Вклад неоднородного строения литосферы в ожидаемый поток геонейтрино в области детектора JinPing (Сычуань, Китай)
|
АННОТАЦИЯ 2
Введение 3
Глава 1. Обзор метода геонейтрино 4
1.1. Распространенность теплопродуцирующих элементов. 4
1.2. Земные антинейтрино 5
1.3. Методика детектирования геонейтрино 7
1.4. Моделирование геонейтринного сигнала. 8
1.5. Детекторы 10
Глава 2. Геологическое строение в районе детектора JinPing 11
2.1. Проектируемый детектор JinPing. 11
2.2. Геологическое строение локальной коры в районе проектируемого детектора JinPing. 12
2.3. Геологическое строение средней и нижней коры в районе проектируемого детектора JinPing. 17
2.4. Литосферная мантия под Тибетским плато и платформой Янцзы. 19
Глава 3. Создание моделей геологического строения для расчета геонейтринного сигнала. 21
3.1. Расчёт геонейтринного сигнала. 21
3.2. Моделирование строения локальной коры для расчета геонейтринного сигнала. 26
3.3. Моделирование строения мантии для расчета геонейтринного сигнала 29
Глава 4. Результаты 31
4.1. Обсуждение полученных результатов. 31
4.2. Сравнение геонейтринных потоков для детекторов JinPing и LENA 35
Глава 5. Проблемы применения метода геонейтрино 40
Заключение 41
Благодарности 42
Список литературы 42
Введение 3
Глава 1. Обзор метода геонейтрино 4
1.1. Распространенность теплопродуцирующих элементов. 4
1.2. Земные антинейтрино 5
1.3. Методика детектирования геонейтрино 7
1.4. Моделирование геонейтринного сигнала. 8
1.5. Детекторы 10
Глава 2. Геологическое строение в районе детектора JinPing 11
2.1. Проектируемый детектор JinPing. 11
2.2. Геологическое строение локальной коры в районе проектируемого детектора JinPing. 12
2.3. Геологическое строение средней и нижней коры в районе проектируемого детектора JinPing. 17
2.4. Литосферная мантия под Тибетским плато и платформой Янцзы. 19
Глава 3. Создание моделей геологического строения для расчета геонейтринного сигнала. 21
3.1. Расчёт геонейтринного сигнала. 21
3.2. Моделирование строения локальной коры для расчета геонейтринного сигнала. 26
3.3. Моделирование строения мантии для расчета геонейтринного сигнала 29
Глава 4. Результаты 31
4.1. Обсуждение полученных результатов. 31
4.2. Сравнение геонейтринных потоков для детекторов JinPing и LENA 35
Глава 5. Проблемы применения метода геонейтрино 40
Заключение 41
Благодарности 42
Список литературы 42
На сегодняшний день вопросы строения Земли и механизма ее теплогенерации все еще открыты. Поверхностный тепловой поток планеты оценивается исследователями как 46±3 ТВт (Sramek, et al., 2013; Wan, et al., 2017). В зависимости от выбора геохимической модели валовой силикатной Земли (BSE) мы получаем различное соотношение между вкладом первичного тепла, сохранившегося в результате аккреции и гравитационной дифференциации планеты, и радиогенного тепла, выделяемого при распаде долгоживущих радиоактивных изотопов. Проблема заключается в наличии нескольких геохимических моделей планеты, возникших в результате анализа химического состава разных типов метеоритного вещества и мантийных ксенолитов.
Пока нет единой модели для состава Земли мы все еще не в состоянии полностью объяснить механизмы таких процессов, как тектоника плит, термальная эволюция, и определить источник, питающий геомагнитное поле, которое необходимо для защиты жизни от космической радиации (Leyton et al., 2017). Всё еще открыты вопросы, касающиеся источника энергии для мантийной конвекции. Возможно, нам удастся приблизиться к разгадке происхождения Земли и получить наиболее детальную модель ее «рабочего механизма» с помощью совсем молодой и развивающейся области знаний – нейтринной геофизики.
Нейтринная геофизика заключает в себе масштабные достижения в области физики элементарных частиц, давшие старт геонейтринным экспериментам, которые стали настоящим прорывом в глубинном исследовании Земли. Геонейтрино – это электронные антинейтрино, образовавшиеся в результате инверсионного бета-распада радиоактивных элементов, самыми распространенными из которых являются U, Th и K. Данные радиогенные элементы, которые мы впоследствии будем называть теплопродуцирующими (ТПЭ), неравномерно рассеяны в оболочках Земли. Ожидается, что нейтрино, рожденные в результате распада урана, тория и калия позволят исследователям «заглянуть» вглубь планеты, поскольку данные частицы имеют высокую проникающую способность и практически не взаимодействуют с веществом.
На сегодняшний день только два запущенных нейтринных детектора – японский KamLand и итальянский Borexino – проводят оценку количества геонейтрино от теплопродуцирующих элементов. Данных, которые получены от двух детекторов, все еще недостаточно, чтобы ответить на интересующие нас вопросы, поэтому планируется возведение целой сети детекторов, которые будут расположены в разных геологических обстановках. Создание сети детекторов позволит понять, как меняется отношение Th/U в связи с неоднородностями мантии (Wipperfurth et al., 2018)
JinPing (China Jinping Underground Laboratory) - один из запланированных нейтринных детекторов, одной из целей создания которого является измерение геонейтринного потока. Место его возведение утверждено, и на сегодняшний день в Сычуаньских горах, в Китае ведутся работы по созданию подземной лаборатории. На примере детектора JinPing мы осуществим моделирование геонейтринного потока по имеющимся геофизическим и геохимическим данным.
Целью курсовой работы является расчет и сравнение ожидаемого геонейтринного потока для различных моделей коры и литосферной мантии в области, где будет построен нейтринный детектор JinPing.
Для осуществления данной цели нами были поставлены следующие задачи:
1. Кратко охарактеризовать метод геонейтрино, указать его преимущества и ограничения.
2. Изучить геологическую обстановку региона, составить схематические разрезы литосферы вблизи детектора.
3. Составить три модель земной коры – от упрощенной модели к модели, приближенной к реальному геологическому строению, на данном участке с помощью полученных разрезов. Рассчитать геонейтринный поток от каждой модели
4. Произвести расчеты ожидаемого геонейтринного потока по обработанным данным для нескольких моделей мантии.
Дополнительно полученные результаты позволят провести анализ целесообразности детального моделирования локальной коры, сравнив геонейтринные потоки от коры с порядком значений мантийной компоненты геонейтринного потока, и оценить перспективы применения методики геонейтрино для исследования неоднородности строения и состава мантии.
Пока нет единой модели для состава Земли мы все еще не в состоянии полностью объяснить механизмы таких процессов, как тектоника плит, термальная эволюция, и определить источник, питающий геомагнитное поле, которое необходимо для защиты жизни от космической радиации (Leyton et al., 2017). Всё еще открыты вопросы, касающиеся источника энергии для мантийной конвекции. Возможно, нам удастся приблизиться к разгадке происхождения Земли и получить наиболее детальную модель ее «рабочего механизма» с помощью совсем молодой и развивающейся области знаний – нейтринной геофизики.
Нейтринная геофизика заключает в себе масштабные достижения в области физики элементарных частиц, давшие старт геонейтринным экспериментам, которые стали настоящим прорывом в глубинном исследовании Земли. Геонейтрино – это электронные антинейтрино, образовавшиеся в результате инверсионного бета-распада радиоактивных элементов, самыми распространенными из которых являются U, Th и K. Данные радиогенные элементы, которые мы впоследствии будем называть теплопродуцирующими (ТПЭ), неравномерно рассеяны в оболочках Земли. Ожидается, что нейтрино, рожденные в результате распада урана, тория и калия позволят исследователям «заглянуть» вглубь планеты, поскольку данные частицы имеют высокую проникающую способность и практически не взаимодействуют с веществом.
На сегодняшний день только два запущенных нейтринных детектора – японский KamLand и итальянский Borexino – проводят оценку количества геонейтрино от теплопродуцирующих элементов. Данных, которые получены от двух детекторов, все еще недостаточно, чтобы ответить на интересующие нас вопросы, поэтому планируется возведение целой сети детекторов, которые будут расположены в разных геологических обстановках. Создание сети детекторов позволит понять, как меняется отношение Th/U в связи с неоднородностями мантии (Wipperfurth et al., 2018)
JinPing (China Jinping Underground Laboratory) - один из запланированных нейтринных детекторов, одной из целей создания которого является измерение геонейтринного потока. Место его возведение утверждено, и на сегодняшний день в Сычуаньских горах, в Китае ведутся работы по созданию подземной лаборатории. На примере детектора JinPing мы осуществим моделирование геонейтринного потока по имеющимся геофизическим и геохимическим данным.
Целью курсовой работы является расчет и сравнение ожидаемого геонейтринного потока для различных моделей коры и литосферной мантии в области, где будет построен нейтринный детектор JinPing.
Для осуществления данной цели нами были поставлены следующие задачи:
1. Кратко охарактеризовать метод геонейтрино, указать его преимущества и ограничения.
2. Изучить геологическую обстановку региона, составить схематические разрезы литосферы вблизи детектора.
3. Составить три модель земной коры – от упрощенной модели к модели, приближенной к реальному геологическому строению, на данном участке с помощью полученных разрезов. Рассчитать геонейтринный поток от каждой модели
4. Произвести расчеты ожидаемого геонейтринного потока по обработанным данным для нескольких моделей мантии.
Дополнительно полученные результаты позволят провести анализ целесообразности детального моделирования локальной коры, сравнив геонейтринные потоки от коры с порядком значений мантийной компоненты геонейтринного потока, и оценить перспективы применения методики геонейтрино для исследования неоднородности строения и состава мантии.
В результате проделанной работы был рассчитан предполагаемый геонейтринный поток для детектора JinPing. Расчеты производились для различных моделей локальной коры и мантии. В ходе анализа результатов для локальной коры оптимальной была признана модель, наиболее близкая к реальному геологическому строению - модель 1. Суммарный геонейтринный поток от модели 1 локальной коры SU+Th = 24,34 ± 5,41TNU.
В литературе имеются результаты расчета геонейтринного потока для предполагаемого детектора JUNO (Gao et al. - в печати). Для модели локальной коры 500 км х 500 км SU+Th = 28,5±4,5 TNU. Поскольку геологическое строения области рядом с детектором JUNO отличается от области рядом с детектором JinPing и размер модели для JUNO больше, чем для модели, рассматриваемой нами, мы не можем достоверно сравнить полученные значения, но учтем, что порядок значений сходится.
Выбор оптимальной модели для верхней мантии является целью решения обратной задачи для метода геонейтрино. Отметим, что в ходе решения нами прямой задачи наибольшее значение геонейтринного потока получилось для модели литосферная мантия + обогащенная мантия, однако наличие обогащенной мантии в регионе исследования является дискуссионным вопросом.
В ходе проведения данной работы:
• Были выделены основные закономерности для использования способа геонейтрино
• Создали различные модели распространенности радиогенных изотопов и изменения плотности по данным геологического строения, геохимических и геофизических исследований.
• Рассчитаны геонейтринные потоки по заданным моделям локальной коры и мантии
Из проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1. Поток зависит непосредственно от расстояния до детектора, поэтому локальную кору нужно моделировать наиболее детально. Именно она вносит существенный вклад в итоговый результат и к ее вариациям значение потока наиболее чувствительно.
2. Упрощение геологического строения локальной коры приводит к занижению потока от мантии. Мантийная компонента рассчитывается вычитанием из общего потока геонейтрино значения от локальной коры. При завышении значения геонейтринного потока от локальной коры мы получим неверную интерпретации для мантийной компоненты.
3. Не следует представлять мантию в качестве единого резервуара – это даёт существенную погрешность, поскольку детектор чувствителен к пространственному распределению радиогенных изотопов.
4. Не стоит игнорировать наличие литосферной мантии при моделировании, поскольку она может содержать количество радиогенных изотопов, достаточных для заметного изменения теоретического геонейтринного потока.
5. Стоит отметить, что проведение геонейтринных экспериментов в зонах со сложным геологическим строением и обилием интрузивных тел кислого состава может увеличивать геонейтринный поток от коры. Это может привести к увеличению погрешности при выделении исконно мантийного сигнала.
Таким образом, считаем, что цели и задачи работы достигнуты.
Отметим, что моделирование локальной коры проводилось с использованием сфероидальных тел, которые чаще всего используются для интерпретации геофизических полей. В случае крупных геологических структур использование сфероидов может вносить существенную погрешность, поскольку мы представляем одной фигурой определенный геологический объект и принимаем, что концентрация радиоактивных элементов в нем постоянна по всему объему.
Для снижения погрешности возможно моделировать геологические тела и другими фигурами – вокселями. В случае моделирования геонейтринного потока они могут быть размерами 1 ° х 1 ° (Huang et al. 2013), 0,5 ° х 0,5 °, причем, чем меньше размеры вокселя, тем точнее интерпретация геологического строения. Каждому кубику присваиваются значения концентраций урана и тория и плотности породы. Использование вокселей – следующий шаг для усложнения модели геологического строения локальной коры, а значит получения более точных результатов для предполагаемого геонейтринного потока.
В своих будущих исследованиях мы планируем оценивать геонейтринный поток для более обширных участков земной коры, отдаленных от детектора, а для расчетов геонейтринного потока от локальной коры будем использовать воксели.
Благодарности
Особую благодарность мы хотели бы выразить кандидату физико-математических наук Смирнову Михаилу Владимировичу, работающему в университете Сунь Ятсена (Китай) за консультацию по проведению моделирования и помощь в разработке кода для применения метода Монте-Карло.
В литературе имеются результаты расчета геонейтринного потока для предполагаемого детектора JUNO (Gao et al. - в печати). Для модели локальной коры 500 км х 500 км SU+Th = 28,5±4,5 TNU. Поскольку геологическое строения области рядом с детектором JUNO отличается от области рядом с детектором JinPing и размер модели для JUNO больше, чем для модели, рассматриваемой нами, мы не можем достоверно сравнить полученные значения, но учтем, что порядок значений сходится.
Выбор оптимальной модели для верхней мантии является целью решения обратной задачи для метода геонейтрино. Отметим, что в ходе решения нами прямой задачи наибольшее значение геонейтринного потока получилось для модели литосферная мантия + обогащенная мантия, однако наличие обогащенной мантии в регионе исследования является дискуссионным вопросом.
В ходе проведения данной работы:
• Были выделены основные закономерности для использования способа геонейтрино
• Создали различные модели распространенности радиогенных изотопов и изменения плотности по данным геологического строения, геохимических и геофизических исследований.
• Рассчитаны геонейтринные потоки по заданным моделям локальной коры и мантии
Из проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1. Поток зависит непосредственно от расстояния до детектора, поэтому локальную кору нужно моделировать наиболее детально. Именно она вносит существенный вклад в итоговый результат и к ее вариациям значение потока наиболее чувствительно.
2. Упрощение геологического строения локальной коры приводит к занижению потока от мантии. Мантийная компонента рассчитывается вычитанием из общего потока геонейтрино значения от локальной коры. При завышении значения геонейтринного потока от локальной коры мы получим неверную интерпретации для мантийной компоненты.
3. Не следует представлять мантию в качестве единого резервуара – это даёт существенную погрешность, поскольку детектор чувствителен к пространственному распределению радиогенных изотопов.
4. Не стоит игнорировать наличие литосферной мантии при моделировании, поскольку она может содержать количество радиогенных изотопов, достаточных для заметного изменения теоретического геонейтринного потока.
5. Стоит отметить, что проведение геонейтринных экспериментов в зонах со сложным геологическим строением и обилием интрузивных тел кислого состава может увеличивать геонейтринный поток от коры. Это может привести к увеличению погрешности при выделении исконно мантийного сигнала.
Таким образом, считаем, что цели и задачи работы достигнуты.
Отметим, что моделирование локальной коры проводилось с использованием сфероидальных тел, которые чаще всего используются для интерпретации геофизических полей. В случае крупных геологических структур использование сфероидов может вносить существенную погрешность, поскольку мы представляем одной фигурой определенный геологический объект и принимаем, что концентрация радиоактивных элементов в нем постоянна по всему объему.
Для снижения погрешности возможно моделировать геологические тела и другими фигурами – вокселями. В случае моделирования геонейтринного потока они могут быть размерами 1 ° х 1 ° (Huang et al. 2013), 0,5 ° х 0,5 °, причем, чем меньше размеры вокселя, тем точнее интерпретация геологического строения. Каждому кубику присваиваются значения концентраций урана и тория и плотности породы. Использование вокселей – следующий шаг для усложнения модели геологического строения локальной коры, а значит получения более точных результатов для предполагаемого геонейтринного потока.
В своих будущих исследованиях мы планируем оценивать геонейтринный поток для более обширных участков земной коры, отдаленных от детектора, а для расчетов геонейтринного потока от локальной коры будем использовать воксели.
Благодарности
Особую благодарность мы хотели бы выразить кандидату физико-математических наук Смирнову Михаилу Владимировичу, работающему в университете Сунь Ятсена (Китай) за консультацию по проведению моделирования и помощь в разработке кода для применения метода Монте-Карло.
