穩定同位素δ值正負的物理意義解讀

在穩定同位素地球化學中，δ值（Delta值） 是衡量樣品中特定同位素比值相對于國際標準物質比值的千分差（‰）。其計算公式為：

δ = [(R_sample / R_standard) - 1] × 1000‰

其中，`R` 代表重同位素與輕同位素的比值（如 1?O/1?O, 13C/12C, D/H 等）。

δ值正負的核心物理意義在于它揭示了樣品相對于標準物質在重、輕同位素富集程度上的差異：

1. δ值為正值：

* 物理意義： 表示樣品中重同位素（如 13C, 1?O, D, 3?S）的豐度高于標準物質。

* 解讀： 樣品比標準物質更“富含”重同位素。這通常發生在：

* 分餾過程傾向于保留重同位素時： 例如，在水蒸發過程中，較輕的 1?O 優先蒸發進入水汽，導致剩余水體中 1?O 相對富集（δ1?O 正值增大）。碳酸鹽沉淀時，通常更易結合 1?O，導致碳酸鹽的 δ1?O 比水體更正。

* 物質來源本身富含重同位素時： 如海相碳酸鹽的 δ13C 通常比陸生有機質更正；蒸發強烈的封閉湖泊水的 δ1?O 和 δD 會變得很正。

2. δ值為負值：

* 物理意義： 表示樣品中輕同位素（如 12C, 1?O, H, 32S）的豐度高于標準物質。

* 解讀： 樣品比標準物質更“富含”輕同位素。這通常發生在：

* 分餾過程傾向于優先利用或帶走輕同位素時： 例如，植物光合作用優先吸收較輕的 12CO?，導致植物有機質中 12C 富集（δ13C 為負值，通常在 -20‰ 到 -30‰ 左右）。微生物硫酸鹽還原優先利用 32SO?2?，產生的 H?S 中 32S 極度富集（δ3?S 為很大的負值）。大氣降水（雨、雪）相對于海水，其 δ1?O 和 δD 顯著為負，且越往高緯度/高海拔越負。

* 物質來源本身富含輕同位素時： 如大氣甲烷（δ13C 約為 -50‰）、石油天然氣（δ13C 負值）、生物成因硫化物（δ3?S 負值）。

3. δ值為零：

* 物理意義： 表示樣品的同位素比值與標準物質完全相同（理論上，實際非常罕見）。

關鍵理解要點：

* 相對性： δ值是一個相對量，其正負只有與特定的標準物質比較時才有意義。常用的標準包括 VSMOW（水）、VPDB（碳）、VCDT（硫）等。

* 過程示蹤： δ值的正負及其大小變化是物理、化學和生物過程導致同位素分餾的結果。通過測量不同物質或不同時間/空間位置樣品的δ值，科學家可以推斷物質來源、反應路徑、環境條件（如溫度、濕度、生物活動強度）等關鍵信息。

* “富集”與“虧損”： 說樣品“富含”重同位素（δ>0），等價于說它“虧損”輕同位素；反之，樣品“富含”輕同位素（δ<0），等價于“虧損”重同位素。這是同一現象的兩種表述方式。

總結：

δ值的正負號是解開自然界同位素分餾密碼的鑰匙。正值是重同位素富集的信號，常關聯蒸發濃縮、某些沉淀反應或特定來源；負值則是輕同位素富集的標志，多指向生物代謝作用、分餾消耗或特定輕同位素來源。 理解δ值的正負及其幅度，是解讀古氣候、古環境、生態過程、污染物溯源、地質成礦作用等一系列科學問題的基石。