【儀表網 研發(fā)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(qū)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(qū)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(fā)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(qū)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(fā)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(huán)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(qū)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(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，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(qū)，從而產生更高比例的S型鋯石。
 

　　該研究通過建立系統(tǒng)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(huán)境和板塊構造可能與現今具有較高相似性。研究發(fā)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(fā)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