《 前赤壁賦 》：「逝者如斯，而未嘗往也；盈虛者如彼，而卒莫消長也」
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文：陳泓愷 / 編輯：李文心・2024/6/29・約2100字・閱讀時間約 10 分鐘・
【知識分享】淺談同位素原理
上一篇我們講到同位素是辨別岩石成因的關鍵證據，今天就讓我們由地球化學家的視角來看看這些厲害的工具究竟是如何使用的？剛返回地球的嫦娥六號樣本又預計能解答我們哪些有趣的問題吧！
在開始前先複習一下國中理化課本告訴我們的：同位素是具有相同質子數、電子數但不同中子數的元素，因此它們擁有幾乎一致的化學特性和略微不同的物理特性。而自然界中的同位素可以簡單分成兩種：不會發生變化的穩定同位素（stable isotopes）和會衰變並放出能量的放射性同位素（radioactive isotopes）。
放射性同位素衰變的過程是母元素透過不同種類的衰變成為子元素，我們稱這些衰變而來的核種為放射源同位素（radiogenic isotopes）或放射源核種。如果在一個封閉的系統中置入定量的放射性核種，經過一段時間後母子同位素的數量將會是這段時間長度的函數，這個概念正是大家所熟知放射性定年法的基本原理。
然而自然條件下即使在同一系統中母子同位素的初始比仍可能有些微不同，舉個例子：地質學家很早就透過不同洋盆的火成岩知曉地函中的許多同位素比值並不相同。怎麼說呢？岩漿活動就像在機台夾娃娃一樣，正如不同的機台可以抓到品項不同的娃娃，不同洋盆的火成岩也能反映岩漿源區的地函特徵。這是因為每個地方的地函都擁有各自的演化歷史，即便我們假設地函是由地球誕生時均勻混和的岩漿海固化而成，岩石中的同位素系統們在經過數十億年的板塊運動與物質交換後仍會產生相異的同位素成分，當部分熔融發生時這些有如地函指紋的同位素就會被岩漿一起帶到地表，提供我們了解地函演化的機會，而在月球一樣如此。
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講了這麼多我們來看看資料吧，（圖一）中的點點們是嫦娥五號、阿波羅任務與月球隕石的鍶釹同位素成分，看起來很複雜對吧？別急，我們一項一項慢慢來。首先在表示同位素時為了在一樣的標準下比較差異，科學家通常會找一個非放射源的穩定同位素作為分母，因為理論上不管過了多久它的數量都不會改變，會增加的子同位素則放在分子。在這邊的分母是穩定不會衰變的鍶86和釹144，對應到由銣87和釤147衰變產生的子同位素鍶87和釹143。
因為隨著時間推進銣87跟釤147會緩慢的衰變成鍶87跟釹143，導致我們想得知的初始岩漿母同位素/穩定同位素比值：銣87/鍶86和釤147/釹144的資訊早已流失，但只要測量子同位素/穩定同位素比值：鍶87/鍶86和釹143/釹144我們還是能重建最一開始系統中的狀態。而（圖一）中不同斜率的線就表示具有不同初始值的衰變系統隨時間的演化，什麼意思呢？
這兩張圖中左邊的黑點*註1是透過計算得出最初始均質月球的同位素比值，可是隨著時間推進月函會不斷發生分化，岩石之間也就擁有了不一致的初始同位素比值，正如圖中發散的分布。我們在前一篇不是提過克里普岩裡住了很多不喜歡晶格的不相容元素嗎？銣87這個母元素就是高度不相容元素，因此克里普岩會具有較其他岩石高的銣87/鍶86比值，在經過長時間的衰變後子同位素鍶87自然就會比別人多從而擁有更高的鍶87/鍶86比（更大的斜率）。
（圖一）不同來源月岩的鍶釹同位素比隨時間演化圖。
（圖二）嫦娥五號月壤樣本之一，圖為背向散射電子影像（Backscattered Electron Image）。
結合上面提及同位素能作為火成岩源區示蹤的夾娃娃原理，我們就能通過測量岩石中鍶87/鍶86的比值回推最一開始系統形成的時候銣87/鍶86的初始值，進而確認岩石到底是不是從克里普岩岩漿演化而來的，仔細看（圖一）就可以找到克里普岩的銣87/鍶86初始值是0.195，遠高於原始月球（Bulk Moon）的0.04和嫦娥五號樣本的0.009~0.022。
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釹的部分*註2也是相同的原理，但聰明的妳/你可能會有一個疑問：理論上隨著時間演化，系統中衰變而來的子同位素應該越來越多，因此釹143不是應該變多從而使同位素比增加才對嗎？為什麼圖一中克里普岩樣本的釹同位素比卻是負的呢？這是因為儘管釤跟釹兩個元素都屬於不相容元素，可是釹比釤還要更討厭進入晶格中成為岩石，這個關係恰恰與銣鍶系統相反*註3。並且在熔融岩漿海結晶時克里普岩會出現輕稀土元素（LREE, light rare earth element）的高度富集現象，導致釹144這個穩定同位素的相對豐度非常高，使得克里普岩的釹同位素比有遠比其他岩石來的極端的負異常。
有一點點複雜，大家可以思考消化一下。簡而言之，在2021年的研究裡中國的團隊量測了嫦娥五號樣本（圖二）的鈾鉛、銣鍶和釤釹三個放射性同位素系統，從而計算出生成這些年輕岩石的岩漿有什麼樣的初始同位素比？代表著怎樣的岩漿演化過程？是否跟克里普岩起源假設一致呢？答案就如（圖一）所顯示的，代表嫦娥五號樣本的紅色圓點落在完全遠離克里普岩同位素比的區域上，跟阿波羅任務所帶回的非克里普來源玄武岩並無二致，挑戰了月球晚期火成事件的克里普岩起源假說，並對月球熱演化歷史拋出一個巨大的懸問。
像這樣透過同位素解析物質來源和演化過程的方法早已廣泛運用在地球/宇宙化學領域中，嫦娥六號的科學目標正是對艾特肯盆地這一個月球上最巨大、甚至可能是最古老的撞擊結構進行定年與成分分析，由於艾特肯盆地形成年代接近40億年前，提供我們量化太陽系早期撞擊事件頻率以及了解月函和深部月殼成分的機會，嫦娥六號前所未有的採樣位置也預期能讓地球化學家嘗試解答月球正反面差異問題和高緯區含水量等懸宕數十年的謎題。不管如何，唯一肯定的是未來研究這些問題時，同位素工具絕對扮演著至關重要的解謎角色。
回到現在，本周二嫦娥六號返回艙已成功降落在內蒙古四子王旗著陸場，人類首次取得的1935.3克月背樣本也將如嫦娥五號般送交中國科學院進行首批研究；在不久的將來，預計2030年毅力號在傑澤羅隕石坑採集的火星岩石樣本也將透過NASA和ESA的合作任務返回地球。這些「新鮮」的石頭肯定能為早期太陽系、行星演化甚至是地球外是否曾存在生物等科學聖杯帶來更多答案與疑問，就讓我們一起期待同位素還能告訴我們哪些超級有趣的發現吧！
註1：釤釹衰變系統的起始時間設定為克里普岩開始分化的年代：4.42 ± 0.07 億年。
註2：在此釹143/釹144的比值以ε epsilon表示，是萬分之一的表示法，適用於同位素比差異非常小的系統。
註3：銣是一種高度不相容的元素，鍶在鐵鎂值岩漿中高度不相容但在矽鋁質岩漿相對不相容，因此當部分熔融發生岩漿中的銣會較鍶更加富集。
背景：阿波羅十一號登陸前所攝月面，西元1969年7月2日攝於月球寧靜海。
延伸閱讀 :
The “missing” KREEP: Origin of the Chang’E-5 basalts
參考資料 :
Isotope Geochemistry, 2014. William M. White, John Wiley & Sons (pub.), 495p.
Borg, L., Shearer, C., Asmerom, Y. et al. Prolonged KREEP magmatism on the Moon indicated by the youngest dated lunar igneous rock. Nature 432, 209–211 (2004). https://doi.org/10.1038/nature03070
Li, QL., Zhou, Q., Liu, Y. et al. Two-billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’e-5 basalts. Nature 600, 54–58 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2
Tian, HC., Wang, H., Chen, Y. et al. Non-KREEP origin for Chang’e-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature 600, 59–63 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5
圖片來源：
Li, QL., Zhou, Q., Liu, Y. et al. Two-billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’e-5 basalts. Nature 600, 54–58 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2
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