用于评估TTG成因岩熔融压力条件的机器学习模型：对全球板块构造运动起始时间的影响

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Machine Learning Model for Assessing Melting Pressure Conditions of the TTG Genesis: Implications for the Timing of the Onset of Global Plate Tectonics

本研究开发了一种基于机器学习的TTG岩石熔融压力预测模型，解决了传统方法依赖分异系数和计算效率低的问题。通过分析全球4522个TTG样本，发现早期大陆 crust形成无需深俯冲，压力条件两次从低到中等转变，3.8 Ga出现高压熔融（最高1.5 GPa），3.5 Ga后广泛发育高压TTG（达2.0 GPa），但实际占比仅8%而非之前估计的20%。该模型为地球早期地质动力学研究提供了新工具。

　　理解地球早期大陆地壳形成过程中音长岩-透长岩-花岗闪长岩（TTG）系列岩石的压力条件对于研究古元古代大陆地壳的演化具有重要意义。TTG岩石是构成古元古代大陆地壳的主要组成部分，其形成过程涉及复杂的地质和地球化学机制。然而，由于TTG岩石来源的不确定性以及部分结晶作用对压力估算的影响，其详细的压力历史仍存在争议。为了解决这一问题，我们开发了一种基于机器学习的工具，能够根据TTG岩石的主要元素组成预测其熔融压力。这种方法不仅具有高精度，还支持批量处理，并考虑了部分结晶、矿物分离等影响因素，使其适用于全球范围内的数据集。

我们发现，地球最古老的岩石记录了从低压到中压的两个关键转变，这表明最早的大陆地壳形成可能并不需要现代的俯冲相关动力学过程。高压力岩石和熔融条件最早出现在约38亿年前（压力可达1.5吉帕斯卡），并在35亿年前后开始在全球范围内广泛出现（压力可达1.9–2.0吉帕斯卡）。部分结晶、源岩类型等岩浆成因因素对识别高压力TTG岩石具有显著影响，这意味着真正的全球高压力TTG岩石可能仅占总岩石记录的约8%，远低于之前估计的20%。这一结果暗示我们可能高估了早期地壳的厚度和刚性。

我们的研究还表明，自35亿年前开始，地壳刚性的增加可能促进了广泛高压力熔融和板块构造活动的出现。这一发现为我们理解古元古代地质动力学过程提供了新的视角，并展示了机器学习在揭示古代地球系统演化中的强大潜力。通过构建基于机器学习的压力模型，我们能够高效地估算TTG岩石的熔融压力，从而揭示其形成过程和地质环境。

为了实现这一目标，我们整合了14,328条实验岩石学数据和相平衡模拟数据，并通过模拟部分结晶和部分熔融过程生成了额外的5,799条熔融组成数据。这些数据涵盖了不同压力和水含量下的部分结晶结果，以及来自全球范围内不同主元素和微量元素组成的玄武岩源岩所衍生的熔融物。通过这些数据，我们能够建立一个稳健且具有广泛适用性的压力预测模型。我们使用XGBoost回归模型探索了主元素与压力之间的定量关系，并通过独立的案例研究验证了这一关系的可靠性。

我们还对全球范围内的TTG岩石进行了建模，结果显示，早期地壳的熔融压力主要处于较低水平，而在35亿年前后，高压力岩石的记录开始在全球范围内广泛出现。这一转变可能与早期地球地壳的增厚和刚性增强有关，从而使得地壳能够承受更大的压力并形成高压力熔融环境。我们进一步分析了全球多个TTG岩石样本，发现其熔融压力分布存在显著的区域差异，但总体趋势显示，高压力TTG岩石的出现标志着地球早期板块构造活动的开始。

在对加拿大最古老的岩石——阿卡斯塔片麻岩的研究中，我们发现其形成过程中经历了两个压力阶段：一个是从平均低压（约40.3亿年前0.3吉帕斯卡）迅速上升至中压（约39亿年前1.0吉帕斯卡），随后在38亿年前后逐渐上升至1.1吉帕斯卡。这一压力变化趋势表明，尽管早期地壳可能具有一定的刚性，但其形成过程并不依赖于现代俯冲相关的动力学机制。相反，这些岩石的形成可能与局部的热异常或地壳内部的构造活动有关。

此外，我们发现高压力TTG岩石的比例远低于之前的估计，这提示我们在识别高压力岩石时，必须充分考虑部分结晶和源岩异质性等因素。这些因素在岩浆演化过程中起着重要作用，可能显著影响熔融压力的计算结果。因此，未来的相关研究需要进一步评估这些过程对TTG岩石多样性的贡献，以提高我们对早期地壳演化的理解。

通过本研究，我们不仅揭示了古元古代地壳形成过程中熔融压力的变化趋势，还为理解地球早期地质动力学提供了新的视角。我们的机器学习模型能够有效地估算TTG岩石的熔融压力，并在不同地质条件下提供可靠的预测结果。这一成果为研究地球早期的板块构造活动提供了重要的数据支持，并表明高压力熔融条件可能早在35亿年前就已经出现，这可能标志着地球板块构造体系的初步形成。

总之，本研究通过机器学习方法，对TTG岩石的熔融压力进行了系统分析，并揭示了地球早期地壳演化的重要特征。这些发现不仅有助于我们理解古元古代地质动力学，也为未来的地质研究提供了新的工具和方法。我们的研究结果表明，高压力TTG岩石的形成可能与早期地壳的增厚和刚性增强密切相关，并为地球早期板块构造活动的起源提供了新的证据。这一研究为地球演化史提供了重要的科学依据，并展示了机器学习在地质学研究中的广泛应用前景。