第一阶段（1900s-1940s）是放射成因同位素的诞生与定年时代。这一阶段起源于居里夫妇、卢瑟福等对放射性现象的发现。核心突破在于科学家意识到放射性衰变是天然的“时钟”。1905年，博尔特伍德首次利用铀 - 铅（U-Pb）法测定岩石年龄，开启了绝对地质年代学的大门；1956年，帕特森据此测定地球年龄为45.5亿年，解决了“地球多老”这一根本问题。此时，研究主要聚焦于放射性母体与子体的比值，同位素作为“计时器”，奠定了同位素地球化学的基石。
第二阶段（1940s-1970s）迎来了稳定同位素地球化学的兴起。关键人物哈罗德·尤里（Harold Urey）在1947年发表里程碑式论文，从热力学理论预言了轻元素（如O、H、C、S）的同位素分馏效应与温度密切相关。随后，尤里及其学生建立了氧同位素古温度计，首次实现了对地质历史时期古气候和古海洋温度的定量重建。这一阶段的意义在于，同位素的角色从单一的“时钟”扩展为“示踪剂”和“温度计”。研究范畴随之大幅拓宽，涵盖了成岩成矿过程、古气候重建及水岩相互作用，使科学家能够回答“环境如何”及“物质来源”的问题。
第三阶段（1980s至今）则是技术革命驱动的非传统同位素与微区原位分析时代。质谱技术的飞跃，如热电离质谱（TIMS）、多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）及离子探针（SIMS）的出现，将测量精度提升至万分之几甚至更高，且样品需求量极微。微区原位分析技术使得单颗粒矿物内部（如锆石环带）的同位素填图成为可能，能够解析复杂的地质演化历史。研究领域也从轻元素扩展至铁、铜、锌、镁、硅等“非传统”金属稳定同位素。这些金属同位素的分馏特征揭示了氧化还原状态、生物过程及深部地幔循环等新信息，被广泛应用于追踪地幔柱来源、板块俯冲物质循环乃至地外生命探索。
同位素地球化学已从地质学的辅助工具，转变为理解地球系统科学的核心语言。它经历了从用放射性同位素“定时间”（When），到用轻稳定同位素“测环境”（How/What），再到用高精度金属同位素和微区技术“析过程”（Mechanism/Redox）的跨越，全方位深化了人类对从地核到大气、从生命起源到气候变化等地球系统的认知。
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