李中平
中国同位素地质年代学的发展历程回顾
2025-6-17 11:24
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编者注:本文主要内容基于刘敦一研究员在中国地质学会同位素地质专业委员会成立40周年报告中的详实资料,并结合相关公开文献,系统梳理了中国同位素地质年代学的发展历史。文章从1950年代末中国同位素地质年代学的起步讲起,回顾了程裕淇、李璞等早期科学家引进苏联技术、建立国内首批实验室的艰辛历程;随后,阐述了1960年代全国范围内同位素地质学的快速扩展与多地质研究机构的积极参与;紧接着,分析了文化大革命等政治动荡对学科发展的阻滞与科研人员的坚韧坚持;最后,重点介绍了1978年后通过国际合作引进先进技术,推动同位素地质年代学的二次创业及1980年代以来技术完善、学科成熟的过程。

正文:文章全面反映了中国同位素地质年代学从无到有、由弱变强的发展轨迹,突出表现了科研人员在艰苦环境中不断探索创新的精神,以及国际合作对学科进步的重要推动作用。特别是在锆石U-Pb定年技术、稳定同位素分析方法等方面的突破,奠定了中国在国际同位素地质学领域的重要地位。本文不仅为读者提供了中国同位素地质年代学发展的系统回顾,也为理解我国地质科学的发展历程和科研创新提供了宝贵的历史视角,具有重要的学术价值和参考意义。中国同位素地质年代学的发展历程,是新中国地质科学事业不断探索、积累与创新的缩影,体现了从无到有、由弱变强的艰辛历程。其发展不仅依赖于国内科研人员的努力,也得益于国际合作与技术引进。以下将从起步阶段、快速发展、动荡阻滞、技术引进与学科成熟四个阶段,系统梳理中国同位素地质年代学的发展历史,结合重要人物和事件,全面展现这一学科的发展轨迹。

一、起步阶段(1950年代末至1960年代初)

1950年代末期,随着核物理、核化学和质谱技术的发展,同位素地质年代学作为一门新兴学科开始在世界范围内兴起。中国同位素地质年代学的起步,离不开程裕淇等早期科学家的推动。1957年,程裕淇作为国务院组织的国家访苏科技代表团地矿组顾问,首次在鞍山附近采集白云母样品,送往苏联全苏地质研究所利用钾氩法进行同位素年龄测定,标志着中国同位素地质年代学的萌芽。同年10月,程裕淇访问列宁格勒全苏地质研究所绝对年龄测定室,学习采样和仪器使用技术,随后提交设备采购报告,推动国内实验室建设。1958年,地质部地质矿产研究所第四室成立绝对年龄组(后发展为中国地质科学院同位素地质年代学实验室),张自超、白云彬、龙文萱、张振海、李兴、沈寒珍、潘仲华、李清修、于荣炳、葛起兰、富云莲、刘敦一等一批青年人才加入,1960年冬天引进了第一台苏制MИ-1305质谱仪。

同期,中国科学院地质研究所等机构也成立了同位素地质临时性研究小组,主攻K-Ar和U-Pb定年法,成员包括:有张翼翼、戴橦谟、邱纯、范嗣昆、陈毓蔚、王联魁、王丽芝、杨凤筠、王俊文、卫克勤,夏明、刘菊英、毛存孝、金铭成、欧阳自远、于津生、赵树森等。这一时期,李璞先生在中国科学院地质研究所领导成立了同位素地质研究室,开创了中国首个同位素地质实验室,强调多学科融合,培养集核物理、电子学、地质学于一体的科研团队,为后续发展奠定了坚实基础。1963年,李璞团队发表了国内第一篇基于自测数据的同位素年龄研究论文,宣告中国同位素地质年代学的正式诞生。北京第三研究所于1959-1960年购入苏联制造的质谱仪,组建铀-铅法实验室,成员有李杰元、李喜斌、万齐虎、董文永、李雪屏等,推动了国内同位素定年技术的多点发展。

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二、快速发展与全面扩展(1960年代中期)

1960年代初至中期,同位素地质年代学在中国迅速扩展。1963年起,地科院地质力学所、东北所、华北所、华东所、中南所、西南所等多家地质研究机构派遣人员到北京学习质谱技术和定年方法,纷纷组建自己的同位素地质实验室,形成全国范围的同位素地质学发展格局。

例如,地质力学所由孙家恕负责组建绝对年龄实验室,主要开展U-Pb定年法;东北所派王集源等人学习质谱与K-Ar、U-Pb法,随后组建实验室;华北、华东、中南、西南各所也先后派人来京学习,推动了同位素地质学的区域布局。这一阶段,李璞提出“开放实验室管理模式”,推动跨部门合作,特别是在稳定同位素研究方面与冶金部地质所合作建立了我国第一个硫同位素实验室,开拓了稳定同位素地质研究的新领域。

然而,1965年“四清运动”爆发,绝大多数科研人员响应号召下乡,实验室工作基本停滞。同年年底,中央要求将重要仪器设备迁往三线地区,地科院绝对年龄组部分人员和M86质谱计迁往西安,但因条件限制,实验工作无法开展,后又迁回北京。文化大革命期间(1966-1976),科研工作几乎陷入停顿。

三、动荡阻滞与重建(1970年代)

1970年底,地科院同位素地质实验室整体搬迁至宜昌中南地矿所,成为当时全国最完善、实力最强的同位素地质实验室,标志着中国同位素地质年代学在艰难环境中的坚韧发展。

1973年,随着“抓革命促生产”的号召,地质矿产研究所开始筹建新的同位素地质实验室,丁悌平、宋鹤彬等人推动硫、氧同位素分析设备的安装和样品制备技术的开发1。1975年前,虽然缺乏稳定的质谱仪器,但与桂林有色金属研究所合作取得了一些数据。1977年引进MAT230气体质谱仪,标志着同位素地质学的二次创业起点。

1977年,国际地质科学联合地层委员会年代学分会主席Compston教授访华,1978-1979年,中国科学院地质所和地矿部派人赴澳大利亚国立大学学习先进定年技术,开展国际合作,掌握了U-Pb、Rb-Sr、Ar-Ar等先进技术,建立了超净实验室,纠正了把年代学仅当作测试技术的错误认识。1981年,张宗清赴法国雷恩大学进修Sm-Nd定年和稀土元素同位素分析技术,1984年建立了国内首个Sm-Nd定年与REE地球化学实验室,标志着中国非传统同位素地质年代学的开端。

四、技术完善与学科成熟(1980年代至今)

进入1980年代后,中国同位素地质年代学逐步进入技术完善和学科规范发展的阶段。丁悌平等率先建立并改进了高精度多硫同位素分析方法(SF6法),实现了对多种硫同位素的精准测定,推动了硫同位素非质量分馏研究。同时,丁悌平团队建立了高精度硅同位素分析方法,分析精度达到国际领先水平,研制了激光微区氧、硅同位素分析装置,创建了硅同位素地球化学体系,并出版了相关专著。

1985年,中国地质学会同位素地质专业委员会成立,刘敦一任主任,丁悌平任秘书长,推动全国同位素地质年代学与同位素地球化学的学术交流,定期召开全国学术会议,促进学科发展。至今,全国已举办多届同位素地质学术会议,形成了良好的学术交流平台。

1980年代后期,刘敦一赴澳大利亚国立大学学习锆石U-Pb定年技术,带回先进技术和设备,推动国内锆石U-Pb定年技术达到国际一流水平,促进了超净实验室和相关设备的自主制造。这一技术的引进极大提升了中国同位素地质年代学的研究质量和国际影响力。1980年代,中国科学院兰州地质研究所(现中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心)率先将稀有气体同位素及稳定同位素技术引入油气地球化学研究领域,奠定了我国油气同位素地球化学研究的基础。推动了油气成因、成藏过程以及油气田勘探开发前景的科学评价和理论创新。

进入21世纪,朱祥坤等科学家在非传统稳定同位素地球化学领域取得突出成就,建立了多种金属稳定同位素测试方法,推动了铁、铜、锌等元素同位素在地球化学、生态学和矿床学中的应用,奠定了中国在该领域的国际领先地位。朱祥坤团队还参与了国际铅原子量修订工作,推动了基础地质研究的国际合作与标准制定。此外,Sm-Nd同位素定年作为非传统同位素定年方法,近年来在矿床成因、地壳演化等领域发挥了重要作用。国内学者通过Sm-Nd定年对多种矿床进行了精确的成矿时代分析,推动了矿床地质学的发展。

五、总结

中国同位素地质年代学的发展历程,是一部充满挑战与创新的科学史。从1950年代末引进苏联技术起步,经历了1960年代的快速扩展,1970年代的政治动荡与科研停滞,到1978年后通过国际合作和技术引进实现二次创业,再到1980年代技术完善和学科成熟,中国同位素地质年代学逐步建立起完善的实验体系和多学科交叉的研究队伍,成为中国地质科学的重要分支。这一历程体现了中国科学家在艰难环境中坚持创新、勇于开拓的精神,也反映了国际合作对学科发展的重要推动作用。未来,随着新技术的不断引进和自主创新,中国同位素地质年代学将在基础研究和应用领域继续取得突破,为地球科学和资源勘查提供坚实的科学支撑。

参考资料:

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3. https://news.qq.com/rain/a/20210503A011WF00

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10. http://isotope2024.com

11. http://www.igg.cas.cn/zhuantilanmu/xituhistory/201103/t20110304_3079160_2.html

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