????圍繞地球早期板塊構造的形成時(shí)間和成因機制的科學(xué)問(wèn)題，科學(xué)界展開(kāi)了長(cháng)達數十年的激烈辯論。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），板塊構造是否已經(jīng)存在？關(guān)于早期地球的構造機制，大多數研究學(xué)者集中討論了兩種廣為人知的觀(guān)點(diǎn)：一種是停滯蓋層構造，一種是類(lèi)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(guò)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(dòng)密切相關(guān)。因此，Jack Hills鋯石（如圖1所示）的巖漿源區性質(zhì)的判定自然成為了科學(xué)家們破解地球早期構造機制之謎的關(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分別給出不一致的結論。一方觀(guān)點(diǎn)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(guān)點(diǎn)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(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(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(lái)源時(shí)，核心問(wèn)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)現地（右）
基于此，中國科學(xué)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外團隊合作，開(kāi)發(fā)了新的機器學(xué)習方法能夠準確識別出低磷S型鋯石。機器學(xué)習可以同時(shí)考慮多維元素特征，且可以在高維空間中學(xué)習得到劃分不同類(lèi)型的超平面，對重疊區域的鋯石進(jìn)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(xué)習算法訓練識別S型鋯石的分類(lèi)器。經(jīng)過(guò)對比研究發(fā)現，直推式機器學(xué)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(jìn)行預測分類(lèi)，結果顯示Hadean時(shí)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(fā)現表明，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(cháng)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(zhì)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(zhì)巖漿作用的過(guò)渡，對應著(zhù)地球早期的造山運動(dòng)過(guò)程。
圖3 早期地球Jack Hills的S型碎屑鋯石與巖漿源區成分演化關(guān)系
進(jìn)一步對全球范圍內的碎屑鋯石進(jìn)行了分類(lèi)結果發(fā)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(shí)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(shí)期升高，而在超大陸裂解時(shí)期則下降。這表明，與現今相似的板塊構造活動(dòng)自地球早期可能已經(jīng)開(kāi)始活躍，驅動(dòng)著(zhù)大陸的運動(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了一個(gè)長(cháng)期的下降趨勢。Hadean時(shí)期較高的地幔勢溫可能會(huì )導致俯沖過(guò)程中更為頻繁的板片斷裂，進(jìn)而導致更多與俯沖沉積物進(jìn)入巖漿源區，從而產(chǎn)生更高比例的S型鋯石。
總而言之，通過(guò)建立系統的機器學(xué)習方法來(lái)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(shí)間內，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)表于國際權威學(xué)術(shù)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.)。
