【中学受験理科】地震と火山を図解で総まとめ—P 波 S 波 初期微動継続時間 震度とマグニチュード｜武蔵野個別指導塾

P波とS波の到着時刻を表とグラフで比べ、震源までの距離と地震の発生時刻を求めます。震度とマグニチュードの違い、マグマのねばりけと火山の形も親子で確かめられます。

よくあるのは、学校のテスト前の自習室の白板の前で、P波の到着時刻とS波の到着時刻を引き算できたのに、「この12秒は何を表すのですか」と聞かれると手が止まるという場面です。数字は出せても、震源から波が進む様子と結びついていないと、その先の距離や地震の発生時刻を求める問題で迷ってしまいます。

地震の問題では、地下で起きたことを、離れた場所で受け取った記録から考えます。大切なのは、波が出発した時刻と到着した時刻を区別し、速さの異なる2つの波を同じ道のりで比べることです。火山も同じように、見える山の形を手がかりに、地下にあるマグマの性質を考えます。

保護者の方は、お子さまが用語を言えたところで終えず、「何と何を比べたのですか」と一言添えてみてください。表の差、グラフの線の間隔、火山の斜面の違いを根拠に説明できると、知識と計算が一つにつながります。

この単元で身につけること

• 震源と震央を区別します。地下で地震が起こり始めた場所と、その真上にある地表の地点を、断面図の中で指し示します。
• P波とS波の到着順を説明します。同時に出発しても進む速さが違うため、ゆれの伝わる時刻に差が生まれます。
• 初期微動継続時間から距離を求めます。時間の差が2倍になれば距離も2倍になる条件を確かめ、表の比例を使います。
• 地震の発生時刻と震源の位置を考えます。到着時刻から伝わるのにかかった時間を引き、複数の観測地点の情報を組み合わせます。
• 震度とマグニチュードを使い分けます。ある地点のゆれの強さと、地震そのものの規模は、同じ物差しではありません。
• 火山の形をマグマのねばりけと結びつけます。流れやすさと火口付近へのたまりやすさから、斜面や噴火の傾向を説明します。

これまでに学んだ「道のり＝速さ×時間」と比例の表が、見えない地下の出来事を読み解く道具になります。計算では、どの波について、どの地点までの道のりを扱っているかを、単位と一緒に書き添えると整理しやすくなります。

基本の考え方

震源から出発した波を地表で受け取ります

地震の多くは、地下の岩盤に力が加わり、岩盤が急にずれ動くことで起こります。そのずれが始まった地下の場所が震源です。震源の真上にある地表の地点を震央といいます。震源から地表までの鉛直方向の距離が、震源の深さです。震源は地下、震央は地表という位置の違いを、まず図で確かめましょう。

図1のように、地表にいる観測者から震源へ向かう線は、ふつう斜めになります。観測地点から震央までを地表に沿って測った距離と、震源までの距離は違います。問題の表に「震源からの距離」と書かれていれば、波が地下から観測地点まで伝わる道のりとして、その数値を使います。図は位置関係を示す模式図で、地球全体の大きさや地層を縮尺どおりに表しているものではありません。

図1の緑の線は震央と観測点の間、赤の線は震源と観測点の間です。どちらも「地震の中心からの距離」と曖昧に呼ぶと、計算する対象が入れ替わります。問題文にある名称に合わせ、線の両端を指でたどってから数値を書き込むと、この取り違えを防げます。

地震の波には、速く伝わるP波と、それより遅く伝わるS波があります。どちらも震源からほぼ同時に出発します。先にP波が届くと小さなゆれである初期微動が始まり、後からS波が届くと大きなゆれである主要動が始まる、と整理するのが基本です。P波は波が進む方向に平行な振動、S波は進む方向に垂直な振動を伝えます。ただし、名前の違いを単に「上下のゆれ」「左右のゆれ」とだけ覚えると、波の進む向きが変わったときに説明できなくなります。

初期微動継続時間は、P波が到着してからS波が到着するまでの時間です。「地震が発生してからP波が来るまで」でも、「ゆれが完全におさまるまで」でもありません。ゆれの記録を読むときには、小さなゆれの始まりと、大きなゆれの始まりの2点を探します。この2点の時刻を引いた値が、距離を考える手がかりになります。

時間の差が大きいほど震源から遠くなります

P波とS波が同時に出発しても、P波のほうが速いため、遠くへ進むほど到着時刻の差が広がります。速い人と遅い人が同時に歩き始め、同じ道を進む様子に似ています。近い目印では到着の差は小さく、遠い目印では差が大きくなります。先に着いたP波が止まってS波を待つわけではなく、それぞれがその先へ伝わり続けます。

計算問題では、P波とS波がそれぞれ一定の速さで進むとします。この条件のもとでは、震源からの距離と初期微動継続時間は比例します。ある地点までの距離が2倍なら、P波にかかる時間もS波にかかる時間も2倍になり、2つの時間の差も2倍になるからです。実際の地下では岩石の性質などによって速さが変わるため、問題では与えられた表や条件に従って考えます。

たとえば、P波が1秒に6 km、S波が1秒に3 km進むとします。震源から60 kmの地点には、P波は60÷6＝10秒後、S波は60÷3＝20秒後に着きます。初期微動継続時間は20−10＝10秒です。120 kmならP波は20秒後、S波は40秒後に着くので、差は20秒になります。この条件では初期微動継続時間1秒につき距離は6 kmですが、この数値をすべての問題に使うことはできません。波の速さが変われば、同じ1秒の差に対応する距離も変わります。

時刻と時間にも違いがあります。「10時0分20秒」は時計の読みを表す時刻、「20秒」は経過した長さを表す時間です。地震の発生時刻を求めるには、到着時刻から、波が伝わるのにかかった時間を引きます。初期微動継続時間をそのまま引けるとは限りません。

地震の規模と火山の姿を分けて見ます

震度は、ある地点でのゆれの強さを表します。同じ地震でも、震源からの距離や地盤の違いなどによって地点ごとに異なります。震度は0、1、2、3、4、5弱、5強、6弱、6強、7の10段階です。「震度が大きかった場所」と「震央」は、必ずしも一致しません。地表近くの地盤によってゆれが強まりやすい場所もあるためです。

マグニチュードは、地震そのものの規模を表す値で、Mと略して書かれます。1つの地震について地点ごとのゆれを比べたいときに使う値ではありません。同じMでも、震源が浅いか深いか、観測地点が近いか遠いかによって、その地点の震度は変わります。震度とMは、どちらも数字で表すという理由だけで大小を直接比べられません。

火山では、地下にある高温でとけた岩石を含む物質をマグマといいます。マグマが地表に出たものが溶岩です。噴火で出る物には溶岩のほか、火山灰、軽石、火山弾、火山ガスなどがあります。火山灰は燃えた物の灰とは違い、細かい岩石や鉱物、火山ガラスなどの粒です。火山という言葉に「火」があっても、山の中で物が燃えて山を作るという意味ではありません。

マグマのねばりけが小さいと、溶岩が広く流れやすく、傾斜のゆるやかな火山を作る傾向があります。ねばりけが大きいと、溶岩が遠くまで流れにくく、火口付近に盛り上がった形になりやすくなります。また、気体が抜けにくいマグマでは、爆発的な噴火が起こることがあります。ただし、噴火の激しさには含まれる気体の量なども関係します。山の形だけで次の噴火の起こり方を決めつけることはできません。

例題で解き方を確かめる

例題1　震源と震央、震度とMを選びます

地下の点Aから地震の波が出発し、その真上の地表に点Bがあります。地表の観測地点CとDでは、同じ地震について震度が異なりました。AとBの名称を答え、地点ごとに異なるゆれの強さを表す言葉を「震度」「マグニチュード」から選びましょう。

1. 点Aが地下にあることと、波の出発点であることを確認します。場所だけでなく役割を読むと、震源と判断できます。
2. 点BがAの真上の地表にあることを確認します。「真上」という条件が、単なる観測地点と震央を区別する手がかりです。
3. CとDを比べているのが、地震そのものか各地点のゆれかを考えます。同じ地震の地点ごとのゆれなので、震度を選びます。

答え：Aは震源、Bは震央、地点ごとのゆれの強さは震度です。

「一番強くゆれた所が震源」と答えると、地下の波の出発点と地表の観測結果が混ざってしまいます。図1にCとDを追加するとしたら地表に置く、と説明できれば、位置を正しく捉えています。

例題2　表から距離を求めます

同じ地震を、震源からの距離が異なる3地点で記録しました。P波とS波はそれぞれ一定の速さで進むものとします。地点Cまでの距離を求めましょう。

1. 各地点でS波の到着時刻からP波の到着時刻を引きます。比例させるのは時計の表示そのものではなく、初期微動継続時間なので、Aは10秒、Bは20秒、Cは30秒と整理します。
2. 距離がわかるAとBを比べます。初期微動継続時間が10秒から20秒へ2倍になると、距離も60 kmから120 kmへ2倍になっており、比例の関係を確かめられます。
3. Aを基準にCの倍率を求めます。30÷10＝3なので、Cの距離は60×3＝180 kmです。Bを基準に120×30÷20としても同じ値になります。

答え：地点Cは震源から180 kmです。

図2のように、横軸を地震発生からの時間、縦軸を震源からの距離にすると、P波とS波の進み方を2本の直線で表せます。この例ではP波は1秒に6 km、S波は1秒に3 km進むため、P波の線がより急になります。縦軸と横軸を逆にしたグラフでは見え方も変わるので、「急な線がP波」と形だけで覚えず、軸の名前を先に読みます。

図2の120 kmの高さで横にたどると、P波の線と交わるのが20秒、S波の線と交わるのが40秒です。その横方向の間隔が20秒の初期微動継続時間を表します。同じ時刻で縦に2本の線を比べた場合は、2つの波が進んだ距離の差になります。時間を求めたいときは、同じ距離で読むことが要点です。

例題3　波の速さと地震の発生時刻を求めます

例題2のAとBの記録を使い、P波の速さと、地震の発生時刻を求めましょう。さらに、S波を使って発生時刻が同じになるか確かめます。

1. AとBの距離の差を求めます。120−60＝60 kmです。同じ波が同じ地震から伝わっているので、到着時刻の差は、この余分な距離を伝わる時間に当たります。
2. P波の到着時刻の差を求めます。10時0分20秒と10時0分10秒の差は10秒なので、速さは60÷10＝6 km/秒です。発生時刻がまだわからなくても、2地点の差を使えば速さが出せます。
3. 震源からAまでP波が伝わる時間を求めます。60÷6＝10秒なので、Aへの到着時刻10時0分10秒から10秒戻すと、発生時刻は10時0分0秒です。
4. S波でも確かめます。BとAの到着時刻の差は20秒なので、速さは60÷20＝3 km/秒です。Aまで60÷3＝20秒かかり、10時0分20秒から20秒戻すと、同じ発生時刻になります。

答え：P波の速さは6 km/秒、地震の発生時刻は10時0分0秒で、S波から求めても一致します。

この方法が使えるのは、同じ地震の記録であり、それぞれの波の速さを一定とする条件があるためです。別々の地震の到着時刻を引いても、出発時刻がそろっていないので、距離の差に対応する時間にはなりません。表の題名や問題文で「同じ地震」と確認する手順にも意味があります。

震源の位置を求める問題では、初期微動継続時間からわかるのは、まず各地点からの距離です。1地点だけでは方向がわからず、震源は1つに定まりません。震源の深さを考えない平面上の問題なら、観測地点を中心とし、求めた距離を半径とする円を描きます。2つの円には交点が2つ残る場合があるため、さらに別の地点の円も合わせ、共通する点を探します。

深さのある震源を扱う場合、震源までの距離をそのまま地図上の円の半径にすることはできません。震源までの距離は斜め方向、地図上で震央まで測る距離は水平方向だからです。深さが与えられた断面図を選ぶ問題では、各観測地点から候補の震源までの距離が、観測結果と一致するかを確かめます。「3地点を使う」とだけ覚えず、平面の問題なのか、地下の深さも扱う問題なのかを読み分けましょう。

例題4　火山の形の違いを説明します

火山Aでは溶岩が広く流れて、傾斜のゆるやかな山を作っています。火山Bでは溶岩が火口付近に盛り上がっています。ほかの条件が同じなら、どちらのマグマのねばりけが大きいと考えられますか。「流れにくい」という言葉を使って理由も説明しましょう。

1. 観察した違いを拾います。Aは広く流れ、Bは火口付近にたまっています。山の高さだけに注目せず、溶岩がどこまで移動できたかを比べます。
2. 溶岩の動きとねばりけを結びつけます。ねばりけが大きいほど流れにくいため、遠くへ広がらず、火口の近くに残りやすくなります。
3. 結論と理由を一続きにします。「Bだから」では説明にならないので、ねばりけ、流れにくさ、盛り上がった形の順につなぎます。

答え：Bのほうがねばりけが大きく、溶岩が流れにくいため火口付近に盛り上がったと考えられます。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　到着の時間差に波の速さの差をかけます

誤った書き方は「P波が6 km/秒、S波が3 km/秒だから、初期微動継続時間10秒で、距離は10×（6−3）＝30 km」です。どこが違うかというと、同じ時間に2つの波が進んだ距離の差と、同じ場所に到着する時間の差を混同しています。図2で同じ時刻を縦に比べるのか、同じ距離を横に比べるのかを確かめると、違いが見えます。

正しい書き方は「60 km進むとP波は10秒、S波は20秒かかり、差が10秒になるので、求める距離は60 km」です。速さの差を使う前に、両方の波が同じ場所まで進む時間を表にします。初期微動継続時間を、後から出発した波が追いつく問題の時間に置き換えないことが大切です。

誤り2　初期微動継続時間が長いと震度も大きいと考えます

誤った書き方は「初期微動が長い地点ほど震度が大きい」です。どこが違うかというと、初期微動継続時間が示す距離と、ゆれの強さを同じものにしています。長い時間差から読み取れるのは、同じ条件なら震源から遠いということです。ゆれの強さそのものを測っているわけではありません。

正しい書き方は「初期微動継続時間が長い地点ほど震源から遠いと考えられるが、震度はその地点のゆれの強さを示す」です。地震計の記録では、横方向の長さが時間、縦方向の振れ幅がゆれの大きさに関係します。ただし震度は単に記録の最大の振れ幅だけで決めるものではありません。問題で求める量に合わせて、時間の幅とゆれの幅を分けて読みましょう。

誤り3　高い火山ほどねばりけが大きいと決めます

誤った書き方は「火山が高いので、マグマのねばりけが大きい」です。どこが違うかというと、山の高さには噴出した量や噴火の積み重なりも関係し、高さだけでは流れやすさを比べられない点です。図3のように、広がり方や斜面の形を手がかりにします。

図3は、形の傾向を比べる模式図です。左はねばりけが小さく広がりやすい場合、中央は中程度の場合、右は大きく火口付近に盛り上がりやすい場合を示しています。中央の円すい形の火山は、溶岩や火山灰などが重なって育つ成層火山の代表的な姿です。右のような盛り上がりは溶岩ドームと呼ばれ、すでにある火山の一部にできることもあります。3つをすべて同じ大きさの独立した山として比べる図ではありません。

正しい書き方は「ねばりけが小さい溶岩は広く流れやすく、ねばりけが大きい溶岩は火口付近に盛り上がりやすい」です。溶岩ドームが崩れるなどして、高温の火山灰や岩片が気体とともに斜面を流れ下る火砕流が起こることもあります。溶岩流と火砕流は、流れる物の状態が違います。「火山から下ってくる赤い物」と一括りにせず、溶けた岩石の流れか、岩片と気体が混じった流れかを言葉で区別します。

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練習問題

練習1

同じ地震で、地点Aの震度は3、地点Bの震度は4でした。「地点Bで測ったマグニチュードのほうが大きい」と結論してよいですか。震度とマグニチュードがそれぞれ何を表すかを使って説明しましょう。

練習2

P波が6 km/秒、S波が3 km/秒で一定に進む地震を考えます。震源から72 kmの地点Dでは、P波が14時2分12秒に到着しました。S波の到着時刻、初期微動継続時間、地震の発生時刻をそれぞれ求めましょう。

練習3

別の地震では、P波は8 km/秒、S波は4 km/秒で一定に進みました。地点Eでの初期微動継続時間は15秒でした。震源からEまでの距離を求めましょう。まず40 km進むときのそれぞれの時間を求めて、比例の基準を作ってください。

練習4

ある火山で、ねばりけの大きい溶岩が火口付近にたまり、盛り上がりました。この形になる理由を説明しましょう。また、噴出した火山灰を「木や草が燃え残った灰」と説明してよいかも答えましょう。

答えと解説

練習1の答え：結論してはいけません。震度は各地点のゆれの強さ、マグニチュードは地震そのものの規模を表すからです。同じ地震で地点ごとの震度が違っていても、そこから地震そのものが別の規模になったとは考えません。AとBでゆれ方が異なる理由には、距離や地盤の違いなどが考えられます。

練習2の答え：S波の到着は14時2分24秒、初期微動継続時間は12秒、発生時刻は14時2分0秒です。P波は72÷6＝12秒、S波は72÷3＝24秒かかります。P波の到着から12秒戻して発生時刻を求め、そこから24秒進めるとS波の到着になります。到着の差も24−12＝12秒となりますが、P波の伝わる時間と初期微動継続時間が等しいのは、この速さの組み合わせによるものです。

練習3の答え：120 kmです。40 km進むのにP波は40÷8＝5秒、S波は40÷4＝10秒かかるので、差は5秒です。15秒は5秒の3倍なので、距離も40×3＝120 kmになります。例題2の「初期微動継続時間1秒につき6 km」をそのまま使うと90 kmになり、条件に合いません。実際に120 kmまでの時間を求めるとP波15秒、S波30秒で、差が15秒になることを確かめられます。

練習4の答え：ねばりけが大きい溶岩は遠くへ流れにくいため、火口付近に盛り上がります。火山灰を木や草の燃え残りと説明してはいけません。火山灰は噴火で出た細かい岩石や鉱物、火山ガラスなどの粒です。「ねばりけが大きい」と「盛り上がる」の間に「流れにくい」を入れると、性質から形に至る理由が伝わります。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

地震で学んだ「到着時刻の差から、見えない出発点を考える」方法は、音や光の伝わり方を扱う学習にもつながります。火山で扱ったマグマは、冷えて固まると火成岩になります。地下でゆっくり冷える場合と地表近くで急に冷える場合の違いを考えると、火山の活動と岩石のつくりを結びつけられます。また、噴火で積もった火山灰の層は、離れた場所の地層を比べる手がかりにもなります。

家庭では、5分ずつでできる確かめ方が2つあります。1つ目は、紙にP波とS波の到着時刻を1組書き、間の時間を指でなぞって説明することです。「出発からの時間ではない」と自分で区切れたら、次に到着時刻を変えてもう1組試します。分をまたぐ時刻では、いったん共通の時刻から何秒後かに直すと引き算を整理できます。

2つ目は、図3を見て、保護者の方が「広がる」「流れにくい」のどちらかを言い、お子さまが対応する形を指して理由を述べる方法です。実物を加熱したり、火山灰を集めたりする必要はありません。個別指導で答えが合わないときは、地震なら時刻と時間の区別や割り算の意味まで戻り、火山なら観察した形とその理由を別々に言えるかを確かめます。

まとめ

地震の計算で答えが出たら、その距離までP波とS波を進ませ、到着の差が記録と合うかを調べてみましょう。火山の説明では、見える形から地下の性質を考える途中に、溶岩の流れやすさを置きます。どちらも、知っている言葉を並べるだけでなく、観測した事実と考えた理由をつなぐ学習です。

お子さまが迷った箇所は、時間の区切りや距離の向き、物質の性質を確かめ直す入り口になります。地震の12秒を距離へ、火山の斜面をマグマの性質へ結びつける根拠が、理科の答えを支えます。