【地学基礎】地球の内部構造を図解で総まとめ—地殻・マントル・核と地震波｜武蔵野個別指導塾

外核が液体だと言い切れる根拠を、S 波が届かない地域の図と走時曲線の読み取り、核の体積を求める計算でたどれます。境界の深さと物質を一度に整理して、テスト前の迷いを消しましょう。

よくあるのは、夕方の台所のテーブルで、ワークの断面図の穴埋めをしていて鉛筆が止まるという場面です。夕飯のしたくの音を聞きながら、外核の欄に液体と書くのか固体と書くのかで手が止まり、内核はどちらだったか、前回も同じところで迷った気がしてきます。2900 と 5100 のどちらが先だったかも怪しくなります。ここで丸暗記をやり直しても、来週また同じテーブルで止まります。地球の中身は誰も見に行っておらず、断面図は地震の波の届き方という証拠から組み立てられたものだからです。証拠の筋道から入れば、断面図を白紙から描けるようになり、外核だけがなぜ液体とわかるのかを自分の言葉で説明できます。走時曲線の傾きから波の速さを読むことも、地殻とリソスフェアを取り違えずに答えることもできるようになります。

この単元で押さえること

• 4 つの層と境界の深さ: 外側から地殻、マントル、外核、内核と並びます。マントルと外核の境は深さ 約 2900 km、外核と内核の境は 約 5100 km、中心は 約 6400 km です。
• 地殻は 2 種類: 大陸地殻は厚さ 30〜60 km、海洋地殻は 5〜10 km で、岩石の種類も違います。地殻の底がモホロビチッチ不連続面です。
• 物質と状態: 地殻とマントルは岩石でできた固体です。核は主に鉄で、外核は液体、内核は固体です。
• 地震波で調べる: P 波は固体も液体も伝わり、S 波は固体しか伝わりません。速さが急に変わる深さが層の境になります。
• 硬さで分ける別の区分: 地殻とマントル最上部を合わせたかたい層がリソスフェア（プレート）で、その下のやわらかい層がアセノスフェアです。

前の単元で求めた半径 約 6400 km の内側を順に読み解き、ここで覚える P 波と S 波の性質とリソスフェアを、この後の地震の計算とプレートの単元へ持っていきます。

基本の考え方

掘れないから、波で調べる

人間が掘った穴で最も深いものでも 約 12 km で、地球の半径の 約 0.2% にすぎません。中心までの残りは、直接見たことのない世界です。そこで使われるのが地震波です。すいかを切らずに叩いて、返ってくる音で中の様子を確かめるのに似ています。地震が起きると波は地球の内部を通って世界中の地震計に届き、どの深さをどんな速さで通ったかが到達時刻に記録されます。

使う波は 2 種類です。P 波は進む向きに押したり引いたりして伝わる縦波で、固体にも液体にも伝わります。S 波は進む向きと直角に揺れる横波で、固体しか伝わりません。違いは台所で確かめられます。ゼリーをスプーンで横に押すと、ぷるんと元に戻ります。ずれを元に戻す力があるので、横の揺れが隣へ隣へと伝わります。ところが味噌汁を横に押しても、汁は元の位置に戻ろうとしません。ずれを戻す力がない液体には、横波の通り道がないのです。

地殻の中での速さは、P 波が 約 5〜7 km/s、S 波が 約 3〜4 km/s です。波の速さは通る物質とその状態で変わり、深さとともになめらかに変わるだけでなく、ある深さで急に変わることがあります。その面を不連続面といい、層と層の境はこの不連続面として見つかりました。速さの違う層に入るとき、波は光と同じように屈折します。

層のならびと境界の深さ

図1のように、地球は中心のまわりに層が重なったつくりをしています。図の半径の比は実際の値に合わせてあります。深さは地表から測った値なので、中心は深さ 約 6400 km にあたります。

図1で地殻がいちばん外側の細い線になっているのは、省略ではありません。地球を 1 億分の 1 に縮めると半径 6.4 cm の球、大きめのりんごより少し大きいくらいになります。このとき大陸地殻の厚さは 0.3〜0.6 mm、海洋地殻は 0.05〜0.1 mm です。包丁でむいたりんごの皮より薄い計算で、私たちが山や海溝と呼んでいる凹凸は、その皮の上の話です。

地殻の 2 種類とモホロビチッチ不連続面

大陸地殻は厚さ 30〜60 km で、上部が花こう岩質、下部が玄武岩質の岩石からなります。海洋地殻は厚さ 5〜10 km と薄く、玄武岩質の岩石からなります。高い山脈の下では、地殻がとくに厚くなっています。

地殻の底にあたる不連続面をモホロビチッチ不連続面、略してモホ面といいます。1909 年、モホロビチッチは近くで起きた地震の記録を調べ、P 波に到達の早いものと遅いものの 2 種類があることに気づき、地下に波の速い層があると考えました。モホ面を境に P 波の速さは 約 7 km/s 前後から 約 8 km/s へ上がります。モホ面は岩石の種類が変わる面で、上が地殻、下がマントルです。

マントルと核の物質と状態

マントルは深さ 約 2900 km まで続き、地球の体積の 8 割以上を占めます。S 波が伝わることから固体とわかり、岩石はかんらん岩質です。深さ 約 660 km を境に、上部マントルと下部マントルに分けます。

核が鉄でできていると考える手がかりは密度です。地球全体の平均密度は 約 5.5 g/cm³ で、地表の岩石の 約 2 倍あります。地表の岩石と同じものが中まで詰まっているだけなら、この値になりません。宇宙から降ってくる隕石に鉄でできたものがあることも、手がかりの 1 つです。

核の中では、外側と内側で状態が違います。深さ 約 2900 km の境（グーテンベルク不連続面）より下へ S 波は進めず、ここから外核は液体と考えられています。液体の鉄の流れは、地球の磁場を生むはたらきも担っています。一方、外核と内核の境（レーマン不連続面）より内側は固体です。中心に近いほど温度は高いのに固体なのは、圧力がきわめて大きいからです。圧力が高いほど、鉄の溶ける温度も上がります。圧力鍋の中の水が 100℃ を超えても沸騰しないのと同じ向きの話で、内核の鉄は高温のまま押し固められています。

届かない場所が語ること

大きな地震が起きると、震央から遠く離れた地域に、波の届かない帯ができます。これを地震波の影（シャドーゾーン）といいます。震央からの角距離（地球の中心から見た、震央と観測点の間の角度）で 約 103° より遠いところには、S 波が届きません。P 波は 約 103°〜143° の範囲にほとんど届かず、その先にはまた届きます。S 波の影は外核が液体であることを、P 波の影は外核に入ると P 波が急に遅くなることを示しています。影の図は例題4で読みます。

リソスフェアとアセノスフェア

ここまでの地殻、マントルという分け方は、物質による区分でした。これとは別に、硬さ（流れにくさ）で分ける見方があります。地殻とマントルの最上部は、合わせて 1 枚のかたい板のようにふるまいます。これがリソスフェアで、厚さは場所によって差がありますが 約 100 km、プレートの正体はこの層です。その下には、高温のためにやわらかく流れやすいアセノスフェアが続きます。どちらも固体です。プレートが年に数 cm の速さで動けるのは、下にこのやわらかい層があるからです。

例題で解き方を確かめる

例題1　層の見分け

次の a〜d にあてはまる層を、地殻、マントル、外核、内核から 1 つずつ選びなさい。

• a 主に鉄からなる液体の層
• b かんらん岩質の岩石からなる固体の層で、地球の体積の大部分を占める
• c 主に鉄からなる固体の層
• d 大陸では花こう岩質の岩石を含み、海洋では玄武岩質の岩石からなる層

手順は次のとおりです。

1. 「鉄か岩石か」で 2 組に分けます。物質で分ければ、候補を一度に半分に絞れるからです。a と c は鉄なので核、b と d は岩石なので地殻かマントルです。
2. 鉄の組は状態で見分けます。同じ物質なので、違いは状態にしかないからです。液体の a が外核、固体の c が内核です。
3. 岩石の組は岩石の名前で見分けます。花こう岩質と玄武岩質は地殻、かんらん岩質はマントルと対応するからです。b がマントル、d が地殻です。

答え: a 外核、b マントル、c 内核、d 地殻

例題2　走時曲線の読み取り

図2は、ごく浅い地震について、震央距離と P 波の到達時間の関係を表したグラフです。このようなグラフを走時曲線といいます。点の値は下の表のとおりです。右下の小さな図は、地殻の厚さを 30 km として、震央距離 240 km の観測点へ向かう 2 つの経路を同じ縮尺で描いたものです。

1. 波 A の速さを求めなさい。(2) 波 B の速さを求めなさい。(3) 約 160 km より遠い観測点で、遠回りに見える波 B が波 A より先に届くのはなぜか、説明しなさい。

手順は次のとおりです。

1. 波 A は原点を通る直線なので、距離 ÷ 時間で速さが出ます。地震の発生と同時に走り出し、寄り道がないからです。120 ÷ 20.0 = 6.0 km/s です。
2. 波 B は原点を通らないので、2 点の差を使います。地殻を下りて上がる時間が余分に入っていて、グラフが上にずれているからです。(400 − 200) ÷ (56.6 − 31.6) = 200 ÷ 25.0 = 8.0 km/s です。うっかり 400 ÷ 56.6 と割ると 約 7.1 km/s になり、ずれの分だけ遅く出ます。
3. 速さと層を結びつけます。波の速さは通った層の名札になるからです。6.0 km/s は地殻の P 波の範囲に入り、8.0 km/s はマントル最上部の値です。
4. 折れ目の意味を考えます。走時曲線の折れ目は、先に届く波が入れ替わる点だからです。一般道と高速道路を思い浮かべてください。近所へ行くなら一般道のままが早く、遠くへ行くなら入口まで寄り道をしても高速に乗った方が早く着きます。地殻が一般道、モホ面の下が高速道路にあたります。

答え: (1) 6.0 km/s (2) 8.0 km/s (3) 波 B は地殻より速いマントル最上部を長く通るので、距離が遠いほど下りて上がる寄り道の時間を取り返せるから

同じ読み方で、地殻が厚いほど折れ目は遠くへ動きます。高速の入口が遠いほど、乗り換えて早くなる距離も延びるからです。モホロビチッチが見つけた 2 種類の P 波とは、この波 A と波 B のことでした。

例題3　核の大きさを計算する

地球の半径を 6400 km、核の上面の深さを 2900 km とします。(1) 核の体積は地球全体の約何 % ですか。(2) 核以外の部分の平均密度を 約 4.5 g/cm³、核の平均密度を 約 11 g/cm³ として、地球全体の平均密度を求めなさい。

手順は次のとおりです。

1. 核の半径を出します。6400 − 2900 = 3500 km です。深さは地表から測った値で、体積の計算に要るのは中心からの距離だからです。
2. 体積の比を半径の比の 3 乗で求めます。球の体積は半径の 3 乗に比例するからです。(3500 ÷ 6400)³ は 約 0.164 なので、約 16% です。
3. 残りの 84% と核の 16% で平均をとります。質量は密度 × 体積なので、体積の割合で重みをつける必要があるからです。0.84 × 4.5 + 0.16 × 11 = 3.78 + 1.76 = 5.54 です。

答え: (1) 約 16% (2) 約 5.5 g/cm³

図1では核の半径は地球の半径の半分を超えて見えますが、体積は 6 分の 1 ほどしかありません。断面図の見た目と体積の割合は別物です。同じ計算で内核は (1300 ÷ 6400)³ から 約 0.8% と、1% にも届きません。一方で質量は 1.76 ÷ 5.54 から 約 32% となり、核は小さくても重さでは全体の 3 分の 1 に迫ります。地表の岩石より重い鉄が中心にあると考えれば、平均密度 約 5.5 g/cm³ の説明がつくわけです。

例題4　影の図から外核の状態を説明する

図3は、地表の震源から出た波の経路を、右半分に P 波、左半分に S 波として描いた模式図です。赤い帯は波の届かない範囲、× は S 波がそこから先へ進めないことを表します。(1) 外核が液体と考えられる理由を述べなさい。(2) P 波の影ができる理由を述べなさい。

手順は次のとおりです。

1. 図の事実を書き出します。事実と解釈を分けると、論述の筋が通るからです。S 波は角距離 約 103° より遠くへ届かず、核へ向かった S 波は境で途切れています。
2. S 波の性質を当てはめます。理由の答えには、事実をつなぐ根拠の性質が要るからです。S 波は固体しか伝わらないので、核の外側に固体でない層があるといえます。
3. P 波の速さの変化を確かめます。P 波は外核を通るので、影の原因は「止まること」ではないからです。外核に入ると P 波の速さは 約 14 km/s から 約 8 km/s へ急に遅くなります。
4. 屈折を図と結びつけます。遅い層に入る波は内側へ大きく曲がるからです。図3の右半分で、核に入った波は曲げられて 約 143° より遠くへ出ており、核をかすめた波は 約 103° に着くので、その間に波の来ない帯が残ります。

答え: (1) 固体しか伝わらない S 波が 約 103° より遠くへ届かず、深さ 約 2900 km より下の外核を通れないから (2) 外核に入った P 波が急に遅くなって大きく屈折し、約 103°〜143° の範囲に出てくる波がなくなるから

なお、この影の中にはごく弱い P 波が届いています。1936 年、レーマンはこの弱い波から、外核の内側に性質の違う部分があると考えました。内核は、届かないはずの場所に届いた弱い波から見つかった層です。

まちがえやすいところと直し方

誤り1　マントルを液体と書く

• 誤った書き方: 「マントルはどろどろに溶けた液体で、その上にプレートが浮かんでいる。」
• どこが違うか: マントルは S 波を通すので固体です。「流れる」と「液体である」を同じことだと思うと、この誤りになります。マントルが流れるのは、何百万年という長い時間で見たときの話です。地震波が通り過ぎる一瞬には、かたい固体としてふるまいます。
• 正しい書き方: 「マントルはかんらん岩質の固体の岩石で、長い時間をかけるとゆっくり流動する。」

誤り2　外核と内核の状態を逆にする

• 誤った書き方: 「内核はいちばん熱いので液体で、外核はそのまわりを包む固体である。」
• どこが違うか: 状態を決めるのは温度だけではありません。内核は温度も高いのですが、それ以上に圧力が大きく、鉄が固体のままでいます。もう 1 つの確かめ方は S 波です。図3のとおり S 波は外核の手前で止まるので、液体なのは外側の外核だとわかります。
• 正しい書き方: 「外核は液体の鉄、内核は固体の鉄である。内核は高温だが、圧力が非常に大きいため固体になっている。」

誤り3　リソスフェアを地殻と同じものと書く

• 誤った書き方: 「プレートは地殻の板で、モホ面がプレートの底である。」
• どこが違うか: 物質で分けた境と硬さで分けた境を混ぜています。図4のように、モホ面は岩石の種類が変わる物質の境（紺の線）で、海の下なら海面から十数 km、大陸の下なら 30〜60 km にあります。リソスフェアの底は硬さが変わる境（赤い破線）で、深さ 約 100 km のマントルの中にあります。破線の上下はどちらも同じマントルです。
• 正しい書き方: 「プレートはリソスフェアのことで、地殻とマントル最上部を合わせたかたい層である。その底はモホ面より深い。」

用語のまとめ

練習問題

練習1　次のア〜エのうち、正しいものを 1 つ選びなさい。

• ア 海洋地殻は大陸地殻より厚い。
• イ モホ面より下では、上より P 波の速さが大きい。
• ウ 外核は S 波も P 波も通さない。
• エ アセノスフェアは液体なので、その上をプレートが動ける。

練習2　地球を半径 32 cm の球で表します。地球の半径を 6400 km として、(1) 厚さ 40 km の大陸地殻は何 mm になりますか。(2) 半径 3500 km の核は半径何 cm になりますか。

練習3　ある走時曲線で、折れ目より遠い側の 2 点が、震央距離 240 km で 36.0 秒、400 km で 56.0 秒でした。この波の速さを求め、どの層を通ってきた波か答えなさい。

練習4　モホ面とリソスフェアの底の違いを、「何で分けた境か」に注目して 2 文で説明しなさい。

答えと解説

• 練習1の答えはイです。アは厚さが逆です。ウは P 波が外核を通るので誤りで、通らないのは S 波だけです。エはアセノスフェアも固体なので誤りです。
• 練習2の答えは (1) 2 mm、(2) 17.5 cm です。1 km あたり 32 ÷ 6400 = 0.005 cm なので、40 km は 0.2 cm、3500 km は 17.5 cm です。半径 32 cm の球にしても、大陸地殻は鉛筆の芯の太さほどしかありません。
• 練習3の答えは 8.0 km/s、マントル最上部です。折れ目より遠い側は原点を通らないので、(400 − 240) ÷ (56.0 − 36.0) = 160 ÷ 20.0 と 2 点の差で求めます。8.0 km/s は地殻の範囲より速く、モホ面の下を通った波だとわかります。
• 練習4の答えの例は次のとおりです。モホ面は岩石の種類で分けた物質の境で、地殻とマントルを分けます。リソスフェアの底は硬さで分けた境で、深さ 約 100 km のマントルの中にあります。

次の単元へのつながりと確かめ方

リソスフェアはプレートの単元の主役になり、P 波と S 波の性質は地震の単元で初期微動継続時間の計算に使います。岩石の名前は、火成岩の単元で分類表の中にもう一度出てきます。

机の上で 5 分あれば、次の 2 つを確かめられます。1 つ目は、白紙に円を描き、図1を見ずに 4 つの層の名前、境界の深さ、物質、状態を書き込むことです。2 つ目は、台所のゼリーと味噌汁を思い浮かべて、S 波が液体を通らない理由を 30 秒で説明することです。保護者の方は、お子さまに「外核が液体だとどうしてわかるの」と一言たずねてみてください。

個別指導では、図を見ずに断面図を描いてもらい、止まった層の手前まで戻ります。S 波の理由が言えないときは、中学で習う初期微動と主要動の話まで戻って、波の種類から確かめ直します。

まとめ

地球の中心まで行った人はいません。掘れた深さは半径の 約 0.2% で止まっています。それでも外核は液体だと言い切れるのは、S 波の来ない地域を世界中の地震計が記録してきたからです。断面図の 4 色は暗記用の塗り絵ではなく、波が通った道と通れなかった道を写した地図です。何も届かなかったという記録が、地球の奥の状態を教えています。