[论文解读] A reference Earth model for the heat producing elements and associated geoneutrino flux

Yu Huang, V. P. Chubakov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2013

Geological and Geochemical Analysis参考文献 40被引用 4

一句话总结

本文提出了一种地球物理学约束的三维参考模型，用于描述原始硅酸盐地球中产热元素（U、Th、K）的分布，整合了地壳和岩石圈地幔的成分，结合地震数据和更新的岩石数据库。通过蒙特卡洛模拟，预测了全球16个地点的地球中微子通量，得出的放射性热功率估计值为22.7–28.6 TW，具有非对称不确定性，为检验地球内部热平衡和成分模型提供了关键基准。

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.

研究动机与目标

• 开发一个地球物理学一致的三维参考模型，用于描述地球地壳和岩石圈地幔中产热元素（U、Th、K）的分布。
• 基于现实的HPE分布，量化选定全球位置的地球中微子通量。
• 评估地壳岩石中HPE浓度的对数正态分布对放射性热功率不确定性的影响。
• 利用来自KamLAND和Borexino的地球中微子观测，为测试原始硅酸盐地球（BSE）的成分模型提供基准。

提出的方法

• 整合三个现有的地球物理学地壳模型，推导出大陆平均地壳厚度为34.4 ± 4.1 km，海洋为8.0 ± 2.7 km。
• 利用CRUST 2.0中的原位地震速度，通过与麻粒岩和角闪岩相岩石的实验室超声速度测量结果的相关性，推断深部大陆地壳的成分。
• 应用更新的包体橄榄岩数据库，表示大陆岩石圈地幔的平均成分。
• 采用蒙特卡洛模拟，传播HPE浓度（对数正态分布）的不确定性，并预测全球16个站点的地球中微子通量。
• 将成分数据库与地球物理约束相结合，生成BSE中HPE丰度和分布的3D参考模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地球物理学和地球化学数据约束下，地球地壳和岩石圈地幔中产热元素（U、Th、K）的全球分布如何？
• RQ2 将HPE浓度的不确定性建模为对数正态分布时，如何影响预测的地球中微子通量和放射性热功率？
• RQ3 在16个代表性全球位置预测的地球中微子通量是多少，其空间变化特征如何？
• RQ4 所推导的放射性热功率与KamLAND和Borexino的观测约束相比如何？
• RQ5 该模型在多大程度上支持或挑战现有的原始硅酸盐地球成分模型？

主要发现

• 模型预测全球放射性热功率为22.7–28.6 TW，由于地壳岩石中HPE浓度的对数正态分布，不确定性呈现非对称性。
• 大陆地壳平均厚度估计为34.4 ± 4.1 km，海洋地壳为8.0 ± 2.7 km，与地球物理约束一致。
• 深部大陆地壳成分通过地震速度与更新的麻粒岩和角闪岩相岩石实验室测量结果相关推断得出。
• 大陆岩石圈地幔通过更新的包体橄榄岩数据库表示，得出更准确的平均成分。
• 全球16个站点的地球中微子通量预测显示出空间变异性，厚而长英质的地壳和富集地幔区域预期通量更高。
• 该模型为解释未来地球中微子测量结果和检验地球整体成分提供了一个稳健、数据驱动的参考框架。