The Future of Sedimentology in China:Review on and Look Forward to Laboratory and Instrument

沉积学相关实验室及设备现状与展望是王成善院士主持的国家自然科学基金重点项目“中国沉积学与古环境发展战略研究”中的一个专题。此项目在国际沉积学科发展动态的基础上，研究学科发展规律和趋势；结合中国地球科学发展现状和发展趋势、国家社会经济发展的重大战略需求、我国地域优势和沉积学科研究基础，凝练关键问题和战略方向，达到提出学科领域战略布局的意见和建议的研究目标。

依据该项目总体研究目的针对我国沉积学相关实验室及实验仪器进行调研。论文数据主要源于三方面:1) 6个国内外数据库。包括中国知网、万方数据知识服务平台、中文科技期刊数据库、EBSCOhost、Web of Science、Science Direct^[1-6]；2) 102个实验室网站的资料数据。包括国家级、省部级重点实验室等78个国内实验室官方网站数据与美国能源部国家实验室(United States Department of Energy National Laboratories)、美国地质勘探局(United States Geological Survey，USGS)、英国地质勘探局(British Geological Survey，BGS)、美国石油地质学家协会(American Association of Petroleum Geologists，AAPG)、国际沉积学家协会(International Association of Sedimentologists，IAS)等24个国外相关机构官方网站资料^[7-108]；3) 5个搜索引擎^[109-113]。包括百度学术、必应学术、读秀、Google Scholar、Microsoft Academic，搜索关键词包括实验沉积学、地质分析、矿物成分与结构、水槽实验、沉积实验模拟、质谱仪、实验室设备、粒度分析、同位素分析等。

通过对调研结果统计与归纳，总结了我国沉积学实验研究发展主要经历的三个阶段：1950—1980年起步阶段、1980—2010年快速发展阶段和2010年以来稳步发展阶段。我国沉积学实验研究发展至今仍存在诸多问题。这些问题大体可分为三种类型，一是，显现出不断加剧趋势的一类问题。如沉积学相关实验室地域分布过于集中，实验室与所研究的自然对象(即，典型地质现象发育区)相互分离且越来越远。这种研究目标与自然对象相互脱离的现象，显现出不断加剧的趋势，应给予注意。二是，长期被忽视、但又事关沉积学基础研究的问题。通过调研发现，1980年代至今国民经济和相关学科实验室条件都发生了飞跃式进步，而沉积学专门实验室却长期停滞不前，还有逐渐萎缩的趋势。以水槽实验为例，我国早在20世纪80年代初就有国际先进的水槽实验室，而如今老的水槽装置拆除，后建的也寥寥无几。而且，迄今全国还没有一个专门化的沉积学实验室。三是, 人们对专门化的沉积学仪器设备及方法重视不够。最近20多年来，科研项目研究周期的不断缩短，以往专门用于沉积学研究的实验仪器设备和方法(如沉降分离仪、费氏台法等)因耗时较长逐渐被废弃。但另一方面，我们又没有及时引进、消化吸收国外新技术方法，更没有研发出自己的沉积学专门化仪器设备。其结果是，长期以来我们的沉积学研究实际上是在缺乏坚实可靠的实验条件支撑下的维持性运行。这是会给我国沉积学与时俱进发展造成釜底抽薪式伤害的严重问题，因此必须引起高度重视。

通过调研我国沉积学相关实验室成立时间和各实验室历史沿革情况，对我国沉积学实验研究发展过程进行分析总结。结果显示，我国沉积学实验研究发展主要经历了三个阶段(图 1)：

Figure 1.  Establishment time and run time of laboratories which are related to sedimentology in China

(1) 1950—1980年为我国沉积学实验研究的起步阶段。这一阶段我国沉积学实验室数量增长较慢，沉积学相关实验室从原有的6个增长至19个。这一阶段前期(1950—1970年)沉积学实验室设备简单并且实验室大多以研究小组或者研究室的形式出现，是沉积学实验室最初的组织形式，例如中国科学院海洋地质与环境重点实验室追溯至初期为1956年成立的中国科学院海洋地质研究小组。该阶段实验室主要由设有地质专业的各高等院校设立，这些实验室同时兼具了实验研究与教学的任务^[114]。

(2) 1980—2010年为我国沉积学实验研究的快速发展阶段。这一时期沉积学相关实验室数量增长速度快，截止至2010年底沉积学相关实验室从原有的19个增长至85个，是目前为止我国沉积学相关实验室数量增长最快的20年。这一阶段全国范围内地质科学研究中心和高校相继建立实验室，如1984年原国家计委组织实施了国家重点实验室建设计划，在教育部、中科院等部门的有关大学和研究所中，依托原有基础建设一批国家重点实验室；1998年由教育部开始启动建设教育部重点实验室，重点针对高校实验室建设。

(3) 2010年以来我国沉积学实验研究进入了稳步提升阶段。该阶段沉积学相关实验室数量保持较为稳定的增长速度，相比上一阶段增长速度有所下降，截止至2016年12月全国共有101个沉积学相关的实验室，包括国家级、省部级、中科院、地科院等重点实验室，可以开展沉积学相关的专业分析测试工作。根据调研结果发现该阶段沉积学相关实验室数量增加主要来源于国土资源部新增重点实验室，如沉积盆地与油气资源重点实验室、东北亚古生物演化重点实验室、沉积盆地与油气资源重点实验室等。

通过调研我国78个沉积学相关实验室^[7-84]，包括27个国家级实验室，21个国土资源部、教育部重点实验室，12个中国科学院重点实验室，5个中国地质科学院重点实验室，9个企业重点实验室，4个校级重点实验室，并将78个重点实验室按不同的分类方式进行统计。按成立与运行时间统计，大部分沉积学相关实验室在2000年之后成立且运行时间大多不超过15年，平均运行时间为10.8年，目前全国共有101个沉积学相关的实验室(图 1)；按学科进行分类统计，根据实验室的研究主题与方向将调研实验室分为10种类型包括构造模拟、岩石圈大陆动力地球深部、固体矿产、油气和煤、海洋等，其中以能源领域(油气和煤)的实验室数量最多17个占总量的22%，其次为地球化学分析测试、海洋、固体矿产等，构造模拟类实验室数量最少4个仅占总量的5%(图 2)；按地域分布统计，沉积学相关实验室主要分布在我国经济与教育发展较好的中部和东南部地区，其中仅北京就有28个，而西部地区沉积学相关实验室数量少(图 3)。

Figure 2.  The amount of laboratories in different fields which are related to sedimentology in China

Figure 3.  Geographic distribution of laboratories which are related to sedimentology in China

然而根据调研结果来看，目前我国沉积学相关实验室存在以下主要问题：

(1) 实验室与所研究的自然对象(即典型地质现象发育区)相互分离，并且显现出不断加剧的趋势。表现为实验室在地域分布上过于集中，资源主要集中地区与研究对象发育地区相分离趋势不断加剧。国家的重点实验室多数集中在高校和科研院所，且重点院校与科研院所大多集中在经济较发达的中部与东南部地区，尤其以北京、上海、广州、南京等十几个大城市为分布重点，其中仅北京市就有28个实验室。而有些典型地质现象发育地区资源却相对匮乏，例如西部地区为典型黄土、冻土发育地区，黄土、冻土发育好、分布范围广却没有相对应的国家级、省部级重点实验室；东北地区湿地资源丰富缺少相关实验室。

(2) 事关沉积学基础研究的实验室建设长期被忽视。通过调研发现，1980年代至今国民经济和相关学科实验室条件都发生了飞跃式进步，而沉积学专门实验室却长期停滞不前，还有逐渐萎缩的趋势。具体表现为，从学科分类统计结果来看，针对沉积环境、沉积演化以及自然界典型的沉积过程等沉积学基础研究的实验室数量少。以水槽实验为例，我国早在20世纪80年代初就有国际先进的水槽实验室，而如今老的水槽装置拆除，后建的也寥寥无几。而且，迄今全国还没有一个国家级或省部级专门化的沉积学实验室。

(3) 就成立时间与运行时间来看，我国沉积学相关实验室存在成立时间晚、运行时间短的问题，大部分实验室在2000年之后成立，运行时间不超过15年。虽然部分实验室经历了较长的历史沿革，但是作为国家级、省部级等重点实验室建设与运行时间较短，部分实验室目前仍处于建设阶段。

对调研的78所沉积学相关重点实验室的仪器设备情况作了统计，共有沉积学相关实验仪器62种717个，根据对相关实验仪器的调研结果，将实验仪器按功能分为7大类^[115]，分别是：矿物成分分析、化学成分分析、有机地球化学分析、结构组构及物性分析、地质年龄测定、古地磁分析、过程模拟，并将常用于沉积学测试分析的仪器及其沉积学中应用进行归纳(附表 1)。其中化学成分分析类实验仪器数量最多296个，占总量的41%，其次为矿物成分分析、结构组构及物性分析，其中种类与数量最少的是过程模拟类实验仪器17个占总量的2%(图 4)。

Figure 4.  Different types of instruments which are related to sedimentology in China

随着我国沉积学实验研究的发展主要地质科研院所和高校中已经配置了一批沉积学相关测试仪器，可以定性和定量地进行沉积学相关综合测试分析，但是根据调研结果来看我国沉积学实验仪器仍然存在一些问题。

目前我国沉积学实验仪器设备存在的问题主要表现为对专门化的沉积学仪器设备及方法重视不够。最近20多年来，随着生活节奏加快和项目研究周期的不断缩短，以往专门用于沉积学研究的实验仪器设备和方法(如沉降分离仪、费氏台法等)因耗时较长逐渐被视为老旧过时的东西长期被搁置不用。但另一方面，我们又没有及时引进、消化吸收国外新技术方法，更没有研发出我们自己的沉积学专门化仪器设备。具体表现为目前我国实验室中如宏观沉积过程研究等专门用于沉积学研究的仪器数量很少。另外，部分测试仪器如测年仪器离子探针、等离子体质谱仪等数量少，预约测试周期较长，样品不能得到及时处理。这种重视不足的结果是，长期以来我们的沉积学研究实际上是在缺乏坚实可靠的实验条件支撑下的维持性运行，这一问题无疑会严重阻碍我国沉积学的发展。

通过调研国外相关大学、美国国家实验室、USGS、BGS、AAPG、IAS等网站资料，以美国能源部国家实验室为例与我国沉积学相关实验室与仪器状况进行了对比分析，从中发现我国实沉积学实验研究的差距与不足之处。

从地域分布来看，美国能源部国家实验室分布较为均匀，调研的17个实验室分布于美国的16个州分散在美国的东部、西部与中部。在美国沉积学相关实验室建立历史普遍比较长，而且在长期的发展历程中每个实验室都能够不忘初衷保持自己的特色。尤其值得指出的是美国的沉积学实验室都密切结合研究的自然对象，把室内实验与野外地质现象联合起来构建天然—人工合二而一的沉积学实验体系。与之相比，我国的沉积学相关实验室更多的是建在北京这样的超大城市内，给人以较为浓郁的“因人设庙”的行政色彩。由此导致了实验室与实验对象(自然过程)逐渐分离，且渐行渐远。这种“理论与实际相脱离”的现象呈现加速趋势。笔者认为，这会伤害沉积学的健康发展，值得注意(图 5)。

Figure 5.  Establishment time and run time of National Laboratories run by United States Department of Energy

美国实验室的长期、平稳、高效运行，也是值得我们借鉴的，其中14个实验室成立于1970年之前，平均运行时间长达58年^[85-101]。比较而言，我国沉积学实验室不仅表现为地域分布过于集中，国家的大型仪器设备主要集中在中部与东南部地区的重点高校和科研院所，而欠发达地区高校乃至地区仪器设备资源相对匮乏。而且，尽管我国沉积学相关实验室成立时间较晚，大部分实验室运行时间不超过15年，但运转效率和资源共享方面与美国相比尚有差距，值得认真研究改进。

我国沉积学在实验室数量、建设运行时间，仪器开发程度等方面与发达国家仍然存在差距，为不断完善我国沉积学实验仪器，增强我国沉积学实验室研究能力，构建高水平的研究平台，进一步加强中国沉积学的实验研究能力，笔者认为，我们应考虑从以下几个方面着手。

首先，鉴于沉积学作为矿产资源、化石能源、环境灾害及海洋地质研究的基础性支撑学科，迄今国内还没有一个专门化的沉积学实验室，因此，应该考虑在适当时候组建国家级沉积学实验室。

其次，在已有的实验室基础上建立一些专门化实验室，针对沉积过程与沉积产物进行研究。例如地表动力过程和机械搬运沉积产物实验室；生物化学、深部过程和机械搬运混合沉积产物实验室；建立地质微生物实验室；成岩作用研究实验室；近地表地球化学和地质生物学实验室；沉积学粒径实验室等。建立学科交叉的综合性沉积学研究实验室。例如火山沉积和地质灾害实验室：山洪和海啸、火山喷发和火山灰的散布、火山碎屑沉积、滑坡、泥石流研究。

最后，增加沉积学专门化仪器设备，例如海洋和河流、湖泊过程长期观测系统，综合水槽模拟装置可用于模拟牵引流—浊流，单向—双向水流，流动底形，以及不同初始与边界条件下的流动与沉积实验，与完善的计算机模拟系统相结合。健全围绕大型设备的基础配套设施及基本的设备。

我国沉积学实验研究经历了三个阶段：1950—1980年起步阶段、1980—2010快速发展阶段和2010年以来稳步发展阶段。目前我国共有101个沉积学相关的实验室，并且实验室数量仍在稳步增长中，实验室中配备的测试仪器可以定量和定性地进行沉积学相关测试分析，主要应用于沉积学的测试内容包括：矿物成分分析、化学成分分析、有机质分析、结构组构及物性分析、地质年龄测定、古地磁分析、过程模拟。

我国的沉积学研究长期以来，一直是化石能源与沉积矿产、海洋过程与资源、区域环境和可持续发展，等事关国计民生的相关基础科学研究的重要组成部分。就目前沉积学实验研究的发展现状来看，实验室建设和仪器设备与发达国家相比的还存在一定的差距，其中存在的问题包括：实验室地域分布上过于集中，专门用于沉积学研究的实验仪器和设备很少，实验室运行效率和资源共享有待提高等。一方面我国的沉积学在国民经济和社会发展中发挥着重要的基础研究作用，另一方面相关支撑条件又相对薄弱。因此，这些问题无疑将会阻碍我国沉积学未来的健康发展。

通过此次“中国沉积学发展战略”调研，首次对我国建国以来高校和研究所及国外沉积学相关实验室和仪器设备情况进行了较为系统的摸底调查和分析比较。在此基础上，我们理清了问题，例如，没有专门化沉积学实验室、缺少专门化仪器设备和实验条件，已经成为我国沉积学面临的主要的条件支撑问题。同时我们也看到了不足，例如，在实验室运行效率和资源共享方面尚有较大提升空间。在此，希望与同行分享我们的调研成果，同时更希望引起相关专家和管理部门的注意，在条件允许时能够及时解决影响我国沉积学发展的上述瓶颈问题。未来我国沉积学将会向着学科更加综合、研究更加细化的方向发展，沉积学实验研究也必将在国民经济和社会发展中发挥着越来越重要的基础研究作用。