【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，科學界展開了數年的辯論。在40億年前的冥古宙時期(Hadean)，板塊構造是否已存在？這是值得關注的問題。多數關于早期地球的構造機制的研究，討論了兩種觀點即停滯蓋層構造以及類似現代的板塊構造。在這一背景下，冥古宙的杰克山(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有沉積物加入，其與大陸碰撞、造山作用和地殼增厚等板塊構造運動是否相關。因此，判定Jack Hills鋯石的巖漿源區性質，成為科學家破解地球早期構造機制之謎的關鍵。目前，關于40億年前Jack Hills鋯石的巖漿來源問題，科學家利用包裹體、同位素和微量元素等證據給出了不同的結論。
鑒于此，中國科學院地質與地球物理研究所等國內外團隊開發了能夠準確識別出低磷S型鋯石新的機器學習方法。機器學習可以同時考慮多維元素特征，并可以在高維空間中學習得到不同類型的超平面，以更精準地劃分重疊區域的鋯石。該研究篩選出S型鋯石和其他非S型的干凈鋯石，并隨機將其中80%劃分為訓練集，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。對比研究發現，直推式機器學習算法的準確率最高，模型F1分數達到0.95，對低磷S型鋯石的識別準確率達87.5%。
科研團隊利用這一模型對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35%，而這些鋯石的年齡可追溯至地球形成后的幾億年內。這表明，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便已開始。Jack Hills鋯石中S型鋯石的比例在4.1Ga至3.8 Ga之間從30%增長到80%，與εHf顯示下降趨勢存在一致性。而在3.8Ga至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。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。
進一步，研究對全球范圍內的碎屑鋯石進行分類發現，從40億年前至今，S型鋯石的比例呈現出周期性的高峰，且這些峰值與超大陸或巨大陸出現時間一致。這種周期性與超大陸周期高度吻合，而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。研究表明，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出長期的下降趨勢。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，致使更多俯沖沉積物進入巖漿源區，從而產生更高比例的S型鋯石。
該研究通過建立系統的機器學習方法來識別S型鋯石，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。研究發現，在地球形成后大約3億年或更短的時間內，地球已成為支持生命起源和演化的宜居星球。
相關研究成果發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。
地球歷史時期S型碎屑鋯石比例的變化
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