硼(B)地球化學總論

硼有2種穩定性同位素(10B, 11B)，還有13種放射性同位素(從 7B 到 21B，扣掉穩定性的)。穩定性的硼同位素在自然界出現的比例為20%的10B與80%的11B。

boron isotopes

地球化學研究中常用的兩種硼同位素（左）和另外 13 種放射性硼同位素（右）。

不同的地球系統物質和環境條件顯現出不同的硼同位素比值分布範圍。因此，該數據廣泛地用於地球化學指紋識別、源頭追蹤、污染預測、全球碳循環和海洋環流研究。

可進行硼分析的樣品類型: 貝殼、珊瑚、碳酸鹽、和水。
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本影片摘錄自Beta實驗室網絡研討會：硼同位素分析

古氣候學&古海洋學

溶解於海水的硼通常呈現兩種化學式: 硼酸(H3BO3 or B(OH)3) 與硼酸鹽 (BO3-3 or B(OH)4−)，兩種物質之間有明顯的同位素分餾，造成較重的同位素 (11B) 在硼酸中富集 27.2%。這兩種型態的相對比例取決於 pH 值，如下所示：

B(OH)3 + H2O ↔ B(OH)4− + H+

高pH值 ↔ 低pH值

硼主要是以硼酸鹽形式摻入生物碳酸鹽和無機碳酸鹽中。至於是哪一種形式的硼以及摻入生物碳酸鹽（例如貝殼）的濃度則取決於當時的 pH 值。因此，海洋生物碳酸鹽的硼同位素組成反應了海水的pH 值。

Boron and pH in sediments 15萬年以來北大西洋沉積物岩心的海洋碳酸鹽δ11B與 pH值之間的關係(Chalk et al., 2019)。
海水的pH值較低時，硼一般是以 B(OH)3, 的型態進入貝殼; 而pH值較高時，則改以 B(OH)4− 的型態為之。一般而言，海水的pH值每增加0.1，海洋生物碳酸鹽的 δ11B 就會增加~1‰。由於海水 pH 值會因為溶入更多的二氧化碳 (CO2) 氣體而降低，δ11B 是一種代表，可用於推估過去大氣 CO2 濃度 (pCO2) 和海洋碳酸鹽收支。這項訊息可以幫助我們了解更多歷史氣候情形與全球碳循環變化。硼與海洋 pH 值之間的關係可用於海洋環流的分析，甚至被當作最後一次間冰期海洋碳散逸的證據(Martínez-Botí et al. 2015)。
chemical composition of boron

pH 值與兩種型態的硼濃度之間的關係(https://jpt.spe.org/comparison-methods-boron-removal-flowback-and-produced-waters)

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硼廣泛的使用於工業(潤滑劑、助焊劑、添加劑)、農業(肥料中的微量元素)、以及家庭用品（漂白劑）。硼是鋼鐵製造過程中重要的添加劑，可提高材料的硬化性。例如，由於硼鋼具有吸收中子的天然能力，它被廣泛用於核子工業的屏蔽系統和控制核反應。在其他行業中，被稱為硼酸鈉（“硼砂”）的硼化合物廣泛用於洗滌劑以去除污漬和黴菌，以及在化妝品中作為防腐劑和緩沖劑使用。

Boron Release New

自 1972 年以來估計有數噸的硼進入環境裡 (資料來自於EPA-68-01-3201,1976)。

水中硼和氮同位素比的來源特徵 (Briand et al., 2013)。

由於硼在許多不同產品中被廣泛使用，所以硼會定期地釋放到環境中。根據美國環境保護署(EPA, 1976)提供的數據，自1972年起，3.55萬噸的硼釋放到環境中，其中73%是跟隨水體流入的。硼的排放是一個嚴重的問題，因為硼不會在環境中被破壞，而是透過解離來改變狀態並附著在土壤、沉積物和水中的其他顆粒上。既然硼是植物生長的必需營養素，硼最終會進入食物（蔬菜和水果）中。

參考文獻

Briand, C., Plagnes, V., Sebilo, M., Louvat, P., Chesnot, T., Schneider, M., Ribstein, P. and Marchet, P., (2013). Combination of nitrate (N, O) and boron isotopic ratios with microbiological indicators for the determination of nitrate sources in karstic groundwater. Environmental Chemistry, 10(5), pp.365-369. DOI: 10.1071/EN13036

Chalk, T.B., Foster, G.L. and Wilson, P.A., (2019). Dynamic storage of glacial CO2 in the Atlantic Ocean revealed by boron [CO32−] and pH records. Earth and Planetary Science Letters, 510, pp.1-11. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.12.022

EPA (Environmental Protection Agency), (1976). Chemical technology and economics in environmental perspectives. Task II- Removal of Boron from wastewater. Environmental Protection Agency, Office of Toxic Substances, Washington, D.C. 20460

Giri, S.J., Swart, P.K. and Pourmand, A., (2019). The influence of seawater calcium ions on coral calcification mechanisms: Constraints from boron and carbon isotopes and B/Ca ratios in Pocillopora damicornis. Earth and Planetary Science Letters, 519, pp.130-140. DOI: 10.1016/j.epsl.2019.05.008

Martínez-Botí, M.A., et al. (2015). Boron isotope evidence for oceanic carbon dioxide leakage during the last deglaciation. Nature, 518(7538), pp.219-222. DOI: 10.1038/nature14155