高校地学 地震波の影と核—観測されない領域から内部の状態を推論する｜武蔵野個別指導塾

P波の屈折とS波の不検出を分け、外核と内核の状態から読み解く地震波の影に迫ります。

よくあるのは、離れた観測点にS波が届かないと知り、核全体が液体だと塗ってしまう場面です。観測点に届かなかった波が通ろうとした場所と、その波が調べられていない場所は同じではありません。地球の内部を直接見られなくても、地震波の到着と不検出を比べれば、通り道の性質に迫れます。その際、見えないこと自体と、その原因として立てるモデルを分けて考えます。

どの情報から何を答えるか

資料の出方には、震央からの角距離と波の到着の有無を並べる型、地球の断面に波線を描いて経路を問う型、複数の波の記録から核の状態を論じる型があります。いずれも、まず波の種類と観測点の位置を対応させます。その上で、波が届かないという事実と、波が曲がる、あるいは液体中を進めないという説明を区別します。

角距離とは、地球の中心から震央と観測点へ引いた線のなす角です。地表の道のりや震源からの直線距離とは異なります。震央は震源の真上の地表の点です。以下の模式図では説明を簡単にするため、震源を地表付近として描きます。角距離を用いた分類は地球を球とするモデルの読み方であり、観測点の配置や震源の深さを無視して現実の記録を完全に再現するものではありません。

波の通り道と不検出の意味

P波は縦波で、物質を押し縮めたり伸ばしたりしながら伝わります。固体にも液体にも伝わります。S波は横波で、進行方向に垂直なずれを伴います。液体は静的なせん断に対して形を保てないため、通常のS波は液体の内部を伝わりません。P波が液体を通れることと、液体へ入るときに進む向きが変わることは両立します。

図1のように、外側からマントル、外核、内核を区別します。マントルは大部分が固体です。地震波が伝わる短い時間での性質と、長い時間をかけた変形のしやすさを混同しないでください。外核は液体と考えられ、内核は固体と推定されています。図は層の関係を示す断面の模式図で、半径や境界の深さを測る図ではありません。

図1で外核が液体なら、そこに入る通常のS波は外核を横切れません。ただし、観測点にS波が記録されない事実だけで、通り道のどこに原因があるかを一意に決めることはできません。震源で放出された波の強さ、距離による振幅の減衰、雑音、観測装置の感度なども不検出に関わります。地球全体の多数の地震と観測点で系統的に調べ、別の波の情報も合わせることで、液体の外核という説明が強く支持されます。

P波の影は、P波が液体を通れないために生じるのではありません。マントルと外核の境界で速度が変わり、波線が大きく屈折するため、直接届くP波や外核を通るP波が届きにくい角距離の帯ができます。これは特定の経路の波についての影です。そこにどの種類の振動も一切届かないという意味ではありません。境界で反射した波や、別の経路を通る波は区別して扱います。

屈折を考えるときは、入射した方向をそのまま境界の向こうへ延長せず、境界に立てた垂線を基準に方向を比べます。速度の違いによって波面の進み方に差が生じ、波線の向きが変化します。地球内部では速度が深さによって変化するため、波線は層の内部でも曲がります。したがって、断面の線は波の進み方を表す模式的な線で、地震波が細い管の中だけを通るという意味ではありません。

内核については、液体の外核の存在だけでは状態を決められません。内核を通るP波の到着時刻や振幅、境界で反射・変換した波などの情報を、内部構造のモデルと照らして推論します。固体の内核を含むモデルは、これらの独立した波の情報と整合します。外核を通る間にS波が途絶えることは、さらに内側が液体か固体かを直接示しません。

基本例題：観測と説明を分ける

次は学習用に作った資料です。角距離の区分は記号で示し、実際の境界角や実測値を表しません。同じ地震について、検出可能な条件が整った観測点を多数調べたところ、次の傾向が得られたとします。表のP波は指定した直接波と核を通る経路のP波を指し、S波は指定した直接S波を指します。

問：Bで指定したP波が不検出となる理由を、境界と屈折を用いて説明してください。また、BとCのS波の結果から核全体が液体と断定できるか、理由を添えて答えてください。図2のA・B・Cは区分の順序を示す概念図で、実際の角度や観測点の位置の縮尺図ではありません。

まず図2のP波の行を横に読みます。AとCでは検出され、間のBでは不検出です。P波は液体を伝わるので、不検出をその性質で説明するのは適切ではありません。外核境界での速度変化による屈折を考えると、指定した経路のP波がBに届きにくい帯を説明できます。

次にS波の行を読みます。Aでは検出されますが、BとCでは検出されません。外核が液体というモデルは、外核を横切る直接S波が届かないことと整合します。けれども、直接S波は液体の外核を横切れないため、内核の状態をそのまま調べたことにはなりません。核全体が液体とは断定できず、内核を通るP波など別の情報が必要です。

答案例は次のようになります。「P波は外核境界で速度が変化して屈折し、指定された経路の波がBに届きにくくなる。S波の不検出は液体の外核と整合するが、内核の状態は直接S波だけでは決められない。」答えを資料に戻すと、P波はAとCで検出されBで不検出、S波はAで検出されBとCで不検出という条件を説明する形になっています。表から読めること以上を付け足さないのが要点です。

標準・発展例題：別の情報を加える

ある学習用の層モデルでは、外側から層X、層Y、中心側の層Zの順に並びます。層Xを通った直接P波と直接S波は観測されます。層Yに入る経路の直接S波は広い範囲で検出されません。一方、層Yを通り、層Zを通過したP波が検出され、その到着時刻は層Zを固体としたモデルの計算とよく合うとします。これらは実際の観測記録ではなく、推論の練習用に定めた条件です。

問：層Yと層Zの状態について、それぞれ何を根拠にどこまで推論できるか述べてください。S波の結果だけで両層の状態が決まるかにも触れてください。

まず層Yについて、直接S波が入る経路で検出されないという事実を押さえます。装置や震源の条件を点検し、広い範囲で再現するなら、Yが液体で直接S波を伝えないという説明は有力です。ただし不検出だけでは減衰や雑音などの別の原因を排除できません。複数の震源や観測点、P波の情報と合わせて判断します。

次に層Zについて、Yを通れない直接S波はZを直接調べる道具になりません。Zを通るP波の到着時刻が固体モデルと合うことは、そのモデルを支持する別の根拠です。ただし、到着時刻が合うことだけで固体と唯一決定できるとは限りません。密度や速度の設定を変えた別モデルも考え、振幅や反射波などを含めて比較する必要があります。

別解として、モデルの予測を表にして検討できます。Yが液体なら直接S波はYを横切れない、Zが固体ならZを通るP波の到着に特定の特徴が現れる、とそれぞれ予測します。前者はS波の不検出、後者はP波の到着時刻との対応を見ます。別々の予測に別々の資料を当てるため、Yの証拠をそのままZへ流用する誤りを避けられます。いずれの方法でも、一致はモデルを支持しますが、他の可能性まで自動的に消すものではありません。

観測を設計するなら、震央からさまざまな角距離にある観測点を用意し、地震ごとに震源と時刻をそろえて波形を比較します。記録の縦軸は地面の振動、横軸は時刻で、予想到着時刻の付近を調べます。振幅が雑音より小さければ、波が存在しないのか装置に隠れたのかを区別しにくくなります。装置の感度や背景の揺れを確認し、複数の記録で傾向が再現するかを調べます。

到着時刻を角距離に対して描いた走時曲線では、横軸が角距離、縦軸が到着までの時間です。曲線の傾きは角距離に対する到着時間の変化を表し、単位を考えずにそのまま内部の速度と読むことはできません。波の経路が異なると曲線も分かれます。点のない区間を読むときは、その波の種類、測定範囲、検出限界を先に確認します。

誤答をほどく

誤答は「S波が観測されないので、核は中心まで液体です」です。図3の左側では、外核を通れないS波の結果を、そのまま内核の状態へ延長しています。この推論には、外核の内側をS波が直接調べていないという欠落があります。

図3の右側のように、外核についてはS波の不検出が液体モデルと整合することを示し、内核についてはP波などの別の情報を添えます。記述を直すと「直接S波が外核を横切れないことは液体の外核と整合する。内核の固体という推定には、内核を通るP波などの情報を使う」です。

別の誤答に「P波の影があるので外核はP波を通さない」があります。P波は液体も伝わります。影の原因を答える問いなら、外核境界での屈折と、その結果として特定の角距離に指定した経路の波が届きにくくなることを書きます。波が存在しないという言葉を使う前に、どの波を、どの範囲で、どの感度で探したかを確かめます。

練習問題

以下はすべて学習用の条件です。実際の角距離や観測記録を表しません。記述問題は、それぞれ理由を含めて答えてください。

1. ある観測点群で、指定した直接P波は不検出でも、別経路のP波が検出されました。「P波が一切届かない」と結論してよいか、波の経路に触れて答えてください。
2. ある層に入る直接S波が多数の地点で不検出でした。この結果と液体という説明の関係、およびそれだけでは除けない別の原因を1つ述べてください。
3. P波がマントルから外核へ入る境界で速度が変化します。P波の影が生じる説明に必要な経路の変化を、波が液体を伝わる性質とともに述べてください。
4. 時刻を横軸、振動を縦軸にした波形で、予測した到着時刻付近の振動が雑音に埋もれています。波が来なかったと判定する前に調べる条件を2つ挙げてください。
5. 内核を液体とするモデルと固体とするモデルが、外核を通る直接S波の不検出をどちらも説明できました。2つを比べるために追加する波の情報と、その理由を述べてください。

練習問題の答えと考え方

1. 結論してはいけません。指定した直接P波が検出されないという結果と、別経路のP波が検出されたという結果が同時にあるためです。条件に戻すと、別経路の到着を「一切届かない」は否定してしまいます。影の対象となる波を限定して書きます。
2. 液体なら通常のS波を伝えないため、不検出と整合します。ただし振幅の減衰や雑音によって検出できない可能性もあります。複数の観測点と震源で再現性を調べ、別の波の情報も合わせます。「整合する」は「唯一の原因と証明した」と同じではありません。
3. P波は液体も伝わりますが、境界で速度が変わると屈折します。その結果、指定された経路のP波が届きにくい角距離の帯が生じます。液体を通過できるという条件と、不検出の帯ができるという結果は矛盾しません。
4. 例えば装置の感度と、その時刻付近の雑音の大きさを調べます。震源時刻や予測到着時刻の不確かさも点検できます。予想時刻がずれていれば、狭い時間範囲を探した結果だけで不検出と判断できないためです。
5. 内核を通るP波の到着時刻や、内核境界に関係する反射波などを加えます。外核を横切れない直接S波の結果は、内核の両モデルに共通しているからです。追加した波について両モデルが予測する到着時刻や振幅を比べ、実際の記録と誤差の範囲で照合します。

要点

P波の影は主に外核境界での屈折と波の経路から考えます。
直接S波の不検出は液体の外核と整合します。
内核の状態には、内核を通るP波など別の情報を使います。
不検出は波の種類、観測条件、モデルと切り分けます。

答案のどこでつまずくか

答案に「影」とだけ書かれていたら、何という波のどの経路が対象かを尋ねます。P波とS波で原因を混ぜている場合は、液体を通れるかという性質と、境界で進む向きが変わることを別々に図示すると修正点が見えます。内核まで液体と塗った図には、直接S波がどこで通れなくなるかを書き込み、内側を調べる別の観測を横に置きます。

個別に確かめる際は、観測された事実、モデルからの予測、残る不確かさをそれぞれ一文にしてもらいます。波形や走時曲線では軸と単位を指し、空白を即座に物質の状態へ置き換えていないかを見ます。見えない範囲の境界を意識すると、地震波の影は内部を推論する手掛かりになります。