プレートテクトニクス (plate tectonics)

話題は [地球内部の構造、地震、地震波の伝搬]からつづく。

今回の図表への参照箇所は、とくにしめさないものは、第2章です。

地球内部の層構造

図表 66ページ[1]「地球の層構造」、67ページ[2]「地球の内部の区分」

(つぎの図はHTMLのtable機能をつかいました。 左の列の「上部マントル」と右の列の「リソスフェア」が部分的にかさなっているようにしたかったのです。 ブラウザによってはそう見えませんが。)

区分について

• 「地殻+マントル」と核 (外核+内核) とのちがいは、物質のちがいである。地震波速度もちがう。 (さらに、外核は液体なので、マントルと外核の境で、地震波の伝搬にはあきらかな不連続がある。)
• 「地殻」と「マントル」との境は、地震波の伝搬にとっての不連続面であり、地震波の屈折や反射がおこる。 岩石の種類(組成または結晶構造)のちがいと考えられる。
• 「リソスフェア」「アセノスフェア」は、地震波の伝搬から推定された、そこにある物質の弾性的性質のちがいである。 いまでは、プレート運動を可能にする構造として認識されている。 やわらかいアセノスフェアの上を、かたいリソスフェアのプレートが動くのだ。

どこが液体か、流動するか

• 外核は液体であることがわかっている。
• 地殻・マントルは(アセノスフェアもふくめて)固体である。(地震波の S 波(横波)が伝搬できる。)
• しかし、マントル(リソスフェア以外)はゆっくりと変形し流動する (氷河と同様な固体の流動である)。そして、マントルでは、対流がおきている。
• 地殻・マントルのうちで、岩石(おもにケイ酸塩)が溶融している(液体である)小部分がある。 それがマグマである。(図表 97ページ [3]「マグマの発生」)

プレートテクトニクスの基本的認識

リソスフェアとアセノスフェア (図表 67ページ [2 A]「区分のしかた」)

上部マントルのうちに「アセノスフェア」という、わりあい変形しやすい部分がある。

その上にある上部マントルのうちの上部と地殻がいっしょに「リソスフェア」として動く。

リソスフェアはプレートにわかれる (図表 73ページ [2] 「プレートの分布」)

地球の球殻を構成するリソスフェアは十数枚のプレートにわかれ、 (厳密ではないが、よい近似として) それぞれのプレートは変形せず、 球面上を動く(なんらかの軸のまわりを回転する)。

リソスフェアの変形は、プレートの境界に集中しておこる。

【リソスフェアをプレートにどうわけるかについては、 専門家のあいだでも一致しない部分もある。 たとえば、中島(2018)では、ユーラシアプレートからアムールプレート、 北アメリカプレートからオホーツクプレートを、それぞれ区別している。】

プレートの境界

図表 73ページ[3]「プレートテクトニクス」の図、74-75ページ「プレートの境界」

• 1. 収束境界 (せばまる境界)
  • 1-a. 沈みこみ境界 ... 海溝と島弧。例、日本海溝と東北日本。
  • 1-b. 衝突境界 ... 例、ヒマラヤ。(台湾にも衝突境界があると考えられている。)
• 2. 発散境界 (ひろがる境界)
  • 海嶺[かいれい]、例、大西洋中央海嶺 (アイスランドはこれが海面上に出たところ)。
  • (アフリカ大地溝帯は、発散境界ができかけているところと考えられている。)
• 3. すれちがう境界 ... 「トランスフォーム断層」。例、カリフォルニアのサンアンドレアス断層。

「大陸移動」「海洋底拡大」そして「プレートテクトニクス」への認識の発達

大陸の海岸線の形の類似、 各時代の生物化石の類似した種類の分布、 各時代の化石や氷河の跡などから推定される気候の分布、などから、 大陸が移動したことが示唆された。 アルフレッド・ウェゲナー (Alfred Wegener)が 1915年に『大陸と海洋の起源』という本で 大陸移動説を総合的にのべた (図表 71ページ 「大陸の移動」)。

ここで、古地磁気の知識がくわわる。いったん地磁気の話にうつる。

地磁気 (図表 2章 64-65ページ)

• 各地点での磁場は、3次元ベクトルで表現できる。 それは、ベクトルの大きさ(全磁力)と2つの角度で表現することもできる。 2つの角度としては、鉛直面内の角度「伏角」と、水平面内の角度「偏角」をつかう。 偏角は、磁力の向きが、(地球の自転軸できまる)南北からどれだけずれているかである。
• 現在の日本の関東地方あたりでは、偏角は、西へ7～8度である。 (磁針が北よりも7～8度西を向く)。
• 地球の磁場は、「双極子磁場」(1本の磁石のつくる磁場のようなもの)で近似できる。 (自転軸の)北極の近くに磁気のS極、南極の近くにN極がある。 (南北が逆になっているのは、磁針について、北を向くほうをN極と呼んだからである。)
• 地磁気は変化している。(65ページ [3 B] 「地磁気の永年変化」) たとえば、日本の茨城県の柿岡での偏角は、現在は西7度だが、 1800年ごろはほぼ0、そのまえは東寄りだった。 (65ページ [3 B] の偏角は西日本のばあいだが、ほぼ同様。)
• さらに古い時代の地磁気は、岩石の残留磁気からわかる。 火成岩のばあいは、マグマ(溶融した岩石)からひえる過程の、ある温度のときの地磁気による磁化を記録している。 これによって、20世紀のはじめのフランスのブリュン (Brunhes、ブルン、ブルンヌ などとも書かれる)、ついで日本の松山 基範[もとのり]が、 地磁気は逆転をくりかえしてきたことを認識した。 それを記念して、地磁気の逆転の時期にブリュン、松山などの名まえがつけられている。 258万年まえから78万年まえまでが「松山逆磁極期」、78万年まえから現在までが「ブリュン正磁極期」。
• 比較的短い(数千年程度)時間で逆転する地球磁場は、 永久磁石のようなしくみでは、説明しにくい。 外核の液体金属の運動にともなって電流が流れ、それによる電磁石のようなしくみで磁場ができている、 という形で説明可能である。 電流ができるところが発電機とにているので、この理屈を「ダイナモ理論」という。
• 太陽からは、電磁波(光子)のほかに、陽子などの荷電粒子の流れが出ている。 これを「太陽風」ということがある。 太陽風は、磁場の磁力線にそって流れやすい。 地球には磁場があるので、太陽風粒子は、南北の磁極付近以外のところでは、地球にあまりちかづかない。 (図表 1章 34-35ページ「太陽活動と地球」 とくに 35ページ [3] 「太陽風」の図を参照)。 地球上で生物が進化するうえで、磁場によって太陽風からまもられていたことが有益だったと考えられている。 ただし、南北の磁極付近では荷電粒子が降ってくる。これが大気分子と相互作用して光を出すのがオーロラである。

「大陸移動」「海洋底拡大」そして「プレートテクトニクス」への認識の発達 (つづき)

岩石に残る残留磁気によって、地磁気は逆転をくりかえしたことがわかった (図表 65ページ [3 C]「地磁気の逆転」)。 それを考慮したうえ、その地点の過去の地磁気緯度を推定し、 当時の極の位置を推定すると、ちがう大陸にもとづく極の位置の経路は一致しない。 このことから、大陸は相互に位置を変えてきたことがわかった (図表 77ページ [3]「磁極の移動」)。

1960年ごろ、海底の地磁気には規則的な縞[しま]もようがみられることがわかった。 これは、中央海嶺の火山活動で海洋地殻がつくられて両側にひろがっていったものである。 海洋地殻の玄武岩ができたときの地磁気の向きが残留磁気に残るので 地磁気の逆転の歴史が記録されている。 これによって、海洋底が拡大していることと、拡大の速度がわかった。 また、トランスフォーム断層も認識された。 現在の海洋底は、古いものでも年齢が2億年以内である (図表 76ページ [1]「海洋底拡大説」)。

ウェゲナーのころは、海洋地殻の上に大陸地殻が浮いて動くという考えもあったが、 地震、火山、岩石物性などの研究が進んで、 アセノスフェアの上を、海洋地殻と大陸地殻をのせたプレートが動くと考えられるようになった。

マントル対流

地球内部は地球形成初期からもっているエネルギーによって、宇宙空間よりはかなり高温である。 地球は宇宙空間に向けてエネルギーを失う。 (地球内部から大気・海洋に向けて地殻熱流量があり、大気が宇宙空間に電磁波としてエネルギーを出す。) そこで、地球内部は、上からひやされる形になり、 大部分の物質は温度が低いほど「重い」(同じ圧力にもってきたときの密度が大きい)ので、 上下の物体が入れかわるような運動が生じる。

なお、高温をつくる要因としては、 地球内部にふくまれた放射性核種の壊変によるエネルギーも加わる。

プレートテクトニクスは、マントル対流が地球でとっている形態である。 是永 (2014) の議論によれば、惑星のマントル対流では表面付近が動かない殻になってしまうほうが 通常であるらしく、なぜ地球ではプレートテクトニクスの形をとるのかは、まだ明確になっていない。

地球のマントル対流では、プレートテクトニクスのほかに、 マントル下端 (コア・マントル境界)から高温のものがあがってくることや、 逆にマントル下端にむけて低温のものがさがっていくことがおきている。 (このことは、たくさんの地震波の観測をあわせて、 地球内部の地震波速度の分布を知ることによってわかった。) 持続的な上向きや下向きの流れをもつ対流現象をプルームまたはプリューム (plume) といい、 マントルでこのようなことがおきていることを「プルームテクトニクス」という (図表 78ページ「プルームテクトニクス」)。

火山の分布とプレートテクトニクス

図表 72ページ [3 C]「火山の分布」、96-97ページ「火山の分布とマグマ発生」

• プレートの発散境界 ... 中央海嶺。火山岩はおもに玄武岩。
• プレートの収束境界
  • しずみこみ境界 ... 島弧。火山岩は安山岩が比較的多い。(富士山は玄武岩。図表 94-95ページ「富士山の科学」)
    • 環太平洋火山帯は、プレートのしずみこみ境界の付近に火山が分布する。 (横ずれ境界の部分には火山が集中することはない。)
    • 2021年12月5日、インドネシアのジャワ島のスメル (Semeru) 山が噴火している。 これも環太平洋火山帯の一環。
    • 日本では、海溝や(それに準ずるものである)トラフ(trough)から島弧側に 200～300 kmのところ、 つまり、しずみこんだプレートの深さが 100 km ぐらいになるところに「火山フロント」があり、 それより海溝側には火山がない (図表 96ページ [2]「日本の火山分布」)。 これは、島弧でマグマの発生する条件(図表 97ページ [2] 「マグマが発生する場所」)と関連している。
• ホットスポット ... プレート境界ではない。プレートにとっては内部。 プルームテクトニクスの上昇プルームによってマグマがつくられていると考えられている。 (図表 77ページ [2]「火山島の移動」に、ホットスポットによってつくられたと考えられている火山島の例。) 火山岩はおもに玄武岩。

地震の分布とプレートテクトニクス

図表 72ページ [1 B]「震源の分布」、 82ページ [1 A] 「沈み込むプレート付近で起こる地震」、 [1 B]「日本の震源分布と地震の種類」、 84-85ページ 「地震の分布とプレート境界の地震」)

地震(震源でおこること)について

世界の地震のすべてではないが大部分はプレート境界でおこっている。 収束境界、発散境界、すれちがい境界それぞれに、特徴的な地震のおきかたがある。

収束境界のうち しずみこみ境界では、震源の深さが 100 km 以上 (660 km 以下)の「深発地震」がおきる。

日本付近の深発地震の分布は、海溝から大陸にむかって深くなる面状になっている。 (和達[わだち] 清夫 が1920～30年代に示した。 図表 84ページ [B]「日本の地震分布」、3章 162ページ [1 B]「東北日本の断面」参照。) しずみこむ海洋プレートと押される大陸プレートの境界で地震がおきやすいと考えられている。

地震波の伝搬と地震動について

深発地震や、海溝付近でおきた地震では、 地震動の分布(震度の分布)が、震央(震源のまうえ)を中心とする同心円状とはかけはなれたものになることがある。 これを「異常震域」ということがあるが、異常事態ではなく、 地震波が海洋プレート内は減衰が少なくつたわるが、アセノスフェアでは減衰が多いという事情のもとでは 正常なできごとである。(図表 81ページ [4 B]「異常震域」)

(いわゆる「異常震域」の例) 2019年7月28日 日本時間 3時31分ごろ、三重県南東沖 深さ約420 kmで地震がおきた。 この地震の震度は東日本で大きく、最大になった地点は宮城県にあった。 三重県では有感にならなかった。

• [外] 気象庁 「各種データ・資料 / 震度データベース検索 （地震別検索結果）」 [2019/07/28 03:31:06.7]

日本付近で発生する地震

(図表 82ページ [1]「震源分布による地震の種類」; 中島 2018)

• プレート境界地震 ... 大規模 (マグニチュード 8, 9 になりうる)。だいたい同じところで数百年ごとにくりかえす。(ただし明確な周期があるわけではない。)
• 大陸プレート内地震 (内陸型地震)
• 海洋プレート内地震 ... 大規模になりうる。(深発地震、「異常震域」になるものもある。)

地震のマグニチュードについては、図表 82ページ [2]「地震のエネルギー」、83ページ [3] 「マグニチュードと震度」。 本来はエネルギーの尺度ではないが、地震にともなうエネルギーに対応する。 (マグニチュードは、エネルギーの対数に比例する。) マグニチュードが2ふえるとエネルギーは千倍。 マグニチュードが1ふえるとエネルギーは約32倍。

地震と断層

ほとんどの地震は、震源で断層がうごいている。 (既存の断層のばあいと新規にできるばあいがありうるが。)

• 断層 ... 図表 3章 128ページ [1]「断層」
• 地震の発生と断層 ... 図表 80ページ [1 A]「地震の原因」、81ページ [3]「押しと引き」

地震断層、活断層

図表 86ページ [1]「内陸で起こる地震」、 87ページ [2] 「活断層」、88-89ページ「活断層」

• 「地震断層」という用語は、震源断層が地表に出ているばあいにつかう。
• 「活断層」はその地震断層のうち、「最近」動いた証拠があり、また動く可能性があるとみとめられるもの。
• ここでいう「最近」は13万年前以後(更新世後期および完新世)とすることが多い。 13万年前は、第四紀の氷期サイクルのうちで、現在よりひとつまえの間氷期(海面が高かった時期)。

活断層は、内陸地殻内地震をおこす断層であることが多い。(かならずそうだとはかぎらない。)

地震災害 (図表 91ページ [1]「地震災害」、92-93ページ「地震災害への備え」) との関係

• 地震のゆれのリスクを考えるうえでは、活断層ばかりを警戒するのではなく、地表に出ていない断層のことも考えるべき。
• 活断層があると、地震のゆれのリスクのほかに、建物がひきちぎられるような災害のリスクがある。

地震と地殻変動

地震にともなって地殻変動が起こる。 (図表 3章 131ページ右下の「参考」に、2011年3月の東北地方太平洋沖地震の前後での水平変位がしめされている。)

日本のうち、太平洋側の海溝やトラフに面した海岸付近では、地殻変動につぎのような特徴が見られるところが多い。 (図表 90ページ「地震にともなう地殻変動」の三浦半島の油壷はその例)。 そのような変化がなん万年もつづき、段丘地形として見られることもある。 (ただし海岸の段丘地形ができたしくみには氷期サイクルにともなう海水準変動もある。)

• プレート境界型地震のとき(数百年に一度)、大きく隆起。
• ふだんはゆっくり沈降。
• 平均すると隆起。

日本でのプレートテクトニクス説の受容

日本の地球物理学者、とくに地震学者は早くプレートテクトニクスをうけいれた。 傾いた深発地震面が、海洋プレートの沈みこみと、うまく対応していた。

日本の地質学者がプレートテクトニクスをうけいれるのは、 世界の地質学者のうちでも遅かった。 日本のような島弧の地層や岩石の配置をプレートテクトニクスによって説明することはむずかしかった。 しかも、プレートテクトニクスにしたがうと沈みこみ境界付近での地層がどうなるべきかの 「正解」もよくわからなかった。 「付加体」(図表 3章 130ページ [2 A]) の概念ができて、やっと対応をつけることができた。(堤 2014 の第2章参照)

参考書

• 是永 淳 [これなが じゅん], 2014: 絵でわかる プレートテクトニクス。講談社。 ... わたしの地学概論のたちばでは、前半のプレートテクトニクス総論、学説史、それからマントル対流の基本のところが有用。 後半は研究者として関心のあるところをかたっている感じ。 [読書メモ]
• 堤 之恭 [つつみ ゆきやす], 2014: 絵でわかる 日本列島の誕生。講談社。 [2021年5月に新版が出たが、わたしはまだ見ていない。] ... プレートテクトニクスを前提とした日本列島付近の地質学。 日本列島の大きな地質構造ができてきた歴史とメカニズムの解説。 わたしの地学概論のたちばでは、第1部のプレートテクトニクスと「付加体」の説明が有用。 [読書メモ]
• 中島 淳一, 2018: 日本列島の下では何が起きているのか (ブルーバックス)。講談社。 ... プレートテクトニクスを前提とした日本列島付近の地球物理学。 日本列島付近の地震の分布、火山の分布とそのしくみが説明されている。 わたしの地学概論のたちばでは、第1章のプレートテクトニクス入門と第2章の地球の大構造の説明が有用。 [読書メモ]
• 上田 誠也, 1971: 新しい地球観 (岩波新書 青版)。岩波書店。 ... 海洋底拡大説ができたばかりで、プレートテクトニクスがつくられる途上だったころの、 古地磁気と地殻熱流量を専門とする研究者による解説。 わたしは少年時代に読んですなおにうけいれてしまったのだが、 研究によって知識体系が変わっていくことに感銘をうけた人もいる。