扫描沙粒的人工智能工具为了解近期和遥远的过去打开了一扇窗户

Josiah02

斯坦福大学的研究人员开发了一种基于人工智能的工具，称为 SandAI，它可以揭示数亿年前石英砂粒的历史。借助 SandAI，研究人员可以高精度地判断风、河流、波浪或冰川运动是否塑造并沉积了沙粒。
该工具为地质和考古研究的研究人员提供了一个独特的窗口，让他们能够了解过去的情况，尤其是那些很少有其他线索（如化石）能一直保存下来的时代和环境。SandAI 的方法称为微观结构分析，它还可以帮助对非法采砂和相关问题进行现代法医调查。
“研究未被扰动或变形的沉积物就像是坐上了时光机——你能看到地球表面的确切情况，甚至是数亿年前的情况。SandAI 为我们可以从中提取的信息增加了另一层细节，”斯坦福大学杜尔可持续发展学院地球与行星科学助理教授 Mathieu Lapôtre 的博士候选人 Michael Hasson 说道。
哈森是这项展示该工具的新研究的主要作者，该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
泄密特征
从历史上看，微观结构分析是通过手工和眼睛进行的，使用放大镜和显微镜来尝试推断沙粒的历史。
现代科学已经验证了这种方法，表明运输机制确实会传递一些明显的特征——例如，运输距离较远的颗粒往往看起来更圆润，因为它们的尖角已经变钝；波浪和风也会留下独特的磨损图案。
然而，传统的微观结构分析非常主观、耗时，而且在不同研究中结果不一。得益于新工具，它利用机器学习的力量深入研究沙粒的微观图像，微观结构分析现在可以更加定量、客观，并且在广泛的应用中具有潜在的用途。它还可以分析单个沙粒，而不是将多个沙粒归为一类，从而提供更完整的评估。
“我们不再需要人工去检查并确定沙粒的纹理，而是使用机器学习来使微观纹理分析更加客观和严格，”该论文的资深作者 Lapôtre 说道。“我们的工具为微观纹理分析应用打开了大门，而这在以前是无法实现的。”
在全球范围内，沙子是仅次于水的最常用资源，对建筑行业至关重要。混凝土、砂浆和一些灰泥等材料需要有棱角的沙子才能保持适当的粘附性和稳定性。然而，确定沙子的来源以确保其符合道德和法律要求是一项挑战，因此研究人员希望 SandAI 能够增强可追溯性。例如，SandAI 可以帮助法医调查人员打击非法采砂和疏浚。
训练工具
为了构建 SandAI，研究人员采用了一种以类似于人脑的方式“学习”的神经网络，其中正确的答案会加强程序中人工神经元或节点之间的连接，使计算机能够从错误中学习。
SandAI 神经网络使用现代石英砂进行训练，可以帮助解开古代岩石中编码的历史。这里展示的是阿曼由水流形成的古老涟漪，被现代风吹沉积物重塑。图片来源：Mathieu Lapôtre/斯坦福大学
在世界各地合作者的帮助下，哈森收集了数百张沙粒的扫描电子显微镜图像，这些沙粒代表了来自最常见陆地环境的物质：河流（河流和溪流）、风成（风吹沉积物，如沙丘）、冰川和海滩。
“我们希望这种方法不仅能适用于整个地质时期，还能适用于地球上的所有地理环境，”哈森说。“因此，例如，风吹沙丘类别的设计包括湿沙丘和干沙丘、大沙丘和小沙丘。我们需要这些类别尽可能多样化。”
SandAI 分析了这组图像，训练自己根据人类研究人员可能永远无法辨别的特征预测沙粒的历史。该工具自然会出错，然后会不断改进。一旦 SandAI 达到 90% 的稳健预测准确率，研究人员就会引入模型以前从未见过的新样本。
通过对从当今到大约 2 亿年前的侏罗纪时期的特定环境中的砂岩图像进行分析，SandAI 表现良好，正确阐明了砂粒的运输历史。
新颖的科学和应用
接下来，研究人员用从挪威收集的沙粒图像对这一工具进行了挑战，这些沙粒可以追溯到 6 亿多年前的元古代。这个时期更广为人知的名字是“雪球地球”，人们认为当时冰盖覆盖了整个地球，植物和动物还没有进化出来。这个被称为 Bråvika 成员的样本的来源一直存在争议，不同的研究小组得出了不同的结论。
哈森说：“通过这个元古代样本，我们看到了能够将 SandAI 推向何方，并真正用它来进行新的科学研究，而不仅仅是验证该工具是否有效。”
有趣的是，SandAI 推测这些古老的沙粒是作为风吹沙丘的一部分而形成和沉积的——这与一些手动微观结构研究一致。此外，由于该工具分析的是单个沙粒，而不是将多个沙粒归为一类，因此其他细节也浮出水面。
虽然主要特征确实表明了风力输送，但人工技术可能忽略的次要特征则指向冰川沙。综合起来，这些信号描绘出一幅沙丘在冰川附近某处流动的画面，这在雪球地球时期很可能是可以预料到的。
为了进一步评估这些发现，哈森和同事们寻找这种元古代地质场景的潜在现代类似物。研究人员将南极洲的风沙颗粒通过 SandAI 进行分析，果然得出了相同的结果。
“SandAI 的这些发现表明，南极洲确实是 Bråvika 成员所代表的环境的一个很好的现代类比，”Hasson 说。“它们是一个强有力的证据，表明我们从元古代沉积物中获得的信号并非偶然。”
研究人员已将SandAI 上线，供所有人使用。他们计划根据用户反馈继续开发该工具，并期待看到该工具在各种情况下得到应用。
“我们现在可以对以前无法知晓的地质沉积物提供详细的结论，这让我感到很震惊，”哈森说。“我们期待着 SandAI 还能做些什么。”