【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】圍繞地球早期板塊構(gòu)造的形成時間和成因機制的科學問題，科學界展開了長達數(shù)十年的激烈辯論。一個值得關注的問題是：40億年前的冥古宙時期(Hadean)，板塊構(gòu)造是否已經(jīng)存在？關于早期地球的構(gòu)造機制，大多數(shù)研究學者集中討論了兩種廣為人知的觀點：一種是停滯蓋層構(gòu)造，一種是類似現(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。通過對"S型"花崗巖的碎屑鋯石的識別，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)造運動密切相關。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家們破解地球早期構(gòu)造機制之謎的關鍵鑰匙。
 

圖1 Jack Hills鋯石(顆粒直徑約為200微米)
 

　　目前，關于40億年前Jack Hills鋯石的巖漿來源問題，研究學者利用包裹體、同位素和微量元素等證據(jù)分別給出不一致的結(jié)論。一方觀點認為，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)；另一方觀點則認為，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”，用于確定鋯石的來源。鋯石微量元素REE+Y-P的圖解中，S型鋯石的總體識別準確率達到了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型鋯石的識別準確率為0%。然而，Hadean的沉積物P含量極低，即使這個時期存在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鋯石的來源時，核心問題是如何識別低磷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，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所博士生蔣濟蓮和鄒心宇博士(共同一作)，在Ross Mitchell研究員、張毅剛研究員的指導下，與李獻華研究員、秦克章研究員、尹慶柱教授、Christopher Spencer副教授、趙勇助理教授等國內(nèi)外團隊合作，開發(fā)了新的機器學習方法能夠準確識別出低磷S型鋯石。機器學習可以同時考慮多維元素特征，且可以在高維空間中學習得到劃分不同類型的超平面，對重疊區(qū)域的鋯石進行更精準的劃分。研究者篩選出S型鋯石和其他非S型的干凈鋯石，隨機劃分其中80%為訓練集，20%為測試集，分別用于模型訓練和評估，運用11種經(jīng)典的機器學習算法訓練識別S型鋯石的分類器。經(jīng)過對比研究發(fā)現(xiàn)，直推式機器學習算法(TSVM)的準確率最高，模型F1-score達到了0.95，對低磷S型鋯石的識別準確率也高達87.5%。
 

　　研究團隊運用該模型對Jack Hills碎屑鋯石進行預測分類，結(jié)果顯示Hadean時期的S型鋯石的比例達到了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，地殼的風化、沉積巖的形成、沉積物的埋藏和再循環(huán)過程可能就已經(jīng)開始。Jack Hills鋯石中S型鋯石的比例在4.1Ga-3.8 Ga之間從30%增長到80%，與εHf顯示下降趨勢存在一致性(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)巖漿作用的過渡，對應著地球早期的造山運動過程。
 

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

　　進一步對全球范圍內(nèi)的碎屑鋯石進行了分類結(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)時間一致 (圖 4)。這種周期性與超級大陸周期高度吻合，S型鋯石的比例在超大陸聚合時期升高，而在超大陸裂解時期則下降。這表明，與現(xiàn)今相似的板塊構(gòu)造活動自地球早期可能已經(jīng)開始活躍，驅(qū)動著大陸的運動和碰撞，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)了一個長期的下降趨勢。Hadean時期較高的地幔勢溫可能會導致俯沖過程中更為頻繁的板片斷裂，進而導致更多與俯沖沉積物進入巖漿源區(qū)，從而產(chǎn)生更高比例的S型鋯石。
 

　　總而言之，通過建立系統(tǒng)的機器學習方法來識別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，或更短的時間內(nèi)，地球已經(jīng)成為一個支持生命起源和演化的宜居星球。
 

圖4 地球歷史時期S型碎屑鋯石比例的變化
 

　　研究成果發(fā)表于國際權威學術期刊PNAS (蔣濟蓮, 鄒心宇, Ross N. Mitchell, 張毅剛, 趙勇, 尹慶柱, 楊蔚, 周錫強, 王浩, Christopher J. Spencer, 單小彩, 吳石頭, 李光明, 秦克章, 李獻華. 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.)。