[論文レビュー] Distribution of U and Th and Their Nuclear Fission in the Outer Core of the Earth and Their effects on the Geodynamics

Xuezhao Bao|ArXiv.org|Mar 9, 2009

High-pressure geophysics and materials参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、地球の外核に存在するウランとトリウムが周期的な核分裂を起こし、その熱がマントル対流、プレートテクトニクス、地磁気的ダイナミクスを駆動すると提案する。モデルは、特に太平洋とアフリカの下に位置する下部外核における局所的なU/Th豊富な中心を根拠に、地磁気のスーパークロニクル、逆転、内核の異方性、そして大量絶滅を説明する。

ABSTRACT

Here we propose that there is a lot of heat producing elements U and Th in the outer core of the Earth. The heat released from them may be the major energy source for driving the material movement within the interior of Earth, including plate motion. According to seismic tomography, the hottest area is the mantle under the central Pacific Ocean. Combined with geomagnetic data, it is derived that the magnetic and heat convection centers deviate from the geographic center to the Pacific direction for 400 km. Therefore, U and Th may be more concentrated in a position close to the equator in the lower outer core under the central Pacific Ocean, and have formed a large U, Th-rich center there. Another small U, Th-rich center may be located in a position close to the equator in the lower outer core under Africa, which is directly opposite of the large U, Th-rich center past the solid inner core. The two U, Th-rich centers may have led to the formation of the Pacific and Africa super-plumes and are offering energy to run the plate tectonic system. It also could have caused the temperature of the western hemisphere to be higher than that of the eastern hemisphere of the inner core, which may be the cause for the east-west hemispherical elastic anisotropy of the inner core. Periodical nuclear fissions of U and Th in the outer core may have occurred in the geological history of the Earth, and also might have triggered geomagnetic superchrons and reversals. At the same time, the energy released from the outer core during these events might have also triggered strong and extensive global geological and volcanic activities, and caused mass extinctions on the surface.

研究の動機と目的

• プレートテクトニクス理論が広く受け入れられているにもかかわらず、地球内部ダイナミクスの真のエネルギー源を特定すること。
• 核内では放射性元素が無視できると考えられる従来の見解に挑戦し、ウランとトリウムが下部外核に集中していると提案すること。
• 局所的なU/Th豊富な中心における周期的核分裂を通じて、地磁気のスーパークロニクル、逆転、および地磁気場強度の非対称的歯型パターンの起源を説明すること。
• 外核からの熱によって駆動される太平洋およびアフリカ下のスーパープルームの形成と、内核における観測された東西半球にわたる弾性異方性を説明すること。
• 現在の地球発電動力学シミュレーションが、核エネルギー源の欠落と不適切なパrameterization（特にU/Th分裂の欠如および現実的でないエクマン数）のため失敗していると主張すること。

提案手法

• 地震波トモグラフィーのデータを用いて、中央太平洋の下部マントルにおける温度最大値を推定し、その地域に熱を発生させる要素の濃集があると示唆する。
• 地理的中心から太平洋側に約400 kmずれた磁気的および熱対流中心の存在を示す地磁気データを統合し、核内ダイナミクスにおける横方向非対称性を支持する。
• 下部外核に2つの大きなU/Th豊富な中心（太平洋下およびアフリカ下の下部半球に位置）を想定し、マントルプレートやスーパープルームを駆動すると提案する。
• Precambrianのウラン鉱山における自発的核分裂に類似した、外核におけるUおよびThの周期的核分裂をモデル化し、エネルギーの噴出が地磁気逆転やスーパークロニクルを引き起こすと仮定する。
• 太平洋の熱い地点からの火山岩およびアンプリスから得られた希ガスの組成を分析し、特定の同素体を外核における核分裂によって生成されたガスの証拠と解釈する。
• 地磁気スーパークロニクルと表面の地質的活動との間に観測される1000万〜2000万年の遅れを、核からマントルへのエネルギー伝達の遅れとして解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のモデルが主に地殻および上部マントルに熱を帰属しているにもかかわらず、マントル対流およびプレートテクトニクスを駆動する主なエネルギー源は何か？
• RQ2 重力および回転力が同様に存在する他の陸上惑星とは異なり、なぜ地球にのみプレートテクトニクスが存在するのか？
• RQ3 地磁気場強度の逆転時の非対称的歯型パターンは、核内ダイナミクスによってどのように説明できるか？
• RQ4 地球の内核における東西半球にわたる弾性異方性の原因は何か？ そしてそれは核の組成および熱分布とどのように関連しているか？
• RQ5 なぜ現在の地球発電動力学シミュレーションは地球の双極子磁場を再現できないのか？ そして欠落している主要な物理的プロセスは何か？

主な発見

• ウランとトリウムが、中央太平洋下およびアフリカ下に位置する下部外核の2つの大きな局所的中心に集中していると提案され、それらがマントルプレートおよびスーパープルームを駆動している。
• これらの中心におけるUおよびThの周期的核分裂が、地磁気のスーパークロニクルおよび逆転を引き起こす可能性があり、エネルギーの噴出が急速な磁場強度上昇を引き起こし、その後に徐々に低下する。
• 地磁気スーパークロニクルと表面の地質的活動との間に観測される1000万〜2000万年の遅れは、核からマントルへのエネルギー伝達が遅れている結果であると解釈される。
• 内核における東西半球にわたる弾性異方性は、外核における非対称的なU/Th豊富な中心に起因する温度差によって生じ、それによって固体化の差が生じるとされる。
• 太平洋の熱い地点の岩石および岩片に含まれる希ガス同位体、例えば36Arおよび40Arは、外核におけるUおよびThの局所的核分裂の直接的証拠と解釈される。
• 現在の地球発電動力学シミュレーションが地球の磁場を再現できないのは、U/Th核分裂のような現実的なエネルギー源が欠落しており、エクマン数が不適切に高い（例：10⁻⁴〜10⁻⁶ではなく約10⁻⁷）ためであり、その結果非双極子磁場が生成されている。