３．地球内部の構造と運動
c. 地球内部の運動
外核の対流と地球磁場
地球磁場
地球磁場は、地球の中心に大きな磁石を置いた場合と類似
北に向いてS極、南に向いてN極
磁極は自転軸にほぼ沿うが、自転軸とは完全には一致しない
現在も10°以上ずれていて、数百年の周期で変動する
磁石が作る磁場（双極子磁場）で説明できない部分もある
磁場のNS方向は反転を繰り返してきた
古い岩石の帯磁方向から分かる
逆転の時間間隔はかなり不規則
最も新しい逆転は約80万年前、最近500万年間は平均約20万年毎に逆転
地球磁場の原因
地球内部の高温の状態では、磁石は存在できない
外核はFeを主成分とする液体金属；電流を流す導体の液体
液体の流れ易さは水と同じ程度
外核に存在する導体の流れが、地球磁場の原因
磁場を作るメカニズム：ダイナモ理論
外核に熱対流、対流は自転によるコリオリ力の影響を受ける
導体が動くと、誘導電流が生じ、磁場が発生する
磁場、電流、対流は、相互に作用し合って、自励的に保持される
磁場の反転は、何らかのきっかけで、流れの方向が逆になるため
惑星や衛星に磁場があれば、それは液体の核の存在を示すものと理解
Q. 磁石は、温度を何度くらいまで上げると、磁化を失うか？
マントルの流動
固体の変形や流動
固体は通常の条件で弾性変形をする
力（応力）を加えると変形（歪）が生じ、除くと解消される
弾性波（縦波と横波）が伝播する
力（応力）を強く加えると、破壊する
固体も流動して永久変形することがある；金属の板、蝋
実験室での岩石の変形実験
温度が高くなり、融点にかなり近づくと、流動が検出できる
流動性（粘性率）は、強い温度依存性をもつ
マントルは高温なので、力が加わるとゆっくりと流動する
固体地球で観測される流動（図：後氷期のローレンタイドの隆起）
山脈の褶曲；水平に堆積した地層が、強く曲げられる
氷床後退後の地面のゆっくりとした隆起
約1万年前に氷の荷重が取り除かれ、地殻が流動しながら変形を解消
流動の速度は極めて遅い；数cm/年の程度
[参考]流動性は粘性率（粘度）で表現
粘性率（= 応力/歪速度）は、流動のしにくさを表す
粘性率の目安
マントル：1020 Pa.s 外核：10-3 Pa.s
玄武岩質マグマ：103 Pa.s 流紋岩質マグマ：1011 Pa.s
水：10-3 Pa.s 空気：10-5 Pa.s
Q. マントルは地震波を伝え、なおかつ流動もする。
弾性と流動がどのような条件で起こるか考えよ。
海底地形（図：世界の地形）
海底は、全体としてはかなり平坦な面
平均的な深さは5km程度。島や海山などの起伏もある
海嶺、海溝など、海底全体にわたる大きな構造が見られる
海嶺
相対的に浅い部分；深さは約2.5〜3km
海底を横切って、峰状にどこまでも続く；長さは数千kmかそれ以上
海嶺から離れるにつれて、海底は徐々に深くなる
深さの分布は、海嶺の両側でほぼ対称
海溝
太平洋を囲んで、大陸の淵に深い溝
インド洋、地中海などにも存在
大西洋には、一部を除いて存在しない
深さは場所による；最深部で11km
Q. 日本付近の海底地形には、どんな特徴があるか？
海底の形成年代（図：海底の年代）
海底の年代
海底から火山岩を採取
放射性元素を使って、火山岩ができた年代を測定
海底の年代の分布に顕著な特徴
海嶺付近の火山岩は若い。できたばかり
海嶺から離れるにつれて、火山岩の年代は古くなる
年代分布は、海嶺の両側でほぼ対称
海溝付近の火山岩は極めて古い
海底の年代分布は、1960年頃に地磁気の観測から最初に決められた
岩石は、形成時にその時の地球磁場の方向を反映して磁化する
地球磁場の反転に対応して、磁化方向が変化し、海底に縞模様
Q. 海底の磁化は、どのような方法で測定するか？
[参考]放射年代測定法
放射性崩壊が一定の割合で進行することを利用
マグマから岩石ができるときに、同位体比が固定
その後、放射性元素の崩壊が起きて、同位体比が変化
質量分析計でその量を測と、マグマができた年代が分かる
カリウム・アルゴン法の例： 40K → 40Ar 半減期：1.25×109 年
岩石ができるとき、Arなどのガス成分はマグマから抜ける
その後、ガス成分は固結した岩石中に保持
40Arの現在量から、岩石がどのくらい前にできたかが分かる
実際には、同位体比40Ar/36Arで決める
（40Kは質量数が40のカリウム。圧倒的に量が多いのは39K）
下図：杉村・中村・井田編「図説地球科学」（岩波書店）より
海底の拡大（図：海嶺、トランスフォーム断層、海溝）
海底拡大説
海嶺では、火山の活動によって、新しい海底がマグマから造られる
それ以前に作られた海底は、両側に移動し、海底は拡大する
この過程が繰り返されて、海底ができる
海底の年代は、海嶺からの距離とともに古くなる
海嶺からの距離と年代の関係から、海底が移動する速度が求まる
移動速度は、数〜十数cm/年
大陸に出会わずに海溝まで続く海底では、移動速度は10cm/年程度
海溝に出会わずに大陸に達する海底では、移動速度は数cm/年
地球の表面積は一定に保つ必要
海嶺で作られた面積の分だけ、海底は海溝で消失すると理解
海嶺は一続きではなく、細かく分断されている
海嶺を分断する部分では、拡大を埋め合わせる横ずれが起きている
これをトランスフォーム断層とよぶ
Q. トランスフォーム断層の地形は、段差のついた崖になる。何故か？
地震と火山の分布
地震の震源は、大部分が世界の特定な場所に集中（図：世界の地震の分布）
海嶺とトランスフォーム断層に沿って、ほぼ線状に分布
海溝の陸側には、震源は帯状に集まる
火山も、世界の特定な場所に集中（図：世界の火山の分布）
海溝の陸側に、ほぼ線状に分布
海嶺に沿う海底火山で、新しい海底が形成される
潜水艇で、海嶺軸に溶岩や熱水が観察される（図：海嶺）
熱水のまわりには、陸上とは異なる生物群が生息する
震源や火山は海嶺と海溝付近に集中し、トランスフォーム断層に地震
これらの場所には歪やマグマが局在し、地震や噴火が起こる
それ以外の場所は、地震や火山の活動が低調
下図：E.J.Tarbuck & F.K.Lutgens "Earth"（Prentice Hall）より
Q. 海嶺の生物は、生存のためのエネルギーをどこから得ているか？
プレート
海嶺、海溝、トランスフォーム断層には、変動が集中
それ以外の場所は、変動をほとんど受けない
この変動の少ない部分をプレートと呼ぶ
プレートは、海嶺で作られて海底を移動する
海溝で沈み込むものもある
大陸を乗せて移動するものもある
プレート同士は、海嶺、海溝、トランスフォーム断層で接する
海嶺、海溝、トランスフォーム断層は、プレートの境界
海溝付近の地震（図：日本列島付近の震源分布）
震源の分布は非対称で、海溝の陸側に偏っている
地下に沈み込んだプレートの延長上に、深発地震が発生
海側のプレートは海溝で地下に沈みこむが、陸側は沈み込まない
海洋地殻は沈みこむが、大陸地殻は沈み込まない
大陸地殻と海洋地殻は性格が異なる
Q. 海嶺、海溝、トランスフォーム断層を境に、プレートはどう動くか？
大陸地殻と海洋地殻
大陸地殻と海洋地殻は、厚さや形成年代が全く異なる
両方ともマグマから造られるが、形成環境が異なる
海洋地殻は、海嶺で形成され、海溝で地球内部に戻る
大陸地殻は、一度形成されると、地球表面に留まる
初期に中核部（クラトン）が造られた後、まわりに徐々に成長
大陸と海洋の差は、地殻より下のマントルにも及ぶ
海洋地殻 大陸地殻
厚さ 5〜8 km 20〜70 km
形成年代 2億年前〜現在 38億年前〜現在
化学組成 マフィック マフィック〜フェルシック
構造 上 堆積岩 堆積岩、各種火山岩
玄武岩 カコウ岩
下 ガブロ ガブロ
Q. 大陸地殻が沈み込まない理由を考察せよ
プレート・テクトニクス
プレート・テクトニクス：各種の事実を整理し、体系化したもの
地球の表面は、複数のプレートでできている
プレートは、ほとんど変形せずに地表を移動する；剛体で近似
地震や火山の活動は、主にプレートの境界で起こる
プレートの境界は、海嶺、海溝、トランスフォーム断層のどれか
海嶺：新しいプレートが造られ、両側に広がる場所（発散境界、付加境界）
海溝：海底を乗せた海洋プレートが地球内部に沈み込む場所（収束境界）
トランスフォーム断層：２つのプレートが水平にすれ違う場所
プレート運動の特徴
海嶺の活動は対称、両側に新しいプレートを造り、拡大させる
海溝の活動は非対称、海側のプレートだけが地球内部に沈み込む
大陸は、沈み込まずに、地表に存在し続ける
Q. プレートの運動速度を測定する方法を列挙せよ？
プレートの分布（図：世界のプレートの分布、日本付近のプレートの分布）
地震の分布を参照して、プレートの分布を描く
海嶺は、トランスフォーム断層で切られながら、太平洋、大西洋、インド洋などを縦断
海溝は、主に太平洋のまわりに分布
世界には、７大プレートと多数の小プレート
７大プレート
太平洋、ユーラシア、北アメリカ、南アメリカ、アフリカ、
オーストラリア、南極
日本付近のプレート：北アメリカ、ユーラシア、太平洋、フィリピン海
太平洋プレートが北アメリカ、フィリピン海の両プレートの下に沈みこむ
ユーラシア・プレートは、北アメリカ・プレートの下に沈みこむ傾向
下図：竹内均監修「生きている地球」（教育社）より
Q. 太平洋プレートは、どのようなプレート境界に囲まれているか？
大陸の分裂と移動（図：大陸の分裂と移動の歴史）
大陸移動説：昔は大陸が一体だったという考え
大西洋をはさんで、海岸線の形が類似、化石などに連続性
昔存在した唯一の超大陸パンゲアが、その後分裂して移動した
ウェゲナーが1912年に提案
大陸移動説は一時すたれた；運動の原動力などの問題
20世紀半ばに、海底拡大説やプレート・テクトニクスと融合して復活
大陸は分裂して、間に海嶺ができる
海嶺での海底の拡大につれて、大陸は離れていく
大陸移動の詳細
1.8億年前頃：大西洋中部の拡大開始、パンゲアの中部が南北に分離
インド洋の拡大で南極大陸とインドが分裂
1億年前頃：アフリカと南米が分裂
0.6億年前頃：ユーラシアと北米が分裂、インドがユーラシアに衝突
下図：E.W.Spencer "Earth Science"（Mc Graw Hill）より
(a)1.8億年前 (b)0.8億年前 (c)0.3億年前
Q. プレートに運ばれた大陸が、他の大陸に衝突したら何が起こるか
ホットスポット（図：ホットスポット火山の分布）
ホットスポット火山：プレート境界から離れて、孤立して活動
例：ハワイ、レユニオン、イエローストーン
現在活動的な火山は、火山列の終端
そこから離れるにつれて、火山の年代は古くなる
ホットスポット仮説
マントル上部には、高温のホットスポットがあり、地表にマグマを供給
ホットスポットの真上で、火山（ホットスポット火山）が形成
古い火山は、プレートの運動によって次々に運び去られ、火山列ができる
世界中には、数十個のホットスポットがある
ホットスポットの位置は、プレート運動とほぼ無関係に、相互に固定
ホットスポットは、マントル深部に根をもつ
Q. ハワイから始まる火山列は、途中で何故折れ曲がるか？
プレート・テクトニクスとマントル対流（図：マントル対流）
地震波速度のトモグラフィー
マントルの地震波速度の分布が、3次元的に調べられている
高速度は低温、低速度は高温を意味するとして、水平方向の温度分布が推定
海洋プレートの下に低速度層
プレートを動かす潤滑層アセノスフェアが存在
低速度層の始まる深さから、海洋プレートの厚さは数十〜100km
大陸の下では、低速度は余り顕著でなく、深さも深い
大陸を乗せたプレートの運動速度が遅い理由
プレート・テクトニクスとマントル対流の関係
海嶺の下には低速度層が発達しているが、マントルの上部に局在
海溝で沈み込むプレートに対応して、その下に高速度の部分
場所によってはマントルの底まで追跡
ホットスポットが多く分布する地域は、マントル深部が低速度になる傾向
マントル対流の様式
プレートの沈み込みに対応して、マントルの下降流がマントル深部まで
マントルの上昇流は、ホットスポットの活動と対応しそう
海嶺は、深部に根をもたず、プレートが引き裂かれた部分と理解
関連する問題
Q1. 海嶺から離れるにつれて、海底が深くなるのは何故か？
Q2. 海嶺と海嶺の間には、何故トランスフォーム断層ができるか？