圍繞地球早期板塊構(gòu)造的形成時(shí)間和成因機(jī)制，科學(xué)界展開(kāi)了數(shù)年的辯論。在40億年前的冥古宙時(shí)期(Hadean)，板塊構(gòu)造是否已存在？這是值得關(guān)注的問(wèn)題。多數(shù)關(guān)于早期地球的構(gòu)造機(jī)制的研究，討論了兩種觀點(diǎn)即停滯蓋層構(gòu)造以及類似現(xiàn)代的板塊構(gòu)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(guò)對(duì)S型花崗巖的碎屑鋯石的識(shí)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)是否相關(guān)。因此，判定Jack Hills鋯石的巖漿源區(qū)性質(zhì)，成為科學(xué)家破解地球早期構(gòu)造機(jī)制之謎的關(guān)鍵。目前，關(guān)于40億年前Jack Hills鋯石的巖漿來(lái)源問(wèn)題，科學(xué)家利用包裹體、同位素和微量元素等證據(jù)給出了不同的結(jié)論。
鑒于此，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所等國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了能夠準(zhǔn)確識(shí)別出低磷S型鋯石新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。機(jī)器學(xué)習(xí)可以同時(shí)考慮多維元素特征，并可以在高維空間中學(xué)習(xí)得到不同類型的超平面，以更精準(zhǔn)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(jī)將其中80%劃分為訓(xùn)練集，20%為測(cè)試集，分別用于模型訓(xùn)練和評(píng)估，運(yùn)用11種經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練識(shí)別S型鋯石的分類器。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，直推式機(jī)器學(xué)習(xí)算法的準(zhǔn)確率最高，模型F1分?jǐn)?shù)達(dá)到0.95，對(duì)低磷S型鋯石的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)87.5%。
科研團(tuán)隊(duì)利用這一模型對(duì)Jack Hills碎屑鋯石進(jìn)行預(yù)測(cè)分類。結(jié)果顯示，Hadean時(shí)期的S型鋯石的比例達(dá)35%，而這些鋯石的年齡可追溯至地球形成后的幾億年內(nèi)。這表明，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)程可能便已開(kāi)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(zhǎng)到80%，與εHf顯示下降趨勢(shì)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(zhì)成分的加入。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(guò)渡，對(duì)應(yīng)著地球早期的造山運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
進(jìn)一步，研究對(duì)全球范圍內(nèi)的碎屑鋯石進(jìn)行分類發(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，且這些峰值與超大陸或巨大陸出現(xiàn)時(shí)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(shí)期升高而在超大陸裂解時(shí)期則下降。研究表明，與現(xiàn)今相似的板塊構(gòu)造活動(dòng)自地球早期可能已經(jīng)開(kāi)始活躍，驅(qū)動(dòng)著大陸的運(yùn)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(xiàn)出長(zhǎng)期的下降趨勢(shì)。Hadean時(shí)期較高的地幔勢(shì)溫可能會(huì)導(dǎo)致俯沖過(guò)程中更為頻繁的板片斷裂，致使更多俯沖沉積物進(jìn)入巖漿源區(qū)，從而產(chǎn)生更高比例的S型鋯石。
該研究通過(guò)建立系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)識(shí)別S型鋯石，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。研究發(fā)現(xiàn)，在地球形成后大約3億年或更短的時(shí)間內(nèi)，地球已成為支持生命起源和演化的宜居星球。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。
地球歷史時(shí)期S型碎屑鋯石比例的變化
