【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】圍繞地球早期板塊構(gòu)造的形成時(shí)間和成因機(jī)制的科學(xué)問(wèn)題，科學(xué)界展開(kāi)了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的激烈辯論。一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是：40億年前的冥古宙時(shí)期(Hadean)，板塊構(gòu)造是否已經(jīng)存在？關(guān)于早期地球的構(gòu)造機(jī)制，大多數(shù)研究學(xué)者集中討論了兩種廣為人知的觀(guān)點(diǎn)：一種是停滯蓋層構(gòu)造，一種是類(lèi)似現(xiàn)代的板塊構(gòu)造。在這一背景下，冥古宙的Jack Hills鋯石作為地球上保存最古老的記錄之一，其年齡可追溯至4.4 Ga，幾乎囊括了95%的Hadean鋯石。通過(guò)對(duì)"S型"花崗巖的碎屑鋯石的識(shí)別，可以判斷其巖漿源區(qū)是否具有沉積物的加入， 其與大陸碰撞、造山作用和地殼增厚等一系列板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。因此，Jack Hills鋯石(如圖1所示)的巖漿源區(qū)性質(zhì)的判定自然成為了科學(xué)家們破解地球早期構(gòu)造機(jī)制之謎的關(guān)鍵鑰匙。
 

圖1 Jack Hills鋯石(顆粒直徑約為200微米)
 

　　目前，關(guān)于40億年前Jack Hills鋯石的巖漿來(lái)源問(wèn)題，研究學(xué)者利用包裹體、同位素和微量元素等證據(jù)分別給出不一致的結(jié)論。一方觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，Jack Hills鋯石的高鋁的元素特征、更高的氧同位素和白云母包裹體等證據(jù)均表明其結(jié)晶于S型花崗巖(圖2)，指示其巖漿源區(qū)中有沉積物的加入(Carley et al., 2014; Hopkins et al.,2008; Wallmann, 2001)；另一方觀(guān)點(diǎn)則認(rèn)為，鋯石微量元素特征表明Jack Hills鋯石絕大多數(shù)都為I型花崗巖鋯石，指示其結(jié)晶于與基性下地殼部分熔融有關(guān)的I型花崗巖(Burnham and Berry, 2017; Zhu et al., 2020)。其中，鋯石的微量可以作為更可靠的“指紋”，用于確定鋯石的來(lái)源。鋯石微量元素REE+Y-P的圖解中，S型鋯石的總體識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了84%，但低P區(qū)域(P<15μmol/g)的S型鋯石和I型鋯石存在明顯的重疊區(qū)域，低磷(P≤15μmol/g)S型鋯石的識(shí)別準(zhǔn)確率為0%。然而，Hadean的沉積物P含量極低，即使這個(gè)時(shí)期存在S型鋯石，這將使得所有這些具有低磷特征的S型鋯石都將被誤認(rèn)為是I型鋯石。而低磷(<15μmol/g)鋯石占據(jù)了所有Hadean-Archean碎屑鋯石的95%以上，因此，在考慮Hadean-Archean鋯石的來(lái)源時(shí)，核心問(wèn)題是如何識(shí)別低磷S型鋯石。
 

　　圖2 “S型”花崗巖野外照片示意圖，喜馬拉雅山脈(左)和西澳大利亞Jack Hills鋯石發(fā)現(xiàn)地(右)
 

　　基于此，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士生蔣濟(jì)蓮和鄒心宇博士(共同一作)，在Ross Mitchell研究員、張毅剛研究員的指導(dǎo)下，與李獻(xiàn)華研究員、秦克章研究員、尹慶柱教授、Christopher Spencer副教授、趙勇助理教授等國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)了新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠準(zhǔn)確識(shí)別出低磷S型鋯石。機(jī)器學(xué)習(xí)可以同時(shí)考慮多維元素特征，且可以在高維空間中學(xué)習(xí)得到劃分不同類(lèi)型的超平面，對(duì)重疊區(qū)域的鋯石進(jìn)行更精準(zhǔn)的劃分。研究者篩選出S型鋯石和其他非S型的干凈鋯石，隨機(jī)劃分其中80%為訓(xùn)練集，20%為測(cè)試集，分別用于模型訓(xùn)練和評(píng)估，運(yùn)用11種經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練識(shí)別S型鋯石的分類(lèi)器。經(jīng)過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，直推式機(jī)器學(xué)習(xí)算法(TSVM)的準(zhǔn)確率最高，模型F1-score達(dá)到了0.95，對(duì)低磷S型鋯石的識(shí)別準(zhǔn)確率也高達(dá)87.5%。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用該模型對(duì)Jack Hills碎屑鋯石進(jìn)行預(yù)測(cè)分類(lèi)，結(jié)果顯示Hadean時(shí)期的S型鋯石的比例達(dá)到了35%，這些鋯石的年齡可追溯至地球形成后的幾億年內(nèi)。這一發(fā)現(xiàn)表明，早在地球歷史的早期階段，地殼的風(fēng)化、沉積巖的形成、沉積物的埋藏和再循環(huán)過(guò)程可能就已經(jīng)開(kāi)始。Jack Hills鋯石中S型鋯石的比例在4.1Ga-3.8 Ga之間從30%增長(zhǎng)到80%，與εHf顯示下降趨勢(shì)存在一致性(圖3)。而在3.8Ga-3.4 Ga之間，S型鋯石的比例則從80%降低到40%，指示巖漿源區(qū)鎂質(zhì)成分的加入(圖3)。這種成分的轉(zhuǎn)變，表明從大陸地殼重熔到鎂質(zhì)巖漿作用的過(guò)渡，對(duì)應(yīng)著地球早期的造山運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
 

圖3 早期地球Jack Hills的S型碎屑鋯石與巖漿源區(qū)成分演化關(guān)系
 

　　進(jìn)一步對(duì)全球范圍內(nèi)的碎屑鋯石進(jìn)行了分類(lèi)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從40億年前至今，S型鋯石的比例呈現(xiàn)出周期性的高峰，這些峰值與超大陸(supercontinents)或巨大陸(megacontinents)出現(xiàn)時(shí)間一致 (圖 4)。這種周期性與超級(jí)大陸周期高度吻合，S型鋯石的比例在超大陸聚合時(shí)期升高，而在超大陸裂解時(shí)期則下降。這表明，與現(xiàn)今相似的板塊構(gòu)造活動(dòng)自地球早期可能已經(jīng)開(kāi)始活躍，驅(qū)動(dòng)著大陸的運(yùn)動(dòng)和碰撞，從而形成S型鋯石的周期性峰值和低谷。而這些S型鋯石比例的周期展現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)期的下降趨勢(shì)。Hadean時(shí)期較高的地幔勢(shì)溫可能會(huì)導(dǎo)致俯沖過(guò)程中更為頻繁的板片斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致更多與俯沖沉積物進(jìn)入巖漿源區(qū)，從而產(chǎn)生更高比例的S型鋯石。
 

　　總而言之，通過(guò)建立系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)識(shí)別S型鋯石，該研究揭示了地球早期的表面環(huán)境和板塊構(gòu)造可能與現(xiàn)今具有較高相似性。可能在地球形成后大約3億年，或更短的時(shí)間內(nèi)，地球已經(jīng)成為一個(gè)支持生命起源和演化的宜居星球。
 

圖4 地球歷史時(shí)期S型碎屑鋯石比例的變化
 

　　研究成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊PNAS (蔣濟(jì)蓮, 鄒心宇, Ross N. Mitchell, 張毅剛, 趙勇, 尹慶柱, 楊蔚, 周錫強(qiáng), 王浩, Christopher J. Spencer, 單小彩, 吳石頭, 李光明, 秦克章, 李獻(xiàn)華. Sediment subduction in Hadean revealed by machine learning [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2024, 121: 30. DOI: 10.1073/pnas.2405160121.)。