[논문 리뷰] A reference Earth model for the heat producing elements and associated geoneutrino flux

Yu Huang, V. P. Chubakov외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 03.

Geological and Geochemical Analysis참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지구의 규산염 지구 전체에서 열을 생성하는 원소(U, Th, K)의 분포를 지구물리학적으로 제약을 받는 3차원 기준 모델로 제시한다. 지반 데이터와 업데이트된 암석 데이터베이스를 통합하여 지각과 리소스퍼틱 맨틀의 구성 요소를 통합한다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 16개의 글로벌 위치에서 지구중성자율(flux)을 예측하여, 비대칭 불확실성을 고려한 방사성 열 출력 추정치로 22.7–28.6 TW를 도출하였으며, 이는 지구 내부 열 예산과 구성 모델을 시험하기 위한 핵심 기준점이 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지구의 지각과 리소스퍼틱 맨틀에서 열을 생성하는 원소(U, Th, K)의 분포에 대한 지구물리학적으로 일관된 3차원 기준 모델을 개발하기 위해.
• 실제 HPE 분포를 기반으로 선택된 글로벌 위치에서의 지구중성자율을 정량화하기 위해.
• 지각 암석 내 HPE 농도의 로그노멀 분포에 기인한 방사성 열 출력의 불확실성 평가를 위해.
• KamLAND와 Borexino의 지구중성자율 관측 결과를 활용하여 전체 규산염 지구(BSE)의 구성 모델을 시험하기 위한 기준 제공을 위해.

제안 방법

• 세 가지 기존의 지구물리학적 지각 모델을 통합하여 대륙의 평균 지각 두께를 34.4 ± 4.1 km, 해양의 평균 지각 두께를 8.0 ± 2.7 km로 도출하였다.
• CRUST 2.0의 현장에서 측정한 지반 속도를 활용하여, 페라이트 및 그레노이트 성질의 암석에서의 실험실 초음파 속도 측정치와의 상관관계를 통해 깊은 대륙 지각의 구성 요소를 추론하였다.
• 업데이트된 페라이트 이종암석 데이터베이스를 적용하여 대륙 리소스퍼틱 맨틀의 평균 구성 요소를 표현하였다.
• HPE 농도의 불확실성(로그노멀 분포)을 전파하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하고, 16개의 글로벌 현장에서 지구중성자율을 예측하였다.
• 구성 데이터베이스와 지구물리학적 제약 조건을 조합하여 BSE 내 HPE 농도와 분포의 3차원 기준 모델을 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구물리학적 및 지질화학적 데이터에 의해 제약을 받는 지구의 지각과 리소스퍼틱 맨틀 내 열을 생성하는 원소(U, Th, K)의 글로벌 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 로그노멀 분포로 모델링된 HPE 농도의 불확실성이 예측된 지구중성자율과 방사성 열 출력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 16개의 대표적인 글로벌 위치에서 예측된 지구중성자율은 무엇이며, 공간적으로 어떻게 변동하는가?
• RQ4 유도된 방사성 열 출력은 KamLAND와 Borexino의 관측 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 모델은 기존의 전체 규산염 지구(BSE)의 구성 모델을 어느 정도 지지하거나 도전하는가?

주요 결과

• 모델은 HPE 농도의 로그노멀 분포로 인한 비대칭 불확실성을 고려하여 전 세계 방사성 열 출력을 22.7–28.6 TW로 예측하였다.
• 대륙 지각의 평균 두께는 34.4 ± 4.1 km로 추정되었으며, 해양 지각은 8.0 ± 2.7 km 두께로 지구물리학적 제약 조건과 일치하였다.
• 깊은 대륙 지각의 구성은 지반 속도와 업데이트된 페라이트 및 그레노이트 성질 암석의 실험실 측정치 간 상관관계를 통해 추론되었다.
• 대륙 리소스퍼틱 맨틀은 업데이트된 페라이트 이종암석 데이터베이스를 통해 표현되었으며, 더 정확한 평균 구성 요소를 도출하였다.
• 16개의 글로벌 위치에서의 지구중성자율 예측 결과는 공간적 변동성을 보였으며, 두꺼운 페라이트성 지각과 비옥한 맨틀 지역에서 높은 지구중성자율이 예상되었다.
• 이 모델은 향후 지구중성자율 측정 결과를 해석하고 지구의 전체 구성 모델을 시험하기 위한 강력하고 데이터 기반의 기준 프레임워크를 제공한다.