【地学基礎】プレートテクトニクスの証拠を図解で総まとめ—大陸移動・海洋底拡大・ホットスポット｜武蔵野個別指導塾

海の底の縞模様から拡大の速さを求め、ハワイの火山列からプレートの向きを読む。そんな例題を解きながら、ウェゲナーの根拠からプルームまで一本の筋でたどれるはずです。

よくあるのは、塾の面談の席で定期テストの答案を広げたとき、「プレートが動いていると考えられる証拠を説明しなさい」という欄に「大陸の形がパズルのように合う」とだけ書かれていて、続きを尋ねると手が止まる、という場面です。海の底の縞模様の図には見覚えがあるのに、何を示す図なのかが言葉にならない。ハワイの火山列は覚えたのに、プレートの向きを聞かれると迷ってしまう。足りないのは暗記の量ではなく、証拠ごとに「それで何がわかるのか」を結びつける作業です。この単元を終えると、陸の証拠、海の底の証拠、火山列の証拠、動かす力の説明を順に話せるようになり、縞模様の図や火山の年代から速さと向きを自分で求められるようになります。

この単元で押さえること

• 大陸移動説: ウェゲナーが海岸線、地質、化石、氷河の跡を根拠に、大陸はかつて 1 つだったと唱えた説です。弱点は動かす力を説明できなかったことでした。
• 古地磁気: 岩石が固まるときに記録した昔の地球の磁場です。海の底の歴史を読む道具になりました。
• 海洋底拡大説: 海洋底は海嶺で生まれて両側へ広がり、海溝で沈み込むという説です。縞模様と年代の分布が裏づけます。
• ホットスポット: プレートの下でほぼ位置を変えずにマグマを生み続ける場所です。火山列からプレートの向きと速さが読めます。
• マントル対流とプルーム: 固体のマントルがゆっくり動く流れと、核の近くまで届く大きな上昇流、下降流です。

前の単元のプレートの境界が「いま何が起きているか」を扱ったのに対して、ここでは「なぜ動くと言い切れるのか」を扱い、この見方が次の地震の単元の土台になります。

基本の考え方

陸の証拠: ウェゲナーの大陸移動説

世界地図の大西洋を眺めると、南アメリカの東岸とアフリカの西岸がかみ合いそうに見えます。1912 年、ドイツの気象学者ウェゲナーはここから一歩進め、大陸はかつて 1 つの超大陸パンゲアをつくっていて、それが分かれて今の配置になったと唱えました。これが大陸移動説です。形が似ているだけなら偶然で片づけられてしまうので、ウェゲナーは種類の違う根拠を集めました。

• 海岸線の形: 南アメリカ東岸とアフリカ西岸の出入りが対応します。
• 地質のつながり: 海で隔てられた両岸で、同じ時代の岩石や山地の続きが見つかります。北アメリカ東部の山地とヨーロッパ北西部の山地がその例です。
• 化石の分布: 淡水にすむとされるは虫類メソサウルスの化石が、南アメリカとアフリカ南部の両方から出ます。広い海を泳いで渡ったとは考えにくい生物です。古生代の後半の植物グロッソプテリスの化石も、南半球の大陸とインドに広がっています。
• 氷河の跡: 古生代の後半の氷河が岩を削った跡が、南アメリカ、アフリカ南部、インド、オーストラリア、南極に残っています。いま暑い地域にまで氷河があったことになりますが、大陸を寄せ集めると南極の周りにまとまり、無理なく説明できます。

図1のように、南アメリカを回転させてアフリカに寄せると、海岸線はおおむね合い、メソサウルスの産地も 1 つの範囲に集まります。形、化石、気候という別々の手がかりが同じ結論を指す点が、この説の強みでした。ところが、硬い大陸がどうやって海洋底を押し分けて進むのか、どんな力がそれを動かすのかには答えられず、発表された当時は広く受け入れられませんでした。

海の底の証拠: 古地磁気と海洋底拡大説

止まっていた議論を動かしたのは、1950 年代以降に進んだ海の底の調査です。手がかりは古地磁気でした。玄武岩の溶岩には磁鉄鉱のような磁石の性質をもつ鉱物が含まれ、冷えて固まるときに、その時点の地球の磁場（地磁気）の向きに磁化して、その向きを残します。これが残留磁化です。方位磁針が向きを指したまま岩の中に閉じ込められた姿を思い浮かべてください。この記録を過去へたどると、地磁気は南北の向きを何度も入れ替えてきたことがわかりました。現在と同じ向きの時期を正磁極期、反対の時期を逆磁極期と呼びます。最後の逆転は約 77 万年前で、千葉県の地層にその記録がよく残っていたことが、チバニアンという時代名の由来になりました。

この道具を海へ持ち出します。船で磁力計を引いて海の上の地磁気の強さを測ると、標準より強い帯と弱い帯が海嶺に平行に交互に並び、しかも海嶺を軸に左右対称であることがわかりました。強い帯は岩石が現在と同じ向きに、弱い帯は逆向きに磁化している場所です。これをすっきり説明したのが、1960 年代の初めにヘスやディーツが唱えた海洋底拡大説です。海嶺の下で高温のマントル物質が上昇してマグマが生じ、できた新しい海洋地殻が両側へ運ばれていきます。海嶺を、左右へ同時に紙を送り出すレジの機械に見立ててみてください。紙にその時々の日付の印が押されるので、機械に近い部分ほど日付が新しく、左右の同じ長さのところには同じ日付が並びます。縞の実際の読み方は、次の節の図2で確かめます。

裏づけは縞だけではありません。海洋底の岩石の年代は海嶺で最も新しく、離れるほど古くなり、海洋底全体を見ても約 2 億年前より古いものはほとんどありません。大陸に約 40 億年前の岩石まで残っているのと対照的で、海洋底が海溝で沈み込んで入れ替わり続けていることを意味します。海底の堆積物も海嶺の近くでは薄く、離れるほど厚くなります。深海掘削で得た堆積物の一番下の化石も、海嶺から離れるほど古くなります。磁気、岩石の年代、堆積物という測り方の違う 3 つの結果が、同じ方向を指しているわけです。

こうした成果をまとめ、地球の表面を覆う硬い板（プレート）の動きで地震や火山や大山脈を説明する考えがプレートテクトニクスで、1960 年代の終わりごろに形が整いました。いまでは GPS など人工衛星を使った測位で、プレートの動きを直接測ることもできます。動きは年に数 cm で、爪が伸びるくらいの速さです。遅いようでも、両側を合わせて年に 3 cm 広がれば 2 億年で 6000 km になり、大西洋の幅と同じくらいの大きさになります。

火山列と動かす力: ホットスポットとプルーム

太平洋の真ん中にあるハワイは、プレートの境界から遠いのに活発な火山をもちます。その説明がホットスポットです。マントルの深いところから上がってくる高温の物質によって、プレートの動きとは関係なくほぼ同じ場所でマグマがつくられ続ける場所を指します。定位置のバーナーの上を鉄板がゆっくり滑っていく光景に似ていて、鉄板には焦げ跡が 1 列に残ります。できた火山はプレートに運ばれてホットスポットの上から離れると活動をやめ、波や沈降で低くなっていきます。そのため火山列は、ホットスポットから遠いものほど古く、低くなります。

ハワイ諸島から西北西へ延びる列は、ミッドウェーの先で折れ曲がり、北北西へ向かう天皇海山列へ続きます。年代は折れ曲がりの付近で約 4000〜5000 万年前、北の端の近くで約 8000 万年前です。教科書では、この折れ曲がりを太平洋プレートの動く向きが変わった記録として説明します。ホットスポット自体がいくらか動いた可能性も論じられていて、細かいところはいまも研究が続いています。

ウェゲナーが答えられなかった「動かす力」は、地球内部の熱に行き着きます。マントルは固体の岩石ですが、長い時間で見るとゆっくり流れます。氷河の氷が固体のまま谷を下っていくのと似ています。高温の部分が上がり、冷たい部分が下がるこの流れがマントル対流です。海嶺から離れたプレートは冷えて重くなり、海溝で沈み込みます。プレートを動かす力としては、沈み込む部分が自分の重みで引く力が大きいと考えられています。

さらに、地震波の速さの分布から、地球内部の高温の部分と低温の部分が推定できるようになりました。沈み込んだプレートは深さ約 660 km 付近にいったんたまり、やがて核との境界（深さ約 2900 km）へ落ちていくと考えられ、この下降流をコールドプルームと呼びます。核の近くから上がる大きな上昇流はホットプルームで、南太平洋やアフリカの下にあると考えられています。ホットスポットはこの上昇流と結びつけて説明されることの多い現象ですが、全体の姿はまだ研究の途中にあり、答案では「考えられている」という距離感を保つのが正確です。

例題で解き方を確かめる

例題1　ウェゲナーが挙げた根拠を選ぶ

次のア〜オのうち、ウェゲナーが大陸移動説の根拠として挙げたものをすべて選びなさい。

• ア　南アメリカ東岸とアフリカ西岸の海岸線の対応
• イ　メソサウルスの化石が大西洋の両側から出ること
• ウ　海嶺を軸に左右対称に並ぶ海底の磁気の縞模様
• エ　古生代の後半の氷河の跡が離れた大陸に分布すること
• オ　ハワイから延びる火山列の年代が規則的に変わること

1. 選択肢を「陸を歩いて調べられること」と「海の底を測って初めてわかること」に分けます。ウェゲナーの時代には海の底の調査がほとんど進んでいなかったので、時代で切り分けるのが早道です。
2. ア、イ、エは陸の地図と露頭からわかる内容なので、根拠に入ります。
3. ウは海底の磁気を船で測る必要があるので、1950 年代以降の成果です。根拠には入りません。
4. オは岩石の年代を数値で測る技術とホットスポットの考えが前提で、これも後の時代の証拠です。

答え: ア、イ、エ

例題2　縞模様の図から拡大の速さを求める

図2は、ある海嶺の周辺の海洋底で測った岩石の磁化の向きを、上から見た模式図です（距離と年代は計算しやすい値にしてあります）。境界 X の岩石の年代は約 300 万年前で、拡大の速さは一定とします。(1) 海洋底が片側へ広がる速さは年に何 cm か。(2) 右の端 Y の岩石の年代はいつか。(3) 海嶺の両側を合わせると、1 年に何 cm 広がるか。

1. 図の目盛りから距離を読みます。X は海嶺から 120 km です。年代は海嶺でほぼ 0 なので、距離の基準は海嶺の中央に置きます。
2. 単位をそろえます。答えを cm と年で出すので、120 km = 1.2 × 10⁷ cm、300 万年 = 3 × 10⁶ 年 とします。先にそろえておくと桁のまちがいが減るからです。
3. 速さは距離÷時間なので、1.2 × 10⁷ ÷ (3 × 10⁶) = 4 となり、片側は年に 4 cm です。
4. Y は海嶺から 240 km で、X のちょうど 2 倍の距離です。速さが一定なら年代も 2 倍になるので、約 600 万年前です。比で解くと、割り算の検算にもなります。
5. 海洋底は左右それぞれ年に 4 cm ずつ離れていくので、合わせて年に 8 cm です。「片側か両側か」を問いの文で確かめるのは、ここで答えが 2 倍ずれるからです。

答え: (1) 年に 4 cm　(2) 約 600 万年前　(3) 年に 8 cm

例題3　火山列からプレートの向きと速さを読む

図3は、ハワイの火山列を断面で表したものです。横方向は距離に比例させ、高さは強調してあります。(1) ハワイ島とミッドウェーの距離と年代から、太平洋プレートの平均の速さを年に何 cm か、整数で求めなさい。(2) このプレートは図の左右どちらへ動いているか答えなさい。

1. ホットスポットの位置はほぼ変わらないので、ミッドウェーは約 2800 万年かけて約 2400 km 運ばれた、と読み替えます。火山の年代を「運ばれていた時間」として使うための言い換えです。
2. 単位をそろえます。cm と年で答えるので、2400 km = 2.4 × 10⁸ cm、2800 万年 = 2.8 × 10⁷ 年 に直します。
3. 2.4 × 10⁸ ÷ (2.8 × 10⁷) = 8.57… なので、四捨五入して年に約 9 cm です。年に数 cm という目安の中では速い側で、太平洋プレートが速く動くプレートであることと合っています。
4. カウアイ島でも確かめます。500 km ÷ 500 万年 で年に約 10 cm となり、同じくらいの値です。2 か所の結果が近ければ、図の読み違いをしていないと判断できます。
5. 向きを決めます。火山はホットスポットの真上で生まれ、プレートに乗って運ばれるので、古い火山がある側がプレートの進んだ側です。図3で古い火山は左にあるので、動く向きは左です。実際の地図では西北西にあたります。

答え: (1) 年に約 9 cm　(2) 左向き（古い火山がある側）

例題4　受け入れられなかった理由を論述する

ウェゲナーの大陸移動説が発表当時に広く受け入れられなかった理由と、その後に見直されるきっかけとなった発見を、2 文で説明しなさい。

1. 問いを「受け入れられなかった理由」と「見直されたきっかけ」の 2 つに分けます。片方だけの答案になるのを防ぐためです。
2. 理由は「大陸を動かす力を説明できなかった」と書きます。ウェゲナーには根拠が十分にあったので、「証拠が無かった」と書くと弱点の場所を取り違えます。
3. きっかけは海の底の測定から選びます。縞模様と海洋底の年代の分布が、海洋底の生成と移動を示したことを挙げます。
4. 2 文を因果でつなぎます。大陸が単独で海洋底を押し分けるのではなく、大陸も海洋底とともにプレートに乗って動く、と描き直された点を入れると、なぜ弱点が消えたのかまで説明できます。

答え: 大陸を動かす力を説明できなかったため受け入れられなかった。その後、海嶺を軸に対称な地磁気の縞模様と海洋底の年代の分布から海洋底の拡大が示され、大陸も海洋底とともにプレートに乗って動くと説明できるようになった。

まちがえやすいところと直し方

縞模様を左右の違いと読む

誤った書き方は「海嶺の右側は正磁極期、左側は逆磁極期にできた岩石である」です。

どこが違うかというと、正と逆を分けているのは時間であって、海嶺の左右ではありません。同じ時期にできた岩石は両側へ同じ距離だけ運ばれるので、左右の同じ距離には同じ向きの岩石が並びます。また、縞は海底の色の模様ではなく、磁気を測ったときに現れる模様です。地磁気がその後に逆転しても、固まった岩石の中の向きは書き換わらないので、記録が順番どおりに残ります。

正しい書き方は「海嶺から同じ距離にある岩石は年代も磁化の向きも同じで、縞は海嶺を軸に左右対称に並ぶ」です。

火山列の向きを逆に答える

誤った書き方は「プレートは新しい火山ができる向きへ動いている」「ホットスポットが列に沿って移動している」です。

どこが違うかというと、動いているのはプレートのほうで、ホットスポットの位置はほとんど変わりません。新しい火山に目が行くと、そちらへ進んでいるように錯覚します。鉄板とバーナーで考えると、バーナーから遠い焦げ跡ほど先につき、鉄板はその遠い焦げ跡の方向へ進んでいます。図3の矢印が古い火山の側を向いているのはこのためです。

正しい書き方は「プレートは、火山列の古い火山がある向きへ動いている」です。

マントルを液体だと思う

誤った書き方は「マントルはどろどろに溶けた液体で、その流れにプレートが浮いて流されている」です。

どこが違うかというと、マントルは地震の S 波を伝えるので固体です。S 波が伝わらないのは液体の外核のほうで、マグマはマントルの限られた場所で一部が溶けて生じるものです。図4のように、海嶺の下の上昇も、沈み込むプレートも、核の近くまで届くプルームも、固体の岩石が長い時間をかけて動いた姿です。また、プレートは流れに運ばれるだけの乗客ではなく、沈み込む部分そのものが流れをつくる一員です。

正しい書き方は「マントルは固体の岩石のまま長い時間をかけてゆっくり流動し、プレートの沈み込みやプルームを含む対流をつくっている」です。

用語のまとめ

練習問題

練習1　次の文のうち、正しいものを 1 つ選びなさい。

• ア　海洋底の岩石は、海溝に近いほど新しい。
• イ　大陸移動説は、動かす力の説明とともに発表後すぐに広く認められた。
• ウ　海底の堆積物は、海嶺から離れるほど厚くなる傾向がある。
• エ　ホットスポットの火山は、プレートの境界にしかできない。

練習2　ある海嶺から片側へ 300 km 離れた海洋底の岩石の年代が約 1000 万年前でした。片側の拡大の速さと、両側を合わせた広がる速さを、それぞれ年に何 cm か求めなさい。

練習3　ホットスポットでできた火山 A、B、C が東西に一直線に並び、東から A、B、C の順にあります。A はいま活動中で、B は A から 240 km 離れて約 300 万年前の火山、C は A から 720 km 離れて約 900 万年前の火山です。プレートの動く向きと、年に何 cm かを答えなさい。

練習4　海洋底に約 2 億年前より古い岩石がほとんど見られない理由を、大陸と比べて 1 文で説明しなさい。

答えと解説

練習1の答えはウです。海洋底は海嶺で新しく海溝に近いほど古いのでアは逆、イは動かす力を説明できなかった点が逆、ハワイはプレートの内部にあるのでエも誤りです。堆積物は長い時間降り積もった分だけ厚くなるので、古い海洋底ほど厚いと考えれば筋が通ります。

練習2の答えは片側が年に 3 cm、両側が年に 6 cm です。300 km = 3 × 10⁷ cm、1000 万年 = 10⁷ 年 なので、割ると 3 になります。左右へ同じ速さで広がるので、両側はその 2 倍です。

練習3の答えは西向きに年に 8 cm です。古い火山が西にあるので、プレートは西へ動いています。A と B から 240 km ÷ 300 万年 で年に 8 cm、A と C から 720 km ÷ 900 万年 でも年に 8 cm となり、速さが一定だったことも読み取れます。

練習4の答えの例は「海洋底は海溝で沈み込んで失われ続けるが、軽い大陸は沈み込みにくく古い岩石が残るから」です。玄武岩質の海洋地殻をのせたプレートは冷えると重くなり、花こう岩質の大陸地殻は軽い、という違いが背景にあります。

次の単元へのつながりと確かめ方

「プレートは向きと速さをもって動く」という見方は、次の地震の単元で、海溝や内陸で地震が起こる理由の土台になります。火山の単元のホットスポット、日本列島の成り立ちの沈み込み、古生代の単元のパンゲアでも、ここで描いた図がそのまま使えます。

家では 5 分あれば次の 2 つで足ります。ひとつは、地図帳を開いてハワイから天皇海山列までを指でなぞり、指の進む向きと太平洋プレートの動く向きを声に出して比べることです。もうひとつは、白紙に海嶺を 1 本引き、左右に縞を対称に描いて、年代と磁化の向きを書き込み、お子さまが保護者の方に 1 分で説明してみることです。説明の途中で詰まった場所が、そのまま復習する場所になります。

個別指導で確かめるときは、縞模様の図が読めない場合、磁鉄鉱が向きを残すしくみと km から cm への単位の換算まで戻ります。計算が合っていて向きだけ違う場合は、図3の鉄板の見立てに戻って確かめます。

まとめ

大陸の形が合うという気づきは出発点にすぎず、議論に決着をつけたのは、ウェゲナーが見ることのできなかった海の底の測定でした。形だけなら偶然と言われても、磁気と年代と火山列がそろって同じ向きを指せば、もう偶然では済みません。証拠を挙げるときは、別々の道から同じ結論に着いたことを示してください。海の底の岩は、自分がいつ生まれたかを左右対称に書き残したまま、海溝へ向かって黙って運ばれていきます。