近日，由我校地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室主任成秋明院士和全球大地構(gòu)造中心主任Timothy Kusky教授牽頭的地學(xué)大數(shù)據(jù)與地球早期演化學(xué)科交叉團隊，在地學(xué)國際權(quán)威期刊《GEOLOGY》上發(fā)表了數(shù)據(jù)驅(qū)動地球科學(xué)與深時數(shù)字地球方向的最新研究成果，論文題目為“Hadean Tectonics: Insights from Machine Learning”。論文第一作者為中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）陳國雄副研究員，通訊作者為成秋明院士。
板塊構(gòu)造是地球區(qū)別于其他星球、具有蓬勃生命力的關(guān)鍵因素之一，也是尋找類地宜居行星的重要標(biāo)志。破譯地球早期地殼組成和形成的大地構(gòu)造背景是回答板塊構(gòu)造啟動時限及板塊構(gòu)造樣式如何隨時間推移而演變的關(guān)鍵；但由于后期地質(zhì)作用的疊加不斷破壞，造成冥古宙地殼巖石很難保存至今，給上述問題的解答帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。碎屑鋯石，作為冥古宙唯一具有精確定年的物質(zhì)記錄，為揭示其形成的構(gòu)造-巖漿系統(tǒng)背景提供了關(guān)鍵窗口。雖然冥古宙碎屑鋯石已在全球約15-20個地點被發(fā)現(xiàn)，但其中95%以上的鋯石來自澳大利亞Yilgarn克拉通的Jack Hills地區(qū)。
在過去的20年里，各種鋯石地球化學(xué)方法（如Ti溫度計、稀土元素（REE）、氧逸度、O和Hf同位素）被用于探索Jack Hills鋯石中保存的早期地球地殼組成信息；然而，不同研究人員得出的結(jié)論不盡相同。有些學(xué)者推斷Jack Hills鋯石形成于基性、幔源性質(zhì)地殼的重熔，而有一部分人則認(rèn)為其形成于類似現(xiàn)今大陸邊緣弧的構(gòu)造-巖漿系統(tǒng)。例如，鋯石REE+Y-P圖解指示，冥古宙Jack Hills鋯石主要來源于類似于TTG（英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖）環(huán)境中的火成巖（I）型巖漿，關(guān)鍵判別依據(jù)是鋯石中的磷（P）含量較低（圖1，Burnham and Berry, 2017）。相比之下，根據(jù)鋯石微量元素?fù)Q算的熔體Th/Nb-Dy/Yb判別圖解則指示，冥古宙Jack Hills鋯石的原巖與現(xiàn)代俯沖帶環(huán)境中形成的弧巖漿（安山巖）相似（圖1，Turner et al., 2020）。造成上述爭議的原因包括鋯石化學(xué)成分的多樣性和演變性、分配系數(shù)的不確定性以及低維判別圖解的不確定性等，因此，急需探索新的方法從多視角、多維度來示蹤Jack Hills鋯石形成時的大地構(gòu)造背景和母巖漿成分。
圖1 冥古宙構(gòu)造樣式和地殼成分爭議
針對上述科學(xué)問題，研究人員考慮到基于顯生宙鋯石成分建立的（構(gòu)造或巖漿源區(qū)）二元判別圖解并不總是適用于早期碎屑鋯石的物源分析，創(chuàng)新性地提出了一種基于半監(jiān)督機器學(xué)習(xí)的鋯石化學(xué)“指紋”大數(shù)據(jù)分析方法；旨在通過機器學(xué)習(xí)方法與鋯石化學(xué)成分大數(shù)據(jù)（跨越40億年、19種元素）來訓(xùn)練計算機，使計算機能夠自動識別一些典型構(gòu)造環(huán)境（例如弧、地幔柱熱點和裂谷等）中形成的鋯石，以及區(qū)分I型或沉積（S）型巖漿中結(jié)晶的鋯石。文章中提出的半監(jiān)督機器學(xué)習(xí)方法是從非均變論的角度出發(fā)，能夠?qū)σ褬?biāo)定大地構(gòu)造背景或花崗巖類型的鋯石（從太古宙到顯生宙）進行準(zhǔn)確識別，其精度（大于89%）明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的二維判別圖解（如U/Yb vs Y和REE+Y vs P，精度為~ 66% ~ 82%）。研究結(jié)果進一步指出：基于機器學(xué)習(xí)的判別器主要依賴于鋯石化學(xué)成分的系統(tǒng)差異，特別是不同構(gòu)造背景下，鋯石U、Th和重稀土元素存在差異顯著，而I型和S型巖漿鋯石成分的顯著差異在于P和Hf。
圖2. 基于半監(jiān)督機器學(xué)習(xí)和鋯石微量元素大數(shù)據(jù)的冥古宙Jack Hills鋯石形成的大地構(gòu)造背景判別和母巖漿示蹤。
由于地球演化造成的地質(zhì)記錄長期變化特性，任何使用顯生宙（或更年青的）巖石樣品建立的經(jīng)驗?zāi)Ｊ絹斫庾g早期地球構(gòu)造樣式都不可避免地存在局限性，甚至可能導(dǎo)致錯誤結(jié)論。將今論古到底能論多遠？這一問題引起了越來越多的研究人員關(guān)注。研究人員充分利用跨越地球歷史40億年的鋯石大數(shù)據(jù)，包括有標(biāo)簽和無標(biāo)簽的數(shù)據(jù)集，利用半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法來提高機器學(xué)習(xí)模型的泛化能力，同時能充分學(xué)習(xí)鋯石微量元素全要素空間特征；因此，建立的機器學(xué)習(xí)判別模型不僅可以精準(zhǔn)識別顯生宙樣品的構(gòu)造樣式，而且同樣適用于太古宙（少量）標(biāo)定的鋯石樣品，為應(yīng)用這些統(tǒng)計模型探索更古老、更神秘的冥古宙樣品奠定了基礎(chǔ)。將訓(xùn)練后的機器學(xué)習(xí)模型應(yīng)用于Jack Hills的冥古宙碎屑鋯石，結(jié)果表明冥古宙Jack Hills大部分鋯石形成于類似現(xiàn)今大陸弧環(huán)境的巖漿系統(tǒng)，其中相當(dāng)一部分來自S型巖漿（圖2），說明與俯沖相關(guān)的淺地表物質(zhì)/沉積物循環(huán)早在冥古宙就存在。這一發(fā)現(xiàn)增加了板塊構(gòu)造早在冥古宙就出現(xiàn)的可能性。
當(dāng)前，以“大數(shù)據(jù)+數(shù)學(xué)+超算/云計算”為核心的機器學(xué)習(xí)-人工智能等變革性技術(shù)正在改變地球系統(tǒng)科學(xué)研究范式和催生原始創(chuàng)新。在數(shù)據(jù)驅(qū)動地球科學(xué)新范式下，成秋明院士團隊近年來在大規(guī)模成礦、大氣氧化、超大陸循環(huán)、沉積物俯沖等深時極端地質(zhì)事件模擬與預(yù)測方向取得系列創(chuàng)新成果。這項最新研究成果進一步表明，大數(shù)據(jù)和人工智能的最新進展為地球早期鋯石物源分析和大地構(gòu)造背景識別提供了一種強大、準(zhǔn)確和有效的方法，為地球冥古宙最初地殼的組成和形成機制提供了新的見解。本研究得到了深時數(shù)字地球（DDE）國際大科學(xué)計劃、國際巖石圈計劃（ILP）、基金委原創(chuàng)探索項目以及地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室自主課題聯(lián)合資助。
論文信息：Chen Guoxiong, Timothy Kusky, Luo Lei, Li Quanke, Cheng Qiuming*. Hadean Tectonics: Insights from Machine Learning. Geology, 2023. https://doi.org/10.1130/G51095.1
鄂公網(wǎng)安備 42011102004169號
