围绕地球早期板块构造的形成时间和成因机制的科学问题，科学界展开了长达数十年的激烈辩论。一个值得关注的问题是：40亿年前的冥古宙时期（Hadean），板块构造是否已经存在？关于早期地球的构造机制，大多数研究学者集中讨论了两种广为人知的观点：一种是停滞盖层构造，一种是类似现代的板块构造。在这一背景下，冥古宙的Jack Hills锆石作为地球上保存最古老的记录之一，其年龄可追溯至4.4Ga，几乎囊括了95%的Hadean锆石。通过对"S型"花岗岩的碎屑锆石的识别，可以判断其岩浆源区是否具有沉积物的加入， 其与大陆碰撞、造山作用和地壳增厚等一系列板块构造运动密切相关。因此，Jack Hills锆石（如图1所示）的岩浆源区性质的判定自然成为了科学家们破解地球早期构造机制之谜的关键钥匙。
↑ 图1 Jack Hills锆石（颗粒直径约为200微米）
目前，关于40亿年前Jack Hills锆石的岩浆来源问题，研究学者利用包裹体、同位素和微量元素等证据分别给出不一致的结论。一方观点认为，Jack Hills锆石的高铝的元素特征、更高的氧同位素和白云母包裹体等证据均表明其结晶于S型花岗岩（图2），指示其岩浆源区中有沉积物的加入（Carley et al., 2014; Hopkins et al.,2008; Wallmann, 2001）；另一方观点则认为，锆石微量元素特征表明Jack Hills锆石绝大多数都为I型花岗岩锆石，指示其结晶于与基性下地壳部分熔融有关的I型花岗岩（Burnham and Berry, 2017; Zhu et al., 2020）。其中，锆石的微量可以作为更可靠的“指纹”，用于确定锆石的来源。锆石微量元素REE+Y-P的图解中，S型锆石的总体识别准确率达到了84%，但低P区域（P<15μmol/g）的S型锆石和I型锆石存在明显的重叠区域，低磷（P≤15μmol/g）S型锆石的识别准确率为0%。然而，Hadean的沉积物P含量极低，即使这个时期存在S型锆石，这将使得所有这些具有低磷特征的S型锆石都将被误认为是I型锆石。而低磷（<15μmol/g）锆石占据了所有Hadean-Archean碎屑锆石的95%以上，因此，在考虑Hadean-Archean锆石的来源时，核心问题是如何识别低磷S型锆石。
↑ 图2 “S型”花岗岩野外照片示意图，喜马拉雅山脉（左）和西澳大利亚Jack Hills锆石发现地（右）
基于此，中国科学院地质与地球物理研究所博士生蒋济莲和邹心宇博士（共同一作），在Ross Mitchell研究员、张毅刚研究员的指导下，与李献华研究员、秦克章研究员、尹庆柱教授、Christopher Spencer副教授、赵勇助理教授等国内外团队合作，开发了新的机器学习方法能够准确识别出低磷S型锆石。机器学习可以同时考虑多维元素特征，且可以在高维空间中学习得到划分不同类型的超平面，对重叠区域的锆石进行更精准的划分。研究者筛选出S型锆石和其他非S型的干净锆石，随机划分其中80%为训练集，20%为测试集，分别用于模型训练和评估，运用11种经典的机器学习算法训练识别S型锆石的分类器。经过对比研究发现，直推式机器学习算法（TSVM）的准确率最高，模型F1-score达到了0.95，对低磷S型锆石的识别准确率也高达87.5%。
研究团队运用该模型对Jack Hills碎屑锆石进行预测分类，结果显示Hadean时期的S型锆石的比例达到了35%，这些锆石的年龄可追溯至地球形成后的几亿年内。这一发现表明，早在地球历史的早期阶段，地壳的风化、沉积岩的形成、沉积物的埋藏和再循环过程可能就已经开始。Jack Hills锆石中S型锆石的比例在4.1Ga-3.8 Ga之间从30%增长到80%，与εHf显示下降趋势存在一致性（图3）。而在3.8Ga-3.4 Ga之间，S型锆石的比例则从80%降低到40%，指示岩浆源区镁质成分的加入（图3）。这种成分的转变，表明从大陆地壳重熔到镁质岩浆作用的过渡，对应着地球早期的造山运动过程
↑ 图3 早期地球Jack Hills的S型碎屑锆石与岩浆源区成分演化关系
进一步对全球范围内的碎屑锆石进行了分类结果发现，从40亿年前至今，S型锆石的比例呈现出周期性的高峰，这些峰值与超大陆（supercontinents）或巨大陆（megacontinents）出现时间一致 (图 4)。这种周期性与超级大陆周期高度吻合，S型锆石的比例在超大陆聚合时期升高，而在超大陆裂解时期则下降。这表明，与现今相似的板块构造活动自地球早期可能已经开始活跃，驱动着大陆的运动和碰撞，从而形成S型锆石的周期性峰值和低谷。而这些S型锆石比例的周期展现了一个长期的下降趋势。Hadean时期较高的地幔势温可能会导致俯冲过程中更为频繁的板片断裂，进而导致更多与俯冲沉积物进入岩浆源区，从而产生更高比例的S型锆石。
总而言之，通过建立系统的机器学习方法来识别S型锆石，该研究揭示了地球早期的表面环境和板块构造可能与现今具有较高相似性。可能在地球形成后大约3亿年，或更短的时间内，地球已经成为一个支持生命起源和演化的宜居星球。
↑ 图4 地球历史时期S型碎屑锆石比例的变化
研究成果发表于国际权威学术期刊PNAS (蒋济莲, 邹心宇, Ross N. Mitchell, 张毅刚, 赵勇, 尹庆柱, 杨蔚, 周锡强, 王浩, Christopher J. Spencer, 单小彩, 吴石头, 李光明, 秦克章, 李献华. 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.)。
原标题：《机器学习方法揭示冥古宙地球板块俯冲的存在 |蒋济莲/邹心宇等-PNAS》
来源：中科院地质地球所
作者：邹心宇等
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷