[論文レビュー] A reference Earth model for the heat producing elements and associated geoneutrino flux

Yu Huang, V. P. Chubakov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2013

Geological and Geochemical Analysis参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、地震データと更新された岩石データベースを統合することで、大陸地殻およびリソスフィア的マントルの組成を組み合わせ、全珪酸地球における熱を発生させる元素（U, Th, K）の分布を地球物理学的に制約した3次元参照モデルを提示する。モンテカルロシミュレーションを用いて、16か所の全球的地点におけるgeoneutrinoフラックスを予測し、非対称的な不確実性を伴う放射性熱出力として22.7–28.6 TWの推定値を得た。これは、地球内部の熱収支と組成モデルを検証するための重要なベンチマークを提供する。

ABSTRACT

The recent geoneutrino experimental results from KamLAND and Borexino detectors reveal the usefulness of analyzing the Earth geoneutrino flux, as it provides a constraint on the strength of the radiogenic heat power and this, in turn, provides a test of compositional models of the bulk silicate Earth (BSE). This flux is dependent on the amount and distribution of heat producing elements (HPEs: U, Th and K) in the Earth interior. We have developed a geophysically-based, three-dimensional global reference model for the abundances and distributions of HPEs in the BSE. The structure and composition of the outermost portion of the Earth, the crust and underlying lithospheric mantle, is detailed in the reference model, this portion of the Earth has the greatest influence on the geoneutrino fluxes. The reference model combines three existing geophysical models of the global crust and yields an average crustal thickness of 34.4+-4.1 km in the continents and 8.0+-2.7 km in the oceans. In situ seismic velocity provided by CRUST 2.0 allows us to estimate the average composition of the deep continental crust by using new and updated compositional databases for amphibolite and granulite facies rocks in combination with laboratory ultrasonic velocities measurements. An updated xenolithic peridotite database is used to represent the average composition of continental lithospheric mantle. Monte Carlo simulation is used to predict the geoneutrino flux at 16 selected locations and to track the asymmetrical uncertainties of radiogenic heat power due to the log-normal distributions of HPE concentrations in crustal rocks.

研究の動機と目的

• 地球の地殻およびリソスフィア的マントルにおける熱を発生させる元素（U, Th, K）の分布を、地球物理学的に整合性のある3次元参照モデルとして開発すること。
• 現実的なHPE分布に基づいて、選択された全球的地点におけるgeoneutrinoフラックスを定量化すること。
• 地殻岩におけるHPE濃度の対数正規分布に起因する放射性熱出力の不確実性を評価すること。
• KamLANDおよびBorexinoからのgeoneutrino観測を用いて、全珪酸地球（BSE）の組成モデルを検証するためのベンチマークを提供すること。

提案手法

• 3つの既存の地球物理学的地殻モデルを統合し、大陸では平均地殻厚さ34.4 ± 4.1 km、海洋では8.0 ± 2.7 kmを導出する。
• CRUST 2.0の現地における地震波速度を用いて、アンフィボライトおよびグランナイト相の岩石の実験室超音波速度測定値との相関を用い、深部大陸地殻の組成を推定する。
• 更新されたアンデシト系ペリドット岩データベースを応用し、大陸リソスフィア的マントルの平均組成を表現する。
• HPE濃度の不確実性（対数正規分布）を伝搬するためのモンテカルロシミュレーションを実施し、16か所の全球的地点におけるgeoneutrinoフラックスを予測する。
• 組成データベースと地球物理学的制約を組み合わせ、BSEにおけるHPE濃度とその分布の3次元参照モデルを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球の地殻およびリソスフィア的マントルにおける熱を発生させる元素（U, Th, K）の全球的分布は、地球物理学的および地球化学的データによってどのように制約されるか？
• RQ2 対数正規分布としてモデル化されたHPE濃度の不確実性が、予測されるgeoneutrinoフラックスおよび放射性熱出力にどのように影響するか？
• RQ3 16か所の代表的全球的地点におけるgeoneutrinoフラックスは予測されるか。その空間的変動はどのようになるか？
• RQ4 導出された放射性熱出力は、KamLANDおよびBorexinoからの観測的制約とどのように比較されるか？
• RQ5 このモデルは、既存の全珪酸地球の組成モデルをどの程度支持または挑戦するか？

主な発見

• モデルは、地殻岩におけるHPE濃度の対数正規分布に起因する非対称的な不確実性を伴い、全球の放射性熱出力を22.7–28.6 TWと予測する。
• 平均的な大陸地殻厚さは34.4 ± 4.1 km、海洋地殻は8.0 ± 2.7 kmであり、地球物理学的制約と整合的である。
• 深部大陸地殻の組成は、地震波速度と更新されたアンフィボライトおよびグランナイト相の岩石の実験室測定値の相関から推定される。
• 大陸リソスフィア的マントルは、更新されたアンデシト系ペリドット岩データベースを用いて表現され、より正確な平均組成が得られた。
• 16か所の全球的地点におけるgeoneutrinoフラックスの予測は空間的に変動を示し、厚いフランケンスチック地殻および栄養豊富なマントル領域で高いフラックスが予想される。
• 本モデルは、将来のgeoneutrino測定の解釈および地球の全質量組成の検証のための強固でデータ駆動の参照フレームワークを提供する。