[논문 리뷰] 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|2009. 03. 09.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지구 외핵에서 우라늄과钍가 주기적으로 핵분열을 일으켜 열을 생성하며, 이 열이 맨틀 대류, 판 구조론, 지구 자기역학을 이끈다고 제안한다. 이 모델은 태평양과 아프리카 아래에 위치한 하부 외핵 내 국소적인 U/Th 농축 중심을 통해 지구 자기장 초장기, 역전, 내핵 이방성 및 대량 멸귀 현상을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 판 구조론 이론이 널리 수용됨에도 불구하고 여전히 논란이 되고 있는 지구 내부 역학, 특히 판 구조론을 이끄는 진정한 에너지원을 규명하는 것.
• 핵심에서 방사성 원소가 무시할 만큼 미미하다는 기존 견해를 도전하며, 오히려 U와 Th가 하부 외핵에 집중되어 있다고 제안하는 것.
• 국소적인 U/Th 농축 중심에서의 주기적 핵분열을 통해 지구 자기장 초장기, 역전 및 자기장 강도의 비대칭적인 이쑤시형 패턴을 설명하는 것.
• 태평양과 아프리카 아래에서 관측된 초플룸 형성과 관련하여, 핵심 기반의 U/Th 분열에서 비롯된 열을 통해 내핵의 동서반구적 탄성 이방성과 초플룸을 설명하는 것.
• 현재의 지구자기역학 시뮬레이션은 핵심 에너지원이 누락되고 있으며, 특히 U/Th 분열과 현실적인 에크만 수치가 반영되지 않아 실패하고 있다고 주장하는 것.

제안 방법

• 태평양 중심부 하부 맨틀에서 온도 최대치를 유도하는 지구물리학적 톰그래피 데이터를 활용하여, 열생성 원소가 그곳에 집중되어 있음을 시사한다.
• 지구자기장 중심과 열대류 중심이 지구의 지리적 중심에서 태평양 쪽으로 약 400km 이격되어 있는 지구자기 데이터를 통합하여, 핵심 역학에서의 횡방향 비대칭성을 뒷받침한다.
• 하부 외핵 내 두 개의 큰 U/Th 농축 중심—태평양 아래와 아프리카 아래 반대편—이 맨틀 플룸과 초플룸을 이끄는 것으로 제안한다.
• 외핵 내 U와 Th의 주기적 핵분열을 프리캄브리아 우라늄 광산의 자발적 분열과 유사하게 모델링하며, 에너지 폭발이 지구자기역전과 초장기를 유도한다고 제안한다.
• 태평양 화산열점에서 채굴된 화산암과 편암에서의 희귀가스 성분을 분석하여, 일부 동위원소가 핵분열에 의해 생성된 기체임을 해석한다.
• 지구자기초장기와 표면 지질학적 활동 사이에 10–20만 년의 지연이 관측된 고대 자기기록을 재해석하여, 핵심에서 유래한 에너지 펄스가 지연된 에너지 전달의 결과임을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 모델이 대부분의 열을 지각과 상부 맨틀에 기인한다고 보는 바에 비해, 맨틀 대류와 판 구조론을 이끄는 주요 에너지원은 무엇인가?
• RQ2 중력 및 자전력이 유사한 타행성들에 비해 왜 지구에만 판 구조론이 존재하는가?
• RQ3 핵심 역학에 의해 지구자기장 강도의 비대칭적인 이쑤시형 패턴은 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ4 지구 내핵의 동서반구적 탄성 이방성은 무엇을 원인으로 하고 있으며, 핵심 조성과 열 분포와 어떻게 연결되어 있는가?
• RQ5 현재의 지구자기역학 시뮬레이션은 왜 지구의 이극자 자기장을 재현하지 못하는가? 누락된 핵심 물리적 과정은 무엇인가?

주요 결과

• 우라늄과 토륨은 하부 외핵 내 두 개의 큰 국소 중심—중앙 태평양 아래와 아프리카 반대편 하부—에 집중되어 있으며, 이는 맨틀 플룸과 초플룸을 이끈다고 제안된다.
• 이 중심 내에서의 U와 Th의 주기적 핵분열은 지구자기장 초장기와 역전을 유도할 수 있으며, 에너지 폭발이 급격한 자기장 강도 증가를 이끌고 이후 점진적인 감소를 초래한다.
• 지구자기초장기와 표면 지질학적 활동 사이에 관측된 10–20만 년의 지연은 핵심에서 맨틀으로의 에너지 전달이 지연됨을 의미하는 결과로 해석된다.
• 내핵의 동서반구적 탄성 이방성은 외핵 내 비대칭적인 U/Th 농축 중심으로 인한 온도 차이에 기인하며, 이로 인해 고체화가 비균일하게 일어난다.
• 태평양 열점 화산암에서 관측된 희귀가스 동위원소, 예를 들어 36Ar와 40Ar는 외핵 내 현장에서의 U와 Th 핵분열에 의해 생성된 직접적 증거로 해석된다.
• 현재의 지구자기역학 시뮬레이션은 U/Th 핵분열과 같은 현실적인 에너지원을 생략하고 있으며, 비현실적으로 높은 에크만 수치(예: 10⁻⁴–10⁻⁶ 대비 약 10⁻⁷)를 사용함으로써 이극자 자기장을 재현하지 못하며, 비이극자 자기장을 유도한다.