Az oxigén izotópos szakaszai (SIO, vagy angolul "OIS" oxigén izotóp szakaszok , gyakrabban "MIS" jelöléssel: tengeri izotóp szakaszok ), az izotóp kronológia szerint klimatikus epizódok, amelyeket az atomtömegek oxigén izotópjainak aránya határoz meg 16. és 18. minták tengeri üledékekben vagy jégsapkákban. Ez a kapcsolat összefügg a helyi hőmérsékletgel, valamint a kontinensek jégének globális mennyiségével. A negyedidőszak folyamán ennek az aránynak a ciklikus változása tükrözi az éghajlat orbitális kényszerítéséhez kapcsolódó klímaváltozásokat (lásd a paleoklimátok csillagászati elméletét ).
A atom a oxigén (O) három izotópok stabilak: 16 O, 17 O és 18 O, ahol a 16, 17 és 18. ábrák a tömegszáma . A legelterjedtebb izotóp a 16 O (kb. 99,8%), alacsony a 18 O aránya (kb. 1 az 500-ból) és még alacsonyabb a 17 O. gleccsermagokból nyert jég mennyisége 18 o és üledékes fúrásokból nyert karbonátok mennyisége 16 o.
A minta izotópos összetételét ('ech') az ismert összetételű standardhoz ('standard') viszonyítva mérjük. Ezt a kompozíciót szokásosan a standardtól való relatív eltérésként fejezi ki a geokémiai jelölés delta:
amelyben az izotóp arányok az atomok számában vannak (izotóp bőség).
Mivel a Delta kicsi (tipikusan ± 0,01 - ± 0,001), ez ezrelékben fejeződik ki (nem pedig százalékban ). Például δ 18 O = −0.01 értéket jegyezünk meg −10 ‰.
A mészkő a kalcit felhalmozódásából származik tengeri vagy lacustrine mikroorganizmusok héjából. A kalcit vagy karbonát kalcium (CaCO 3) vízben oldott karbonátionokból képződik (HCO 3 -és CO 3 2−). Mivel ezek az ionok egyensúlyban vannak a hidratált formával (CO 2+ H 2 O), gyorsan izotóp egyensúly alakul ki a víz oxigénje és az oldott karbonátok között. Tekintettel a vízmolekulák és a karbonátok száma közötti nagyon nagy arányra (~ 10 4 ), a víz az izotópos összetételét az oldott karbonátokra. Az izotóp egyensúly nem jelenti azt, hogy az izotóp összetételek megegyeznek: a víz oxigénje és a karbonátok közötti izotópos frakcionálás eltérést eredményez e molekulák izotóp összetételében. Ez a frakcionálás 3% nagyságrendű és a hőmérséklettől függ. A víz adott izotópos összetételénél a karbonátoké tehát a hőmérséklettől függ: ez az elv az izotóp hőmérő alapja.
A 18 O izotópnak még két neutronja van, mint 16 O, így az azt tartalmazó vízmolekula nehezebb. Párolgása ezért több energiát igényel, mint egy 16 O-t tartalmazó molekula, és fordítva, kondenzációja kevesebb energiaveszteséggel jár. A gőz 18 O / 16 O aránya tehát körülbelül 1% -kal alacsonyabb, mint az egyensúlyban lévő vízé (párolgás vagy csapadék).
Az éghajlat jelentős lehűlésének ideje alatt a vizet a földrészeken gleccserekben (sarki sapkákban) tárolják. Ez a tárolás olyan gőzből történik, amelynek 18 O / 16 O aránya alacsonyabb, mint az óceánoké: ez növeli az óceánok 18 O / 16 O arányát , és ezáltal a tengeri karbonátok arányát.
A helyi hőmérséklet és a 18 O / 16 O csapadékarány (különösen a gleccserekben archivált hó) közötti kapcsolat kissé bonyolultabb. Azoktól a felhőktől, amelyek az óceántól a gleccserekig szállítják a gőzt, a felhők egy részének minden kondenzációja és kicsapódása csökkenti a fennmaradó gőz 18 O / 16 O arányát . A gleccsereket megduzzasztó hónak tehát alacsonyabb a 18 O / 16 O aránya (1-3%), mint a kezdeti gőzé. Amikor az éghajlat lehűl, a gleccserekbe jutó hó mennyisége kevesebb, és 18 O / 16 O aránya csökken. Empirikusan bebizonyosodott, hogy a havi δ 18 O és a helyi hőmérséklet közötti kapcsolat nagyjából lineáris: ez egy másik izotóp hőmérő (ezúttal hó és jég esetében).
A jég és a tengeri karbonátok 18 O / 16 O aránya tehát a múltban képes rögzíteni a helyi hőmérsékletet és a globális jégmennyiséget. Az 1950-es évektől kezdve számos mérés megmutatta a 18 O / 16 O variációk egyidejűségét a különböző levéltárakban, és ezért éghajlati jelentőségüket. Az izotópos szakaszok ezeken a variációkon alapulnak, amelyek a Föld minden régiójában megtalálhatók. Ezek megfelelnek a glaciális-interglaciális váltakozásoknak, amelyek más irattárakban máshol ismertek (glaciális teraszok; üledékes magokban előforduló pollenkomplexumok; speleothemák izotópos összetétele; stb.). A későbbi munka lehetővé tette a jég e két hőmérséklet-térfogat-összetevőjének elválasztását. A különböző globális izotópos szakaszok azonosítása lehetővé tette a különböző jégfázisok azonosítását és egy izotóp-kronológia felállítását .
Az éghajlat globális lehűlése esetén (szimmetrikus változások a felmelegedés esetén):
Ezek a glaciális-interglaciális váltakozások nagyon erős amplitúdót tapasztaltak a negyedidőszak vagy a pleisztocén során , de a viszonylag melegebb és hidegebb körülmények közötti váltakozások jól ismertek az elmúlt millió év során, sőt, azon túl is.
A pontos datálása kvaterner izotópvariációk bebizonyították, hogy ellenőrzést variációk a pályára a Föld . Ezek az orbitális variációk mindig is léteztek, de éghajlati hatásuk többé-kevésbé fontos volt, különösen a jégsapkák megléte alapján (albedo visszacsatolás).
Az izotópos mérések összeállítása, amelyet különösen a SPECMAP csoport végzett az óceán számára, lehetővé tette a hideg és a mérsékelt éghajlat váltakozásának meghatározását a negyedidőszakban. Az óceáni izotóp mérésekből meghatározták a tengeri izotópos szakaszokat (angolul Marine Isotopic Stage - MIS), számozva a jelenlegi mérsékelt éghajlat vagy az 1. szakasz ( holocén ) számából , visszamenve az időben. A hideg szakaszok páros számokkal (2, 4, 6 stb.), A mérsékelt égövi fokozatokkal páratlan számokkal (1, 3, 5, 7 stb.) Rendelkeznek. Ezeknek a szakaszoknak a rossz kezdeti datálása miatt nemcsak a glaciális és interglaciális fázisoknak felelnek meg, hanem az interstadeseknek nevezett köztes epizódoknak is. Például az utolsó jégkorszak ( a Würm Európában ) megközelítőleg megfelel a 2., 3., 4. izotópos szakasznak, maximuma a 2. szakaszban, míg az 5. szakasz az utolsó előtti interglaciális időszaknak felel meg ( Eemian Európában ). Amikor az első definíciókhoz képest fontos szakaszokat emeltek ki, akkor felosztásokat hoztak létre, ugyanazzal a logikával a számozáson (pl. Az 5.1 a mérsékelt periódus 5-ös forró szakasza és 5,2 egy hűvösebb szakasz). Az utóbbi 5 millió évben folyamatos tengeri izotóp-kronológia létezik.