位素相關。比如說，寒冷的氣候裡，碳酸鹽氧同位素會比較富集氧-18，同時在碳酸鹽周圍水體的氧同位素也會比較富集氧-18。因此，要精確的得到所需的碳酸鹽溫度，碳酸鹽形成時水體的氧同位素必須是已知或是可以估計，然後用碳酸鹽氧同位素去扣掉水體的氧同位素，再計算溫度。在艾米立安尼最初的工作裡，他認為所觀察到深海沈積物內浮游性有孔蟲氧同位素的變化裡，約有1/3是由於兩極冰川的漲縮引起的，2/3是由海水本身的溫度造成的；可是隨後的研究卻大幅修正了他的看法。現在一般認為，我們所觀察到第四紀時，在深海沈積物內浮游性有孔蟲氧同位素的變化裡，約有2/3是由於兩極冰川的漲縮引起的，1/3才是由海水本身的溫度造成的。所以氣候變化反映在有孔蟲氧同位素的紀錄裡，是海平面起伏的效應大於海水溫度本身的效應。地層對比雖然有孔蟲氧同位素研究的原始動機是作古海洋的溫度測定，可是目前深海沈積物內有孔蟲氧同位素的變化曲線，卻成為第四紀地層對比最有效、也最準確的工具之一。由於全球海洋混合的快速性，以及有孔蟲分布的廣闊性，使得氣候變遷造成的海水面及溫度變化，能在很有限的時間內（短於一千年）遍及各大洋，並由當時生長的有孔蟲紀錄下來。所以，全球各大洋第四紀深海沈積物內有孔蟲氧同位素變化曲線的型態，都非常一致。再配合近來發展的碳-14、鈾系核種及古地磁定年的協助，有孔蟲氧同位素變化曲線的研究，已發展成為新興的「氧同位素地層學」。氧同位素地層學不但在海洋地質學界廣泛採用，最近傳統的陸地第四紀研究學者，也以有孔蟲氧同位素的變化曲線，作為海陸地層對比的標尺了。冰期發生的週期性長期以來，地球歷史上氣候寒暖的交替，就一直吸引著地球科學家的興趣。第四紀深海沈積物內有孔蟲氧同位素的變化，不但革新了已往對第四紀冰期發生的觀念（在整個第四紀裡，冰期-間冰期的循環發生了30次以上），同時首次提出地質學上的有力證據，支持本世紀初塞爾維亞（現屬南斯拉夫）物理學家米蘭柯維奇(M. Milankovitch)所提出的「天文控制學說」。米蘭柯維奇的學說認為，地球歷史上冰期與間冰期的發生，主要是受地球公轉及自轉幾何變化的影響，也就是受地軸的傾角（週期約四萬年）、地軸的搖擺（週期約二萬年）及繞日運行軌道的偏離（週期約十萬年）等三項因素變化的控制。而第四紀深海沈積物內有孔蟲氧同位素的長時間序列變化，正好能提供作為頻譜分析來驗證米蘭柯維奇的學說。經過許多人的努力，現在已證實：第四紀冰期-間冰期發生的週期，與地球公轉及自轉的幾何變化有極高的相關性，也為未來氣候的預測奠下良好的基礎。當然，有孔蟲氧同位素的研究不單單在古氣候、地層對比上有極大的成就，在有孔蟲生態的了解上也貢獻良多。目前氣相質譜儀的靈敏度，已進步到可分析一個有孔蟲個體（約150微米大）生長的溫度歷史，透過它的出生﹑幼年﹑成年直至死亡的溫度變化，我們將可以了解有孔蟲一生移棲的過程，這在十年前還是不能想像的事。目前有關全球性變化的研究正風起雲湧，氧同位素這個二次大戰後才崛起的研究工具，仍然會在古氣候﹑古環境﹑古生態的研究上，繼續扮演吃重且積極的角色。汪中和任職於中央研究院地球科學研究所
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