地球科学から見た地球ニュートリノ観測の意義

大谷 栄治 （東北大 理）• 地球内部の放射性元素のベータ崩壊により生成
238

U

206

Pb 8 4 He 6 e - 6 ν e 51.7 [MeV]

232

Th

208

Pb 6 4 He 4 e

K

40

40

Cae4 ν e 42.7 [MeV]ν e 1.31 [MeV]• 放射性熱源は地表熱流量のおよそ半分に寄与– 観測地殻熱流量 〜44TW (31TW)– U系列 8TW / Th系列 8TW / 40K ４TW〜20TW ???

• 地球深部の化学組成に関する直接の情報
1960年代より提案されていたが，実際に観測されたことはなかった

Heat generation from long-lived radioactivity
Energy Decay/atm Decay const

Relative Isotopic Present Terrestrial

10-6 erg

Abundance

10-10/yrAbundance 1020 g238

75.9

1.55125

0.9928

1.82

235

72.4

9.84850.00720.0132

232

Th

63.8

0.49475

16.79

40K

1.14

5.543

1.167x10-4

2.14

UUEnergy Budget of the EarthHeat flow measurement: 44 TW
Heat Generation:
Crust+Mantle ~ 20 TW (for K, U, and Th): Based on Chondritemodel
No radiogenic heat in the core
Heat flux from the core: 1~10 TW (for driving geodynamo)
Invalance of Heat:
Out flow from Earth 44TW > Crust+Mantle+Core 21~30TW
i.e., Urey ratio (Radiogenic heat production/Heat flow)~ 0.5
Secular cooling ? Periodic change?

地球ニュートリノと地球の熱源
地球構造モデル
地震波解析：地震波トモグラフィ

化学組成モデル
BSE モデル• 地球内部の３次元物理構造を詳細に記述 コンドライト組成に基づくコアを除く固体地球の平均組成• マントル対流を示唆する構造• 化学組成との対応ははっきりしない

熱収支• 地球化学の基本的パラダイム• U/Th 量に15%˜
20%の不定性• 20TW の放射性熱源を予測• 直接のテストは存在しない

観測地殻熱流量： 44±1 TW(最近の再計算で 31±1 TW)• 熱源：冷却熱(?)，液体コアの固化の潜熱(?)，放射壊変による発熱(20TW?)• 熱収支を決定することが全地球ダイナミクスの理解に不可欠１．地球内部構造モデル

地球内部構造モデル
内核
外核
下部マントル
上部マントル
地殻
23GPa
2000K
135GPa3000K

330GPa350GPa
5000K
6000K

10

地殻
30km

上部マントル670km
下部マントル2900km外部コア
5100km内部コア
6370km沈み込みプレート
670km 不連続面滞留したスラブ地震波速度異常+1%

高速(低温)-1%

低速(高温)

マントル対流： 約１０ｃｍ/年 （ウイルソンサイクル： 約２億年）

１１

Global cir culation of mater ials in the Ear thMater ials moves fr om Sur face to Cor e and vice ver sa

Island Ar cOcean
IslandMOR

Ocean
Upper Mantle

660 kmLower Mantle

2900 kmOuter Core
5150 km

Inner Core２．地球の化学組成
コンドライトモデル
太陽系と地球の組成の違い

6太陽大気の組成（宇宙存在度）とＣ１コンドライト存在度

Togashi et.al. (2000)(Geochemistry Geophysics Geosystems, volume 1 number 27)• 日本の表層地質を37種に分類• 各グループから計166個のサンプルを採取し組成を解析• 分布面積で重みづけして上部地殻の平均組成を計算

日本の上部地殻の平均組成
U: 2.32ppm
Th: 8.3 ppm

上部地殻全体の平均組成は
U: 2.８ppm
Th: 10.7 ppm

コンドライトと一致する。

大陸上部地殻 U: 2.8ppm / Th: 10.7ppm Rudnick et.al. (1995)
大陸中部地殻 U: 1.6ppm / Th: 6.1ppm をとりあえず参照．
大陸下部地殻 U: 0.2ppm / Th: 1.2ppm 不定性は別に議論．
海洋地殻 U: 0.08ppm / Th: 0.32ppm

マントル組成はBSEから地殻を差し引いて求める．
とりあえず一様を仮定．
マントル U: 0.012ppm / Th: 0.048ppm
外核・内核 U: 0ppm / Th: 0ppm

核にはU/Thは存在しないとする

３．地球の化学組成の起源

U, Thコンドライトと一致する。

Cosmochemical predictions for U and Th sbundances(1) Is the U content in the Earth similar to the Moon?
40ppb U and Th/U~3.7
40ppb U and corresponding K and Th ~ total heat
flux of 40TW of the present Earth
Geochemical model model suggests about 20 ppb inthe bulk silicate Earth(2) Is the Th/U ratio of the Earth the same as thechondritic ratio, 3.7. It varies from 2.2 to 6 in therock samples in the Earth.

A model for formation of the planets
Two comonent model:High temperature component, A; no K and Th/U~3.7
And low temperature component, B; chondritic K, Th/U~3.7(Ringwood, 1985; Wanke, 1989)
High temperature
A:BMarcurey
MoonEarth
90:10
Mars
80:20
Chondrite
Low temperature

K/UTh/U03.7
2000~2500
3.7
10000
3.7
50000~70000 3.7
50000~80000 3.7

U
38ppb
40ppb
14ppb
11~15ppb
12ppb

4. Thermal budget of the EarthEnergy Budget of the Earth
Invalance of Heat:
Out flow from Earth 44TW > Crust+Mantle+Core 21~30TW
i.e., Urey ratio (Radiogenic heat production/Heat flow)~ 0.5
Secular cooling ? Periodic change?
Energy release stored in the Early stage
Heat flow measurement: 44 TW
Heat Generation:
Crust+Mantle ~ 20 TW (for K, U, and Th): Based on Chondritemodel
No radiogenic heat in the core
Heat flux from the core: 1~10 TW (for driving geodynamo)マグマオーシャンの深さ：
マントルのＮｉの存在度

Ｎｉの核・マントル分配

マグマオーシャンの深さ (km)500 km1000 km

マントルには、異常にＮｉが多い：
ニッケルのパラドックス

マントルのＮｉ存在度

核マントル境界

温度の不連続は核内部からの熱の流出による核・マントル境界

Future directions
1. Heterogeneity in U and Th contents in the Earth
Test of Geochemical models
2. Heat source in the Deep Earth, i.e.
Lower manlte:
Existence of primitive source at CMBCore:Heat source in the Core
Evolution of the core: Formation of the inner core
Formation of the magnetic field
Growth of the inner core

様々なマントルモデル：検証する必要がある。

２層のマントル
上部マントルｖｓ
下部マントル

均質に近いマントル：対流による混合

下部マントル内部に不均質：層構造？

分化したマントル

未分化なマントル核内部の熱源の有無、存在量
ジオダイナモの駆動
内核の進化：いつ内核は生まれたのか、外核はいつ固化するのか。
地球磁場の形成期、進化
地球磁場の形成は、生命を有害宇宙線から防護：
生命の進化と海から陸への移動に影響？

核と下部マントルの熱源を調べるために！
Hawaii での観測では• フラックスの半分が下部マントル起源• フラックスの3/4がマントル起源• 近距離地質が単純で不定性が少ない• 周辺に原子炉がない（原子力潜水艦?）

地球ニュートリノは˜
1000kmの平均組成を見る• 海嶺の下のマントル組成• Super Plume のマントル組成• 各時代の大陸の平均組成
HawaiiAzoresTahitiEaster• ニュートリノ観測は，地球科学，特に深部組成と熱収支に関するユニークな情報をもたらす．
• KamLAND 実験によって，地球ニュートリノの観測が現実になった．
• KamLAND の周辺地質を詳細に見積もり，全地球的な議論ができるようになった．
• 将来の地球ニュートリノ観測の候補地として，特にハワイを提案．下部マントルと核の組成に感度がある．