【儀表網 研發快訊】圍繞地球早期板塊構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)，板塊構造是否已經存在？關于早期地球的構造機制，大多數研究學者集中討論了兩種廣為人知的觀點：一種是停滯蓋層構造，一種是類似現代的板塊構造。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造運動密切相關。因此，Jack Hills鋯石(如圖1所示)的巖漿源區性質的判定自然成為了科學家們破解地球早期構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分別給出不一致的結論。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均表明其結晶于S型花崗巖(圖2)，指示其巖漿源區中有沉積物的加入(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鋯石絕大多數都為I型花崗巖鋯石，指示其結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區域(P<15μmol/g)的S型鋯石和I型鋯石存在明顯的重疊區域，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鋯石發現地(右)
 

　　基于此，中國科學院地質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外團隊合作，開發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種經典的機器學習算法訓練識別S型鋯石的分類器。經過對比研究發現，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。這一發現表明，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過程可能就已經開始。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%，指示巖漿源區鎂質成分的加入(圖3)。這種成分的轉變，表明從大陸地殼重熔到鎂質巖漿作用的過渡，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成分演化關系
 

　　進一步對全球范圍內的碎屑鋯石進行了分類結果發現，從40億年前至今，S型鋯石的比例呈現出周期性的高峰，這些峰值與超大陸(supercontinents)或巨大陸(megacontinents)出現時間一致 (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，與現今相似的板塊構造活動自地球早期可能已經開始活躍，驅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，從而產生更高比例的S型鋯石。
 

　　總而言之，通過建立系統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境和板塊構造可能與現今具有較高相似性。可能在地球形成后大約3億年，或更短的時間內，地球已經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.)。