同位体

古気候学者が過去の気候と海洋の状態を知る多くの方法の1つは、岩石と化石の標本の化学的構成を使用することです。化学元素は、いくつかの陽子、中性子、および電子で構成されていることを忘れないでください。元素は、電子と陽子の数が等しいため、帯電したバランス（正でも負でもない）を持っています。しかし、自然界のさまざまな化学反応により、元素は電子を獲得または喪失し、元素は正または負に帯電します。これが起こると、元素はイオンになります。正イオンと負イオンはそれぞれを引き付けて、固体、液体、気体を形成します。固体が水に溶解すると、正イオンと負イオンが分解し、水を介して解離します。ほとんどの岩石や化石の固い部分はイオン性化合物でできています。

たとえば、食卓塩である塩化ナトリウムは水に溶解し、正に帯電したナトリウムイオンと負に帯電した塩化物イオンを形成します。これにより、水溶液（水ベース）が形成されます。

上記の式で、（s）は固体材料を示します。 （食卓塩）、（aq）は、これらのイオンが水溶液に溶解していることを示します。

化学元素は、同位体と呼ばれるさまざまなバージョンで見つかります。同位体は、同じ量の陽子を含むが、原子核内の中性子の数が異なる元素です。たとえば、元素酸素（O）には、酸素16、17、18の3つの同位体があります。酸素の各同位体には8つの陽子が含まれていますが、中性子の数が異なります。同位体番号は、その質量の省略表現です。陽子と中性子の質量はほぼ等しいため、同位体の数は陽子と中性子の合計に等しくなります。したがって、酸素16には8つの陽子と8つの中性子があり、酸素17には8つの陽子と9つの中性子があり、酸素18には8つの陽子と10の中性子があります。

地球科学者が解釈に使用する同位体には主に2つのタイプがあります。古代の地球：安定および不安定な同位体。不安定な同位体は放射性崩壊を経験し、元素は時間とともにエネルギーを失います。いくつかの放射性同位元素は自然に発生しますが、すべてが悪いわけではなく、人間に害を及ぼすわけでもありません。ただし、古気候学者は通常、これらの不安定な同位体を扱いません。代わりに、放射性崩壊を受けていない安定同位体を使用します。

地質学者が使用する最も一般的な安定同位体の2つは、炭素（C）と酸素（O）です。安定同位体にはいくつかの種類がありますが、古気候学（特に海洋の研究）で非常に一般的であるため、主にプランクティックおよび底生有孔虫から得られる炭素と酸素について説明しますが、同位体に使用される他のプロキシについても簡単に触れます分析。

炭素と酸素の同位体はどのようにして得られますか？

古気候学者は、一般的な方解石から炭酸カルシウムと酸素同位体を取得します。化学式CaCO3のさまざまな炭酸カルシウム。この式には、カルシウム（Ca）、炭素（C）、および3つの酸素原子（O）の3つの元素があります。方解石と炭酸カルシウムは地球と海洋で一般的であり、いくつかの形態をとることができます。ここでは、同位体分析に使用される最も一般的なタイプの方解石について簡単に説明します。

方解石は、多くの堆積岩の成分です。堆積岩が主に炭酸カルシウムで構成されている場合、地質学者はそれを石灰岩と呼びます。石灰岩は、変成岩や火成岩に比べて侵食されやすい岩石です。炭酸カルシウムは酸にさらされると溶解します。雨水はわずかに酸性であるため、雨に長時間さらされると、石灰岩の岩層（さらに言えば石灰岩の像）が化学的に侵食されます。

これが発生すると、石灰岩から溶解したイオンが運ばれます。土壌への水によって、彼らは最終的に洞窟への道を見つけることができます。ここでは、石灰岩イオンが洞窟に滴り落ち、鍾乳石や石筍（一般に洞窟生成物と呼ばれる）の形で新しい石灰岩層を形成するスペースがあります。二次生成物からの炭素と酸素の安定同位体を分析するために、それらは洞窟から切り出されて実験室に運ばれ、そこで半分に切断されて研磨されます。次に、マイクロドリルを使用して、同位体分析のために生成物に沿って定義された間隔から小さなサンプルをドリルします。

方解石は、海洋生物が貝殻や硬い部分を構築するためにも使用されます。無脊椎動物（背骨がない動物）は、少なくともカンブリア紀（約5億5000万年前）以来、溶解した方解石イオンを使用して殻を構築してきました。方解石を利用する一般的な化石グループには、腕足動物、三葉虫、およびブラストイドなどの古代の棘皮動物が含まれます。ウニやカキなどの現存する（まだ生きている）動物の中には、方解石から骨格を作るものもあります。さらに、プランクティックおよび底生有孔虫などの一部の原生生物は、方解石を使用してテストを構築します。方解石を生成する生物は、殻に炭素と酸素の値を記録し、炭素と酸素の同位体を分析できます。

古生代の岩石では、科学者は通常、別の種類の化石であるコノドントから酸素同位体を取得します。 。これらの小さな歯のような化石はすべて、初期の脊索動物のいくつかを表す古代のウナギのような生物に残っています。コノドントは、石灰岩が堆積した海でこれらの生き物が泳いだときに、一般的に石灰岩に見られます。コノドントの歯は、彼らが住んでいた石灰質の腕足動物や三葉虫とは異なり、化学式Ca3O8P2のアパタイトまたはリン酸カルシウムでできています。これらの科学者は、コノドントを分析して酸素同位体を取得できます。

科学者は、露頭から直接採取した石灰岩サンプルを使用して、炭素と酸素の同位体を分析することもできます。石灰岩のこれらのバルク炭酸塩サンプルを取得するには、通常、石灰岩の適切な露頭を見つけ、定義された間隔でいくつかのチャンクを打ち出し、サンプルをラボに戻して分析する必要があります。

炭素と酸素の同位体はどのように測定されますか？

同位体用に適切な材料（石灰岩サンプル、洞窟生成物、または化石）が収集されたら分析では、小さなサンプルを質量分析計に入れて、各サンプル内の炭素および酸素同位体の量を測定します。各サンプルがバイアルにロードされ、すべてのバイアルがカルーセルに入れられます（左の画像を参照してください。赤い矢印はサンプルカルーセルを指しています）。約3滴の酸をバイアルに入れてサンプルを溶解し、測定するイオンを含むガスを作成します。イオンは非常に反応性が高いため、質量分析計内の測定は真空内で行われます。質量分析計にはいくつかの種類がありますが、同位体を測定する一般的な方法の1つは、磁石と電場でそれらを操作し、曲がったチューブに撃ち落とすことです。

元素の同位体は、追加の中性子によって重量が異なるため（たとえば、18個の中性子を持つ酸素は16個の中性子を持つ酸素分子よりも重い）、チューブ内でさまざまな角度で偏向します。イオン/原子が磁石によって偏向される程度は、それらがどれほど重いかです。重いイオン/原子/分子は磁石がたわみにくいので、わずかに回転しますが、軽いi / a / mは慣性が少なく、回転しやすくなります。

したがって、軽い分子は重い分子よりも偏向します。この情報はコンピューターに送信され、コンピューターはすべてのサンプルの各同位体の量に関するデータを提供します。

質量分析の仕組みの詳細については、ここをクリックしてください。質量分析計内でイオンがどのように偏向されるかについてのビデオデモンストレーションについては、ここをクリックしてください。

古気候学者が炭素と酸素の同位体をどのように解釈するかについては、「炭素&酸素同位体のページ！