[논문 리뷰] 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|2007. 06. 07.

Geological and Geochemical Analysis참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 우라늄(U)과 토륨(Th)의 유일한 지구화학적 특성—특히 산화성 비활성 성분과 물을 통한 이동—이 지구의 맨틀에서 열을 발생시키는 농축된 영역(EZ)을 형성하게 하여 판 구조운동과 대륙 지각 형성을 이끌었다고 제안한다. 이 과정는 수증기와 산화제가 부족한 수성, 금성, 화성에서는 발생하지 않으며, 이는 지구에서 생명의 기원과 진화에 영향을 주는 지속적인 내부 열을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지구의 지각과 구조운동 진화에 U와 Th 지구화학이 미치는 역할을 이해하는 것.
• 지구 외 태양계 내행성에서 판 구조운동이 왜 유일하게 지구에서만 발달했는지 설명하는 것.
• 지구 맨틀 내 열을 발생시키는 원소가 생명의 기원과 진화에 어떤 영향을 미쳤는지 탐구하는 것.
• 통합된 지구화학적 프레임워크를 통해 지구물리학, 행성과학, 진화생물학을 융합하는 것.
• U와 Th 이동과 행성 분화 및 지각 진화를 연결하는 기계적 모델을 수립하는 것.

제안 방법

• 행성 내부에서 U와 Th 이동 경로의 이론적 모델링.
• 다양한 산화환원 조건과 비활성 성분 조건에서 U와 Th의 지구화학적 거동 분석.
• 수성, 금성, 화성과의 지구 지구화학적 환경 비교.
• U와 Th 농축에 의해 유도되는 맨틀 상승과 지각 형성의 모델링.
• 질량 보존 및 열역학적 제약 조건을 활용한 아스테노스피어와 지각 내 원소 이동성 시뮬레이션.
• 지질학적, 지구화학적, 생물학적 자료의 통합을 통해 내부 열과 생태계 진화 간 피드백 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 U와 Th의 이동 패턴은 지구와 태양계 내행성 간에 어떻게 다를까?
• RQ2 물과 산화성 비활성 성분의 존재가 행성 맨틀 내 U와 Th 농축 영역 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 판 구조운동은 지구에서만 발달했고, 수성, 금성, 화성에서는 발생하지 않았는가?
• RQ4 지구 맨틀 내 U와 Th 농축 영역 형성이 지각 형성과 구조운동 활동에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 U와 Th에서 유래하는 내부 열과 지구에서 생명의 진화 간의 연관성은 무엇인가?

주요 결과

• 지구는 물과 산화성 비활성 성분의 유일한 조합 덕분에 U와 Th가 상향으로 이동하여 아스테노스피어에 열을 발생시키는 농축 영역(EZ)을 형성할 수 있다.
• 이러한 EZ 형성은 지구에서 판 구조운동 시스템이 발달하기 위한 필수 조건이다.
• 반면, 수성, 금성, 화성은 충분한 물과 산화제가 부족하여 EZ 형성이 불가능하고, 결과적으로 판 구조운동이 억제된다.
• EZ 내에서 방출되는 열이 맨틀 대류, 지각 상승, 화산성 대륙 지각의 형성에 기여한다.
• U와 Th에서 유래하는 지속적인 내부 열은 장기적인 지구역학 활동과 생명 진화에 유리한 조건을 조성하는 핵심 요소로 제안된다.
• 본 연구는 태양계 내부 행성의 분화, 구조운동, 생태계 발달을 연결하는 통합된 지구화학적 메커니즘을 제안한다.