[论文解读] 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|Mar 9, 2009

High-pressure geophysics and materials参考文献 21被引用 4

一句话总结

本文提出，地球外核中的铀和钍会经历周期性核裂变，产生热量，从而驱动地幔对流、板块构造和地磁动力学。该模型通过下部外核中局部富含铀/钍的区域（尤其位于太平洋和非洲下方）解释地磁超级时长、地磁倒转、内核各向异性和大规模灭绝事件。

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.

研究动机与目标

• 识别驱动地球内部动力学（尤其是板块构造）的真实能量来源，尽管板块构造理论广为接受，但其能量来源仍存在争议。
• 挑战传统观点，即放射性元素在地核中可忽略不计，提出铀和钍在下部外核中发生富集。
• 通过外核中局部富含铀/钍区域的周期性核裂变，解释地磁超级时长、倒转以及地磁场强度的非对称锯齿状变化模式。
• 通过来自核源铀/钍裂变的热量，解释观测到的地内核东西半球弹性各向异性以及太平洋和非洲下方超级地幔柱的形成。
• 主张当前的地磁发电机模拟失败，原因在于缺少核心能量来源和错误的参数化，特别是缺乏铀/钍裂变和真实的埃克曼数（Ekman number）

提出的方法

• 利用地震层析成像数据推断中央太平洋下方地幔下部的温度峰值，表明该区域存在热量产生元素的富集。
• 整合地磁数据，显示地磁和热对流中心相对于地球地理中心向太平洋方向偏移约400公里，支持地核动力学的横向不对称性。
• 提出下部外核存在两个大型富含铀/钍的区域——分别位于太平洋下方和南半球对侧的非洲下方——驱动地幔柱和超级地幔柱。
• 将外核中铀和钍的周期性核裂变建模为类似于前寒武纪铀矿中自发裂变的现象，能量脉冲可触发地磁倒转和超级时长。
• 分析太平洋热点火山岩和岩屑中稀有气体的特征，将某些同位素解释为核裂变产生的气体证据。
• 重新解释古地磁记录中显示的地磁超级时长与地表地质活动之间存在1000万至2000万年滞后的现象，将其视为核心驱动能量脉冲的证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 鉴于传统模型将大部分热量归因于地壳和上地幔，驱动地幔对流和板块构造的主要能量来源是什么？
• RQ2 为何板块构造仅存在于地球而不存在于其他类地行星，尽管其引力和自转力相似？
• RQ3 地磁场强度在倒转期间呈现非对称锯齿状变化的模式，如何通过地核动力学解释？
• RQ4 地内核东西半球弹性各向异性的成因是什么？其与地核成分和热量分布有何关联？
• RQ5 为何当前的地磁发电机模拟无法再现地球的偶极磁场？缺少了哪些关键物理过程？

主要发现

• 提出铀和钍在下部外核中集中于两个大型局部区域——分别位于中央太平洋下方和非洲正对侧的南半球——驱动地幔柱和超级地幔柱。
• 这些区域中铀和钍的周期性核裂变可能触发地磁超级时长和倒转，能量脉冲导致磁场强度迅速增强，随后逐渐衰减。
• 观测到的地磁超级时长与地表地质活动之间存在1000万至2000万年滞后的现象，被解释为能量从地核向地幔延迟传递的结果。
• 内核东西半球弹性各向异性的成因归因于外核中不对称的富含铀/钍区域引起的温度差异，导致固结过程的差异。
• 太平洋热点岩石中稀有气体同位素（如³⁶Ar和⁴⁰Ar）被解释为外核中铀和钍原位核裂变的直接证据。
• 当前的地磁发电机模拟无法再现地球磁场，原因在于忽略了如铀/钍裂变等真实能量来源，并使用了不切实际的高埃克曼数（例如10⁻⁴至10⁻⁶，而非约10⁻⁷），导致生成非偶极磁场。