[論文レビュー] Geochemistry of U and Th and its Influence on the Origin and Evolution of the Crust of Earth and the Biological Evolution

Xuezhao Bao, Ali Zhang|ArXiv.org|Jun 7, 2007

Geological and Geochemical Analysis参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ウラン（U）とトリウム（Th）の特異な地球化学的特性——具体的には酸化性揮発成分および水を介した移動——が、地球のマントルに栄養化帯（EZ）を形成させ、プレートテクトニクスおよび大陸地殻の形成を駆動したと提案している。このプロセスは、水と酸化剤が不足する水 Mercury、金星、火星では存在しないが、地球では持続的な内部熱を供給し、生命の起源と進化に影響を与えた。

ABSTRACT

We have investigated the migration behaviors of uranium (U) and thorium (Th) in Earth and other terrestrial planets. Theoretical models of U and Th migration have been proposed. These models suggest that the unique features of Earth are closely connected with its unique U and Th migration models and distribution patterns. In the Earth, U and Th can combine with oxidative volatile components and water, migrate up to the asthenosphere position to form an enrichment zone (EZ) of U and Th first, and then migrate up further to the crusts through magmatism and metamorphism. We emphasize that the formation of an EZ of U, Th and other heat-producing elements is a prerequisite for the formation of a plate tectonic system. The heat-producing elements, currently mainly U and Th, in the EZ are also the energy sources that drive the formation and evolution of the crust of Earth and create special granitic continental crusts. In other terrestrial planets, including Mercury, Venus, and Mars, an EZ can not be formed because of a lack of oxidative volatile components and water. For this reason, a plate tectonic system can not been developed in these planets. We also emphasize the influence of U and Th in EZ on the development and evolution of life on Earth. We propose that since the Earth and planets were born in a united solar system, there should be some common mechanisms to create the similarities and differences between them. We have tried to develop an integrated view to explain some problems in the tectonics of Earth and evolution, bio-evolution, and planetary dynamics through U and Th geochemistry. We believe that a comprehensive exploration on energy sources and their evolution is a good way to build bridges between different disciplines of science in order to better understand the Earth and planets.

研究の動機と目的

• UとThの地球化学的役割が地球の地殻およびテクトニック進化に与える影響を理解すること。
• 太陽系内惑星の中でなぜプレートテクトニクスが地球にのみ発達したのかを説明すること。
• 地球のマントルに存在する熱生成元素と生命の出現との関連を探索すること。
• 統一された地球化学的枠組みを通じて地球物理学、惑星科学、進化生物学を統合すること。
• UとThの移動と惑星の分異および地殻進化を結びつける機械的モデルを確立すること。

提案手法

• 惑星内部におけるUとThの移動経路の理論的モデリング。
• 酸化還元状態および揮発成分の変動下におけるUとThの地球化学的挙動の分析。
• 水 Mercury、金星、火星の地球の地球化学的環境との比較。
• UとThの蓄積に起因する熱がマントル上昇と地殻形成を駆動するモデル化。
• 質量収支と熱力学的制約を用いて、アスノスフィアおよび地殻内での元素移動性を模擬すること。
• 地質学的、地球化学的、生物学的データの統合を通じて、内部熱と生物圏進化のフィードバックを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UとThの移動パターンは、地球と他の岩石惑星とでどのように異なるか？
• RQ2 水と酸化性揮発成分の存在が、惑星マントル内のUとThが豊富な帯（EZ）を形成する上で果たす役割は何か？
• RQ3 なぜプレートテクトニクスは水 Mercury、金星、火星ではなく、地球でのみ発達したのか？
• RQ4 地球のマントルにおけるUとThが豊富な帯（EZ）の形成が、地殻形成およびテクトニック活動にどのように寄与するか？
• RQ5 UとThからの内部熱と地球における生命の進化の間には、どのような関連があるか？

主な発見

• 地球の水と酸化性揮発成分の特異な組み合わせにより、UとThが上昇移動し、アスノスフィアに熱生成性の豊富な帯（EZ）が形成される。
• このEZの形成は、地球におけるプレートテクトニクス系の発達に不可欠な条件である。
• 一方、水 Mercury、金星、火星では十分な水と酸化剤が不足しており、EZの形成が不可能であり、結果としてプレートテクトニクスの発達が阻害されている。
• EZ内でのUとThの熱放出がマントル対流、地殻上昇、花こう岩質大陸地殻の形成を駆動している。
• UとThからの持続的内部熱は、長期にわたる地球内部ダイナミクスおよび生物学的進化に有利な環境を可能にする主要因であると提唱される。
• 本研究は、太陽系内側の惑星における惑星分異、テクトニクス、生物圏発展を結びつける統一された地球化学的メカニズムを示唆している。