地学②：固体地球としての地球の概観②
～地震波から探る地球の内側～

この記事で探究すること

地球の内部は、決して直接見ることはできない。でも、科学者たちは、その構造を驚くほどくわしく描き出している。その最大の功労者が、地球内部を駆けめぐる「地震波」だ。この単元では、地震波がどのように地球の内部構造を明らかにするのか、その伝わり方のルール「走時曲線」を読み解き、地球が層構造をなしている決定的な証拠を探究していくよ。

1. 地震波：地球内部を伝わる波

地震によって放出されたエネルギーは、性質の異なる波として地球内部を伝わっていく。これを実体波といい、主に２種類ある。

• P波（縦波）：進行方向に平行に振動する。固体・液体・気体のすべてを伝わる。伝播速度が速い。
• S波（横波）：進行方向に垂直に振動する。固体しか伝わらない。P波より伝播速度が遅い。

地震波の速さは、伝わる物質の密度や硬さによって変化する。一般に、深くなるほど速くなる傾向がある。また、性質が大きく異なる物質の境界では、屈折や反射を起こす。

2. 走時曲線と地球の層構造

地震波の到着時間（走時）と震源からの距離の関係を示した「走時曲線」を分析することで、地球内部に、地震波速度が不連続に変化する境界面が存在することがわかる。

• 地殻とマントル：地表から深さ数km～数十kmに、地震波速度が急増するモホロビチッチ不連続面（モホ面）が存在し、これが地殻とマントルの境界である。
• マントルと核：深さ約2900kmに、P波の速度が急減し、S波が伝わらなくなる不連続面が存在し、これがマントルと核の境界である。S波が伝わらないことから、外核は液体であると結論づけられる。

これらの分析から、地球は大きく分けて地殻・マントル・核の３つの層からなり、核はさらに液体の外核と固体の内核に分かれるという、層構造モデルが確立された。

3. アイソスタシー：浮力で支えられる大地

地表に見られる巨大な山脈や、厚い氷床は、その重さでマントルの中に沈み込んでいるのだろうか？ この問いに答えるのが「アイソスタシー（地殻均衡）」という考え方だ。

これは、比較的密度の小さい地殻が、より密度の大きいマントルの上に、まるで氷山が水に浮くように、浮力で浮かんでバランスを保っている、というモデルである。アイソスタシーによれば、標高が高い山脈の下では、その重さを支えるため、地殻がマントルの中に深く「根」を張り、地殻の厚さが平野部よりも厚くなっていると予測される。

コレクトの論理 de 解説：アイソスタシーと重力異常

アイソスタシーが成り立っている場合、地表の地形の凹凸は、地下の質量の過不足によって相殺されているはずです。これを重力測定の観点から検証します。

前単元で学んだ、地下構造の密度異常を反映する「ブーゲー異常」を考えてみましょう。もし、山脈が単純に地殻の上に余分な質量として乗っているだけならば、山脈の上では、大きな正のブーゲー異常が観測されるはずです。しかし、実際には、多くの山脈で、ブーゲー異常は大きな負の値を示します。

これは、観測者の足元にある山脈という「質量の過剰」よりも、そのさらに地下にある、マントルより密度の小さい地殻の「根」という「質量の欠損」の影響の方が、重力測定においてはるかに大きいことを意味しています。つまり、負のブーゲー異常の存在は、アイソスタシーが成立し、山脈の下に地殻の根が存在することの、極めて強力な物理的証拠なのです。

4. 地球内部の構成物質

地震波の速度や、地球全体の平均密度、そして、地球に飛来する隕石の化学組成などを総合的に分析することで、各層の構成物質が以下のように推定されている。

• 地殻：大陸地殻は花こう岩質、海洋地殻は玄武岩質の岩石。
• マントル：かんらん石を主成分とする、超苦鉄質岩であるかんらん岩。
• 核：地球全体の密度を説明するため、マントルより高密度な物質が必要。隕石の分析から、鉄・ニッケル合金が主成分であると考えられている。

【研究】P波・S波以外の地震波

豆知識ですが、地震波には、地球内部を伝わる実体波（P波・S波）の他に、地球の表面だけを伝わっていく「表面波」が存在します。表面波は、実体波より速度が遅いですが、揺れの振幅が大きく、減衰しにくいため、震源から遠く離れた場所での大きな揺れや、長周期の揺れの主な原因となります。代表的なものに、ラブ波やレーリー波があります。

受験対策まとめ

地震波は、地球内部を知るための唯一の「目」だ！

1. P波とS波の基本的な性質の違い（縦波/横波、伝播媒体）を完璧に理解する。
2. 走時曲線の分析から、地球内部に「不連続面」があることがわかる、という論理を理解する。
3. 「シャドーゾーン」の存在が、マントルと核の境界の証拠であること、特にS波のシャドーゾーンが「外核が液体である」ことの決定的な証拠であることを説明できるようにする。
4. 地殻・マントル・核の、それぞれの層の主な構成物質を覚える。（地殻＝花こう岩/玄武岩、マントル＝かんらん岩、核＝鉄/ニッケル）

練習問題

【知識・計算問題】
問１：地殻とマントルの境界をなす不連続面の名称を答えなさい。
問２：ある地点の初期微動継続時間が20秒であった。P波の速さを8km/s、S波の速さを4km/sとすると、この地点から震源までの距離は何kmか。

【論述問題】
問３：ヒマラヤ山脈のような巨大な山脈の上で、重力測定から得られるブーゲー異常は、一般的に正の値と負の値のどちらを示すか。また、その理由を、「アイソスタシー」「密度」という語句を用いて、60字程度で説明しなさい。