地球中微子——把脉地球内部热量.pdf

中微子研究与进展 地球中微子 ——把脉地球内部热量 韩 然1 习宇飞 2 （1 北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室 100094； 2 中国地质科学院水文地质环境地质研究所 050061） 决。地幔对流是发生在地幔中的一种传热方式，地幔 一、地球内部热量 地球内部包含有巨大的热量，这些热量简称地球 对流被认为是地球演化的最可能的驱动因素，并且与 内热，它是驱动板块构造、地幔对流和地球自激发电 大洋中脊裂谷和大陆裂谷的形成、地表热点的分布和 机的动力，是推动整个地球发生发展和演化的原动力。 火山活动，以及某些矿物的生成密切相关而受到重 在 45 亿～ 47 亿年前的地球形成早期，地热促成了核、 视。地壳中放射性元素生热可以通过采样来获知， 幔、壳的分异，使地球从一个太空中未曾分异的“混 可信度比较高；对于地幔来说，由于目前缺少来自 沌体”演变成现今所看到的多圈层的地球；在现今， 地表 200 km 以下岩石样品，难以对地幔中岩石放射 地热驱动着诸如构造运动、岩浆活动、火山作用等一 性进行估计，对于地幔中放射性元素的含量的估算 切内力作用，使地球发生着翻天覆地的变化。因此可 争议很大。地球科学家一直在寻找能够直接获得地幔 以毫不夸张地说，地球就像是一架在宇宙太空中不停 中放射性元素信息的手段。 运转着的“热机”，其原动力就是地热。不仅如此， 随着物理学界对于中微子的研究更加深入，地球 研究地热的资源分布规律及其开发利用途径；研究各 科学家们开始将眼光投向利用中微子探测地球内部方 类能源、矿产资源如石油、天然气、甲烷水合物等形 法，1966 年埃德（W. Eder）第一次提出地球中微子 成时的古地热条件，特别是含油气盆地的热体制、热 的概念，1984 年克劳斯（L. Krauss）等人讨论使用地 历史；研究矿区、尤其是煤矿区的深部地温预测、矿 井致热因素分析和矿山热害防治的地质 - 工程措施等 总地热 46±2 TW 也具有重大的应用价值。 地壳放射性 元素生热 7 TW （6 ～ 7 TW） 地热的来源主要有地球早期残热和地壳、地幔中 所含放射性元素生热，其中放射性元素 238U （235U 在 地壳中含量非常少，一般忽略不计）、232Th、40K 的 衰变生热是其主要来源，因此它们在地球中的含量和 地幔放射性 元素生热 13 TW （9 ～ 16 TW） 分布也就成为决定地球构造演化的主要因素。根据对 地表热流的统计和计算，地球内部总热量已经基本确 地幔热冷却产 生的热量 17 TW （8 ～ 18 TW） 地核冷却产生 的热量 9 TW （4 ～ 14 TW） 定为 46±2TW（1TW=1012W）。然而，除地壳生热外， 地热其他各项来源的不确定度远远大于地热总量的不 确定度（图 1）。此外，放射性地热所占的比例、放 射性元素在地幔中的分布及这些元素如何在地下积聚 热量并如何影响地幔对流活动等这些问题也都悬而未 43 图1 地 热 来 源 地 分 布 图： 总 地 热 和 地 壳 生 热 已 经 基 本 确 定，但是其他各项的争议很大 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 球中微子来测量地球内部性质，1998 年拉加（R. S. 酸盐地球模型（BSE）认为放射性地热有 20TW，然 Raghavan）等和罗斯查尔德（M. Rothschild）等提出 而根据目前的地球化学和地球物理数据，也不能排除 日本 KamLAND 实验和意大利 Borexino 实验测量地 放射性地热在地球中占的更多。如前所述，地球中微 球中微子的可能性。在利用粒子物理方法研究地球年 子的通量和放射性地热是直接相关的 , 通过测量地球 龄问题的一个多世纪之后，物理学家和地学家又一次 中微子通量可以得到放射性地热占地球内部总热量的 重新携手解决科学问题，这开创了粒子物理和地球科 比例。 2）检验不同的地球化学模型 : 目前地球化学 BSE 学领域研究和应用的新局面。 模型是与观测数据最一致的地球化学模型， 但是， 二、地球中微子概述及探测方法 地球中微子（geo-neutrino）是地球内部放射性元 它与根据陨石确定的宇宙化学 BSE 模型的差异还存在 素天然 β 衰变产生的反电子中微子（ve）。中微子是 争议。地球化学 BSE 的数据都是基于地壳的以及上地 构成物质世界的最基本的单元之一，在自然界广泛存 幔的，而未包含深层地幔，因此放射性元素全部的丰 - 在，除地球中微子外还有如太阳中微子、大气中微子、 度无法建立在观测数据上。地球中微子从地球内部穿 出并携带地球内部整体的放射性元素的信息，通过测 反应堆中微子及超新星中微子等。 地球内部的放射性元素如 238U、232Th 和 40K 释放 丰度是许多地球物理和地球化学建立的用来描述地球 地球中微子的衰变公式如下， 238 206 232 208 - 内部的复杂过程的一个重要的输入量，因此通过地球 - 中微子的测量可以检验不同 BSE 模型及其他地球化学 U→ Pb+8α+6e-+6νe+51.7MeV， - Th→ Pb+6α+4e +4νe+42.7MeV， - K→40Ca+e-+νe+1.31MeV。 40 量地球中微子的通量可以得到放射性元素的丰度，其 （1） 模型。 这三种核素在衰变过程中释放地球中微子的同时还释 3）测量来自地幔的放射性地热：目前世界最深 放出能量，地球中微子通量（单位时间单位面积产生 的钻孔在 12km 左右，无法直接取得深层地幔的样品。 的中微子数目）和放射性能量以固定的比例释放，它 目前对地幔的估计主要是基于宇宙化学 BSE 模型参 们之间的联系如下： 数，此模型认为地幔深层的放射性元素的丰度要远远 L=7.64×m(U)+1.62×m(Th)+27.10×10-4×m(K)， 大于从上地幔取得样品所测量的丰度。地球中微子通 HR=9.85×m(U)+2.67×m(Th)+3.33×10-4×m(K)。 （2） 量是估算地幔放射性元素的最好方法，但是为了提高 其中 L 是地球中微子的亮度，单位是 1024s-1，HR 是放 其探测精度，还需要更多的来自全球不同地方的地球 射性元素衰变产生能量，单位为 1012W，m（U），m（Th）， 中微子观测数据。有科学家提议将中微子探测器放在 m（K）分别为 U、Th、K 相应同位素的质量，单位 远离大陆壳层的地方，如放在海洋壳层中 ( 含有很少 为 10 kg。从公式（2）可以看出它们均和放射性元素 的地壳放射性元素 ) 可以更精确地探测来自地幔的放 的含量相关，并且成一定比例。因此可以通过测量地 射性地热。 17 球中微子的通量获得放射性元素衰变能量的信息，进 4）地核是否是个类反应堆：地球化学家对于地 而得到放射性地热的比例。这样，地球中微子就成了 核是否含有裂变元素有较大争议。有些观点认为地核 探测地球整体及深层信息的一个新手段，利用它可以 中大概有 20TW 的热量存在。如果地核中真的存在类 解决如下科学问题： 似反应堆裂变出的中微子，那么测出的反电子中微子 1）放射性元素衰变对地热的贡献：虽然目前总 的地热准确到 46±2TW，但是对于地热的来源（地球 谱应和商业堆来的一样。可通过探测反电子中微子的 方向来区分来自商业堆和地核的裂变中微子。 早期残热、放射性元素衰变及重力势能转化热量）及 地球中微子与其他从地球发出的信息如地热或者 各部分对地热的贡献还没有解决。从地壳中观测的数 惰性气体是不一样的，它是独一无二的，它可以从地 据可以推出地壳放射性地热至少有 6TW。地球化学硅 球内部瞬发出来并且几乎不与其他物质相反应，到达 现代物理知识 44 地球表面的地球中微子通量大概为 106 个 /cm2/s，但是 对它们的探测非常困难。这是因为反电子中微子与物 质的相互作用只是弱相互作用，反应和探测的几率都 很小。反电子中微子可和液体闪烁体中的质子发生反 应如公式（3）， ve+p→e++n-1.806MeV， ----------------------------- （3） 其 反 应 截 面 在 2MeV 为 3.3×10-44 cm2，3MeV 下 会 多 一个量级。反 β 衰变的阈能为 1.806MeV，这样从 40K 衰变而来的地球中微子就不能被探测到，因其最大的 每 MeV 每核素产生的反电子中微子数目 中微子研究与进展 10.00 5.00 1.00 0.50 0.10 0.05 0.5 1.0 变而来的最大的能量均超过反应阈值是可以通过公式 地球中微子有可能和安装在地下千吨量级的探测器相 2.0 2.5 3.0 能量 Eγ（MeV） 能量在 1.31 MeV 左右（图 2）。而从 238U 和 232Th 衰 （3）反应被探测到的。因此 238U 和 232Th 衰变产生的 1.5 图2 从 238 U， 232 Th 和 40 K 衰 变 而 来 的 反 电 子 中 微 子 的 能 量 分 布。 浅 黑 实 线 是 238 U 衰 变 产 生 的， 红 色 点 划 线 是 232 Th 衰 变 产 生， 它 们 均 可 被 反 β 衰 变 反 应 而 被 探 测 到， 蓝 线 是 由 40 K 衰变产生，它因阈值低不能被探测到。竖黑线为阈值 1.8MeV 互作用而被探测到。 三、目前和地球中微子相关的实验研究现状 数据 反应堆中微子 固定 U/Th 质量比下的最佳拟合曲线 22 第一次给出了捕捉到地球中微子的信号，收集了 749 +19 个地球中微子事件，表明了探测地球中微 天共有25-18 子的可能性，发表在《自然》杂志上，并为当期杂志 的封面。随后位于意大利格兰萨索地下国家实验室 Borexino 合作组，也公布了探测到的地球中微子的信 号，并于 2015 年又一次发表了最新的研究结果，收 集了 2055.9 天的数据共有 77 个事件（图 3）。 事例数 /233 p.e./907 吨 × 年 在 2005 年，位于日本富山的 KamLAND 实验组 20 18 16 不固定 U/Th 质量比下的 U 能谱拟合曲线 不固定 U/Th 质量比下的 Th 能谱拟合曲线 14 12 10 8 6 4 2 0 500 尽管这两个实验组证明了探测地球中微子的可能 1000 1500 2000 2500 3000 3500 快信号能量（p.e.） 性，但是还存在以下的困难： （1）目前存在的中微子探测器太小，捕捉到的 图3 Borexino 实验组 2015 年最新公布的从运行 2056 天 的实验数据中提取出的地球中微子和反应堆中微子能谱 地球中微子统计信息太少，无法区分不同的地幔模型。 KamLAND 的 液 闪 探 测 器 为 1000 吨，Borexino 仅 有 Th 衰变链，因为过低的统计量，造成根据不同的能谱 300 吨。地幔内放射性元素的含量不依赖于实验地点， 分开 U 和 Th 的贡献比较困难。 因此可将世界上现在有能力测量地球中微子的实验数 （2）目前所有的探测器无法提供准确的入射中 据合并分析地幔放射性元素生热。最近 KamLAND 和 微子方向信息，因此无法判断地核是否存在裂变元素 Borexino 实验联合分析给出地幔中 U 和 Th 放射性元 及精确区分来自地壳和地幔的地球中微子等问题。 素的含量在 1σ 范围内是 R（Th + U，mantle）~ - 23± （3） 迄 今 为 止 可 以 测 量 地 球 中 微 子 的 仅 有 10 TNU（Th/U ∈ [1.7，3.9]）（TNU 是地球中微子的 KamLAND 和 Borexino 两个实验点，这对于解决地球 测量单位，表示在 1 年内 1 千吨液闪中可测到的地球 科学的问题是不够的，只有全球上更多的可探测地球 中微子数目）。尽管联合实验数据大大提高了测量精 中微子且具有不同地质条件实验点的结果相结合，才 度，但是它们的精度还是无法达到区分地幔模型的要 能更好的区分依赖于实验点的地壳地球中微子的贡献 求。80% 的地球中微子来自 U 衰变链里，20% 来自 和不依赖于实验点的地幔地球中微子的贡献。 45 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 四、正在提议的测量地球中微子的实验 除了上面已经探测到地球中微子的两个实验以 地幔中微子的测量精度，甚至可以解决地核中是否有 裂变元素的存在的争议话题。 外，第三个即将取数的位于加拿大萨德伯里的 SNO+ 目前正在提议还可以有能力测量到地球中微子的 实验将用 1000 吨液闪来探测地球中微子，因萨德伯 实验如下：一是 LENA 探测器，它是已经在欧洲讨论 里的特殊地理位置，SNO+ 的测量将对古大陆板块的 了很多年的实验，将会建造一个 50 ～ 100 千吨液闪 地壳位置的测量有着重大意义。 的大型闪烁体探测器，位于慕尼黑的 LENA 研究中 我国的江门地下中微子实验（JUNO）将有望成 心已经做了很多方面的研究，但是在 JUNO 立项后其 为第四个能探测到地球中微子的实验。JUNO 是一个 建设的可能性非常小。第二个是 Dutch 南非组提出的 国际领先的中微子实验站，以测定中微子质量顺序、 EARTH 实验，是将多个探测器放入 Isalad of Cruacao 精确测量中微子混合参数，并进行其他多项科学前沿 地下实验室里，但是具体的探测器设计及性能还没 研究。JUNO 于 2015 年开始建设，计划 2019 年底建 有出。另外将中微子探测器放在远离大陆地壳的海 成 , 这样 2020 年 JUNO 将以目前所存在探测器 20 倍 洋里对地幔中微子的探测也是非常有帮助的，目前 的重量加入到探测地球中微子的行列，JUNO 第一年 有 Hawaii 合作组提出的 Hanohano 实验就是为此目的 取的数据将达到 400 个地球中微子事件，将比现有实 所提的实验。最近，我国正在提出的锦屏二期的地下 验数十年所取得的数据还要多。毫无疑问 JUNO 具有 中微子实验也有望将地球中微子列为其主要的研究目 高统计量、高能量精度测量地球中微子的能力，与其 标，锦屏因其本底少并且地处厚地壳处，是对来自地 他地球中微子探测实验相比它的优势体现在以下几个 壳的地球中微子研究的绝佳位置，并且大量的中微子 方面 : 是来自青藏高原，可以对青藏高原附近地质的迁移提 （1）JUNO 实验站位于广东省江门地区，而广东 供研究手段。 省位于欧亚大陆的东南缘，与现代洋陆俯冲带的距离 综上所述，对于地球中微子的研究需要地球学家 甚远，但是该地具有非常复杂的地质结构和构造热演 和物理学家的携手合作才能更好地测量和检验地球内 化历史。中生代以来，该区岩石圈明显减薄，火山岩 部深层结构和成分。特别是到 2020 年，江门地下中 浆活动频繁，花岗岩广泛存在，而该区大地热流也明 微子实验运行之后采集一年的数据将比目前实验存在 显偏高。因此 JUNO 提供的地球中微子信号的测量可 的数据 10 年还多，锦屏地下实验将提供最少本底的 以为广东地区地热的分布及测量精度提供可靠的实验 地球中微子信号以及对青藏高原附近地质迁移的研究 依据以及深入认识华南地区的构造演化过程和中国东 提供新手段，这些中微子的观测站提供了解决困扰科 部的岩浆构造活动提供机理； 学界多年的难题的机会，更为重要的是为中国地球科 （2）来自 U 和 Th 的地球中微子区分主要靠能 谱的不同，JUNO 的大统计量使得将 U 和 Th 能谱的 学家和物理学家携手站在科学的前沿领域合作提供了 机会，再一次开创跨学科合作研究的新局面。 高精度区分成为可能，从而 JUNO 提供一个精确测量 地球中 U 和 Th 比例的机会； （3）如前所述，地幔中的地热是研究的热点， 而目前所存在的探测器因统计量和能量精度问题无法 区分不同模型。JUNO 以其大统计量高能量精度的优 势可能会提高地幔中微子的测量精度，从而有机会区 分不同的地幔模型； （4）JUNO 的高统计量也会为提高中微子入射方 向的测量精度，入射中微子方向的测量可进一步提高 现代物理知识 46