高校地学 断層のずれと地震—力の向きから弾性反発と断層型を説明する｜武蔵野個別指導塾

傾斜した断層面から上盤を選び、地層の相対変位と力の向きを結び、横ずれも視点を変えて判定します。

よくあるのは、高校生が断面図の紙面で上に描かれた側を、そのまま上盤と決めてしまう場面です。地表に出たずれを見ると、どちらの岩盤がどう動いたかをすぐに答えたくなります。しかし、上盤は紙の端からの距離ではなく、傾いた断層面に対する位置で決まります。切れた地層を手掛かりに相対的な動きを復元し、力と地震に結び付けましょう。

断面から何を読み取るか

出方は大きく3つあります。断層面と地層の食い違いから上盤・下盤と断層型を答える型、力の向きと岩盤の変形をつなぐ型、平面図で横ずれの向きを判定する型です。いずれも、観察した形と、その形を生じさせた運動の推定を分けて書きます。

前提となるのは、力を受けた物体が変形することと、同じ地層の対応部分をたどれることです。傾きが急なときは左右の位置だけで判断せず、面から上下に短い線を引いて確かめます。地表に現れた線は面と地表との交わりであり、その線自体が地下の断層面全体ではありません。

面を基準にずれを読む

断層は岩盤が破壊され、割れ目に沿って両側が相対的にずれた構造です。面が傾いている場合、その面の上に乗る側を上盤、下にある側を下盤と呼びます。図1のように、断面上で面から上向きに少し離れた位置が上盤です。面の途中でどちらかの側を指すための名前であり、地表の標高が高い側という意味ではありません。

図1では断層面が右下へ傾きます。右側が面の上、左側が面の下にあります。紙面の上端に近い部分が両側にあっても、上盤は面の上にある右側です。面の傾きが反対なら上盤の左右も入れ替わります。鉛直な面には、この上下関係をそのまま適用しにくいため、横ずれでは向かい側の動きで表します。

上盤が下盤に対して下がった断層を正断層、上がった断層を逆断層と呼びます。どちらも相対運動であり、上盤が実際に静止した基準に対して必ず下向きまたは上向きに動いたという意味ではありません。両側が同じ向きに動いても、動きの差があれば相対的な上下のずれが生じます。引っ張るような力が卓越する場では正断層、押し縮めるような力が卓越する場では逆断層が生じやすいと考えます。ただし、複雑な力や既存の弱い面がある現実では、形から力を一意に決めることはできません。

横ずれ断層は、水平方向の相対的なずれが目立つ断層です。断層を挟んで向こう側が右にずれたように見えれば右横ずれ、左なら左横ずれです。どちら側に立っても、向こう側を見るという約束を守れば同じ判定になります。正・逆と横ずれは運動の成分に注目した区別で、実際には縦方向と横方向の成分が同時にある場合もあります。

岩盤には、外力によって形が変わり、力を取り去れば元に戻ろうとする弾性的な性質があります。断層面が固着している間、周囲の岩盤は変形し、弾性ひずみエネルギーが蓄えられます。面に沿う力が抵抗に打ち勝つなどして急にずれると、周囲の変形の一部が戻り、放出されたエネルギーの一部が地震波として伝わります。この説明を弾性反発説といいます。蓄積したエネルギーがすべて波になるわけではなく、破壊や熱などにも使われます。

断層の急なすべりが地震波を生み、波が伝わることで各地が揺れます。一方、地表に目立つ食い違いが見つからなくても、地下の断層運動による地震は起こりえます。地表の観察だけで地下の面の広がりや全運動を確定することはできません。

基本例題：対応する地層を追う

次の断面は説明のためのモデルです。断層面は右下へ傾き、切れる前に水平で連続していた地層の境界が、現在は左側で標高0 m、右側で標高-6 mにあります。下盤を基準とした上盤の鉛直方向のずれを整数と単位で表し、断層型と、対応する一般的な力の向きを答えてください。標高差は鉛直方向の値であり、断層面に沿った移動距離ではありません。

図2のように、面に対する位置から右側を上盤、左側を下盤と決めます。もともと同じ高さだった境界が、切れた後にどれだけ離れたかを、上盤から下盤を引いて求めます。下向きを負とする計算は次の通りです。

上盤の境界の標高 - 下盤の境界の標高
= -6 m - 0 m
= -6 m

したがって、上盤は下盤に対して6 m下がっています。答えは正断層で、一般には引っ張るような力の場に対応します。差を求める式は、切断前の共通の標高を両側から差し引くと消えることから導けます。元の共通標高をh、上盤と下盤の鉛直変位をそれぞれu、dとすれば、現在の標高はh + uとh + dです。その差はu − dとなり、求めたい相対変位に一致します。

答えを図に戻すと、下盤の0 mから6 m下に上盤の境界があり、与えられた-6 mを再現します。これは鉛直成分の確認です。面に沿う距離を求めるには面の傾きが必要で、6 mをそのまますべりの長さと呼ぶことはできません。また、現在の高度差だけでは、それぞれの岩盤が固定した基準に対して何 m動いたかは決まりません。

標準・発展：相対運動を別の道から確かめる

標準例題です。右下がりの断層面を挟み、切断前は同じ高さだった目印について、固定した基準に対する変位を調べました。左側は上へ2 cm、右側は上へ5 cmです。右側が上盤であるとして、下盤に対する上盤の鉛直変位を整数と単位で表し、断層型を答えてください。数値は計算のための条件です。

上向きを正にすると、上盤は +5 cm、下盤は +2 cmです。上盤から下盤を引けば +3 cmとなり、上盤が相対的に3 cm上がった逆断層です。両方とも上昇していることと、上盤が相対的に上昇することは両立します。基準を下盤に移す別解では、両側の変位から共通の +2 cmを引きます。下盤は0 cm、上盤は +3 cmとなり、同じ判定です。元の基準へ戻して下盤の +2 cmを加えると、上盤の +5 cmを再現します。

発展例題です。上から見た模式図で、南北方向の断層を横切る道がありました。ずれた後、西側の道の端は東側の端より北に4 mあります。東側から西側を見たとき、向こう側は右か左か、また断層は何横ずれかを答えてください。北を上とする図で東側から西を向くと、右手は北です。したがって向こう側は右にあり、右横ずれです。西側から東を向くと右手は南で、東側の端は西側より南にあるため、やはり右横ずれです。左右の判定を視点の反対側からやり直しても一致します。

標高差の例と横ずれの例では、見る方向が違います。断面の上下を扱うときは鉛直方向を、平面の左右を扱うときは観察者の向きを明示します。断層面に沿った運動が斜めであれば、断面と平面の両方から成分を調べる必要があります。地層の対応が不明な場合、見かけの段差をそのまま断層運動の量と決めることもできません。

間違いを直すための図

図3のように、右下がりの面で左側を上盤とした答案を考えます。左側が紙面の上方に広く描かれていても、面の上に位置するのは右側です。誤答の原因は、紙の上端と断層面の上側を混同したことにあります。面の途中から上に短くたどり、到達する岩盤に上盤と記せば修正できます。

別の誤りは、上盤が低い図を見て、必ず上盤だけが下がったと書くことです。地層の境界が示すのは両側の相対的な差です。下盤が上がり、上盤が静止した場合にも同じ差が作れます。固定点の情報がない答案では「下盤に対して上盤が下がった」と書き直します。

横ずれでは、地図上の上を向いて左右を決める誤りがあります。断層を挟んで向こう側を見る方向へ体を向け、その右手または左手を基準にします。また、断層線を一本描いて地下でも同じ形だと考えるのは飛躍です。地表の線は交線であり、地下の面の向きには別の資料が必要です。

資料の作り方と読みの限界

断層運動を調べるモデル実験では、学校の指導の下で、対応する線を付けた2つの模型を面に沿って動かし、前後の位置を比べます。動かす前の目印、面の向き、どちらを基準にしたかを記録し、正断層と逆断層の模型を比較します。模型は破壊や摩擦の複雑さを再現しないので、地震そのものの再現ではありません。

地表の変位を時間順に記録した自作グラフを読む場合、横軸を時間、縦軸を基準点に対する位置とします。直線部分の傾きはその期間の位置の変化率です。急な段差は短い時間に位置が変わったことを示しますが、測定間隔の間にいつ動いたかまでは示しません。基準点自体の移動や目印の読み取り誤差も結果に影響します。繰り返し測ってばらつきを調べ、差が誤差と同程度なら明確な変化と断定しないことが必要です。

練習：面と向きを自分で決める

次はすべて学習用の条件です。数値を含む答えは整数と単位で表し、記述には根拠も添えてください。

1. 左下へ傾く断層面の断面で、左側と右側のどちらが上盤ですか。面に対する位置を根拠に答えてください。
2. 上盤の目印が下盤の対応する目印より鉛直に9 cm低いとします。切断前は同じ高さでした。上盤の下盤に対する鉛直変位と断層型を答えてください。
3. 固定基準に対し、上盤が下へ4 cm、下盤が下へ7 cm動きました。上盤の下盤に対する変位と断層型を答えてください。
4. 南北方向の断層を上から見ます。東側の目印は西側の対応点より南に12 mあります。西側から見た向こう側の左右と横ずれの型を答えてください。
5. 地表の断層線と、観測された目印の位置変化が与えられました。断層面の地下の広がりと、変化が観測間隔のどの瞬間に起きたかを、この資料だけで確定できるか、それぞれ理由とともに答えてください。

答えと道筋

1. 左側です。面から上向きに離れた場所が左側の岩盤内に入るためです。紙面の左右ではなく、傾いた面に対する位置で判定します。
2. 上向きを正にして -9 cm、正断層です。下盤の目印を基準の0 cmに置くと上盤は -9 cmとなり、与えられた9 cmの低さを再現します。引っ張るような力の場で生じやすい型です。
3. 上向きを正にして、-4 cm − (-7 cm) = +3 cmです。上盤が相対的に3 cm上がるので逆断層です。下盤の -7 cmに +3 cmを加えると、上盤の -4 cmに戻ります。両方が下降している事実と相対的な上昇を混同しません。
4. 西側から東を向くと右手は南です。向こう側の目印は南にあるので右、右横ずれです。東側から西を見ると右手は北で、西側は東側より北に12 mあるため、反対側からも右と判定できます。
5. どちらも確定できません。地表の線は地下の面と地表の交線であり、深部の広がりを単独では示しません。また観測時刻の前後の値は差を示しても、その間の正確な変化時刻を示さないためです。地下の資料や、時間間隔を細かくした観測を組み合わせて検討します。

覚えておくこと

上盤・下盤は傾いた断層面を基準に決めます。
上盤の相対的な下降は正断層、上昇は逆断層です。
横ずれは向こう側の相対運動を左右で表します。
固着中の変形と急なすべりを弾性反発でつなぎます。
地表の断層線と地下に広がる断層面を区別します。

答案のどこでつまずいたか

上盤の判定が違う場合は、まず断層面に矢印を描き、面の上側を指せるかを確かめます。型の名前が違う場合は、対応する地層を結び、上盤から下盤を引く順を確認します。符号が正しくても単位がなければ、距離なのか位置の比なのか伝わりません。

横ずれの答案では視点と右手の向きを図に書き込み、反対側に立った場合にも判定が一致するか試します。弾性反発の記述では、固着、変形の蓄積、急なすべり、波の発生という順序を見ます。観察した差と推定した力の間に条件を添えると、断層の図から言えることが明確になります。

たとえば地層の境界が浸食で途切れているとき、左右で同じ層を選べなければ、測った高低差は断層のずれとは限りません。複数の目印の並びを比べ、対応が一通りに決まるかを検討します。対応の候補が残るときは、それぞれから得られるずれを分けて示し、追加の観察で判定します。

断層面の傾きも、地表の線の向きとは別に調べます。地表が平らな場合でも、同じ向きの線を作る面にはさまざまな傾きがありえます。図を答案に描くときは、断面なのか上からの平面なのかを明記し、見えていない方向の動きを推測として区別します。