高校地理探究 地震災害と地盤—揺れと地盤変形の違いから被害の条件を比較する｜武蔵野個別指導塾

砂の粒と水の働き、揺れの増幅、断層のずれを区別し、条件から読み解く地震災害と地盤。

よくあるのは、高校生が液状化を「地面全体が溶ける現象」と説明する場面です。地震の後に泥水が噴き出したり建物が傾いたりする様子から、地面が液体に変わったと想像したのかもしれません。しかし、砂粒そのものが溶けるわけではありません。粒の間の水と粒同士の支え方が変わることが、説明の出発点です。

地震による被害を考えるとき、揺れの大きさ、揺れに伴う地盤の変形、断層運動による地表のずれは、別の関係として追う必要があります。同じ地震でも場所によって地盤は異なり、同じ地盤でも受ける揺れは異なります。ここでは地盤を通る波と砂・水・断層の動きを整理し、与えられた資料から言えることの範囲を比べます。

地震の資料で何を比べるか

問われ方の1つは、震源の位置や地盤の断面を見て、地表の揺れが異なる理由を説明する型です。地震波が生じる場所、波が通る経路、地表付近の地盤を順に見ます。震源からの距離だけが示されている場合と、地盤の硬さまで示されている場合では、説明できる範囲が違います。

別の型では、地下水を含む砂の地盤と締まった地盤を比べ、液状化につながる過程を問います。「砂」「水」「繰り返す揺れ」を並べるだけでなく、粒の間の水圧が高まり、粒同士の接触による支えが弱まるところまでつなげます。揺れを受けた場所がすべて液状化するとは限りません。

さらに、地表に残る段差やずれから、断層運動と液状化による変形を区別する型があります。段差という結果だけでは原因を決められません。地層の連続性や砂・地下水の条件など、別の手掛かりが必要です。どの型でも、資料の事実、そこから導く過程、なお残る不確実さを分けて書くと論理が明瞭になります。

波、粒、水、断層を分けて追う

プレート境界付近では、接するプレートの運動によって蓄積したひずみが解放され、地震が起こることがあります。内陸でも、地殻に力が加わって断層がずれれば地震が起こります。境界付近か内陸かは発生場所の区別であり、地表のある地点の揺れや液状化をそれだけで決める分類ではありません。地下の断層がずれると地震波が広がり、通り道や地盤の性質に応じて揺れが変わります。

図1のように、硬い地盤から軟らかい堆積層へ波が伝わると、地表付近の揺れが大きくなる場合があります。これを地盤増幅といいます。軟らかい層の厚さや性質、入ってくる波の周期などによって増幅の仕方は変わります。「軟らかい」という情報は比較の手掛かりですが、それだけであらゆる波の揺れの大小を断定することはできません。

図1では、波が地盤を通って揺れを生む経路と、断層のずれが地表に現れる経路を分けています。揺れは地震波が伝わる現象です。地表変位は、地表の位置や形が地震前から変わることです。揺れがおさまっても残る段差や水平のずれは地表変位の例ですが、変位の原因は断層運動に限りません。

液状化は、地下水で満たされた緩い砂地盤などが繰り返し揺らされると起こりやすくなります。砂粒は通常、互いに接触して上からの重さを支えています。揺れによって粒が詰まり直そうとすると、逃げにくい水の圧力が高まり、粒同士が支え合う力が小さくなります。その結果、地盤は一時的に強度を失い、液体のように振る舞うことがあります。砂は溶けず、水とともに移動することがあります。

水や砂が地表に噴き出すこと、地盤が沈むこと、構造物が傾くことは、液状化に伴って見られる現象です。ただし、噴き出しの有無だけで地下の状態の全体を決めることはできません。砂の締まり具合、水の状態、揺れの強さや続き方などを合わせて考えます。水を含む土地だから必ず液状化するとするのも、乾いた地表を見ただけで地下水がないとするのも、条件の飛躍です。

一方、震源の断層のずれが地表まで及ぶと、地表にずれや段差が現れることがあります。地下で断層が動いても、そのずれが地表に明瞭な断層として現れるとは限りません。地層内に変形が広がり、急な断ち切れではなく緩やかな曲がりとして現れる場合もあります。地表の変形を見たら、断層の直接の影響か、揺れによって生じた別の変形かを資料に照らして検討します。

建物などの被害は地盤だけで決まるわけでもありません。揺れの性質に加え、構造物の形や構造、地盤との関係も関わります。地盤の違いを説明する問題で建物の条件が同じと与えられたなら、その条件の下で地盤の効果を比較します。条件が与えられていなければ、実際の被害の大小まで言い切らず、必要な情報を挙げます。

断面を読む基本例題

次の資料は学習のために作った地盤の模式条件です。実際の地点や観測を表していません。

地点Aは硬い岩盤が地表近くにあります。地点Bは同じ岩盤の上に軟らかい堆積層が重なっています。両地点の岩盤に入る地震波は同じで、Bの堆積層はその波の揺れを増幅する性質を持つものとします。地表の揺れがより大きい地点を選び、波と地盤を使って2文以内で説明してください。

図2のように、比較の出発点は岩盤に入る波が同じという条件です。震源からの距離の違いや、別々の地震を持ち込む必要はありません。Bでは波が軟らかい堆積層を通る際に増幅すると条件で与えられています。したがって答えはBです。「同じ波が入っても、Bでは軟らかい堆積層で揺れが増幅されるため、地表の揺れが大きくなります」と書けます。

図2の矢印は波が下から伝わる向きを表し、長さを観測値として読ませるものではありません。Bの層が軟らかいという一般的な特徴に加え、この問題では対象の波を増幅すると明示しています。現実の地盤では波の周期と層の性質が関係するため、図だけで任意の揺れを予測しないようにします。答えを条件に戻すと、AとBへの入力は同じで、違いはBの層による増幅です。

水を含む砂を読む標準例題

同じ揺れを受けた地点CとDを比べます。Cの地下には地下水で満たされた緩い砂層があり、揺れの間に粒の間の水圧が上がりました。Dには締まった岩盤があり、同じような砂層はありません。Cで砂地盤の支持力が低下する過程を、砂粒、水圧、接触の3語を使って説明してください。また、Dの条件から言える範囲を1文で述べてください。

Cでは、繰り返す揺れにより砂粒が詰まり直そうとする際、粒の間の水圧が上がります。水が荷重を多く支えるようになると、砂粒同士の接触による支えが弱まり、砂地盤の支持力が低下します。これが液状化につながる筋道です。砂粒が水に溶けた、という説明では粒の接触と水圧の変化を表せません。

Dについては、この資料の砂層を原因とする液状化はCのようには説明できない、と述べます。Dの地表に別の薄い層があるか、岩盤に割れ目があるか、建物がどのような構造かは与えられていません。そのため、Dではあらゆる変形や被害が起きないとは言えません。比較条件に戻ると、同じ揺れでもCには緩い砂と水があり、Dにはその砂層がないことが説明の根拠です。

別解として「水圧の上昇で粒同士が押し合う力が減り、地盤が重さを支えにくくなる」でも因果関係が示されています。「水が増えたから沈む」だけでは、揺れと水圧の関係が抜けています。液状化後に水圧が下がって粒が再び支え合う場合もありますが、その過程で沈下や傾きが残り得ます。一時的な強度低下と、後に残る変形を区別してください。

発展例題：同じ段差でも原因は決まるか

地点Eでは地震後、地表に段差が現れました。調査資料には、地下水で満たされた緩い砂層があること、段差の近くで砂を含む水が噴き出したことが示されています。別の地点Fでも段差が現れ、異なる地層が段差の両側で食い違って連続する様子が確認されました。Fでは地下の断層運動に伴うずれが地表に及んだと資料が示しています。各地点について考えられる過程を述べ、Eの資料だけでは決められない点を1つ挙げてください。

Eは、砂層と地下水、噴き出した砂を含む水から、揺れに伴う液状化と地盤変形を考えられます。水圧の上昇で粒の支えが弱まり、砂や水の移動、沈下などにつながる筋道です。ただし、噴き出しと段差が近くにあるだけで段差の全てが液状化によると証明されたわけではありません。断層運動などの影響も含めて、地層の連続性や変形の広がりを調べる必要があります。

Fは、資料が断層運動による地表へのずれを明示しています。地層の食い違いもその説明に整合します。ここで「段差があるから断層」と考えたのではありません。地層の関係と、断層運動に関する追加条件を使っています。Fに揺れに伴う液状化が絶対にないとも、与えられた条件からは言えません。複数の過程が同じ地震で重なる可能性を残します。

条件を変え、Eの砂層が地下水で満たされているか不明だとします。砂を含む水の噴き出しは手掛かりですが、砂層の全体について水の状態や締まり具合を決めることはできません。液状化の可能性を検討しつつ、断定を控えます。逆にFの断層運動の情報を除き、段差の存在だけを残した場合も、原因は決まりません。同じ形から出発しても、根拠の違いに応じて結論の強さを変えることが、資料を読む際の要点です。

誤りの途中を直す

図3のように、誤った説明「地震で砂が溶けるので、液状化した土地は全部沈む」を分解します。前半では砂粒の状態を取り違え、後半では局所的な条件や変形の違いを無視しています。地面の見た目が流体に似ることと、物質が溶けることは別です。

修正すると「水を含む緩い砂地盤が揺らされ、粒の間の水圧が高まると、粒同士の支えが弱くなり、地盤が変形することがあります」となります。図3の矢印は、この因果の順序を示します。沈下は起こり得る変形の1つですが、地盤の条件や構造物の違いによって現れ方は異なります。

別の誤答は「震源に近い地点が、必ず遠い地点より大きく揺れる」です。距離は重要な条件ですが、地震波の伝わり方や表層の地盤も違います。距離だけの資料で比較できる範囲を超えていないかを確かめます。また、「断層の地震なら液状化しない」という説明も成り立ちません。地震の発生場所と、波を受ける地点の砂・水の条件は別の軸です。

別の条件で試す5問

以下は学習用に作った資料です。実際の地点や地震を表していません。それぞれ指定された形で答えてください。

1. 地点GとHには同じ波が岩盤に入ります。Gの地表付近の層はその波を増幅し、Hの層は増幅しないとします。地表の揺れが大きい地点と、その根拠を1文で答えてください。
2. 地点Iには地下水で満たされた緩い砂層があります。繰り返し揺らされて粒の間の水圧が高くなったとき、粒同士の支えはどう変わるか、理由を含めて1文で答えてください。
3. 地点Jには段差が見えますが、地層や地下水の資料はありません。段差を断層運動によるものと断定できるか答え、追加で調べる資料を1つ挙げてください。
4. 地点KとLは同じ地震を受けました。Kは震源に近く、Lは遠いことだけが示されています。地表の揺れの大小を必ず決められるか答え、その理由を1文で述べてください。
5. 地点Mでは地下の断層がずれましたが、地表まで明瞭な断ち切れが続くかは示されていません。地表に明瞭な断層が必ず現れるか答え、別の変形の現れ方を1つ挙げてください。

答えと道筋

1. Gです。岩盤に入る波が同じで、Gの層はその波を増幅するのに対し、Hの層は増幅しないからです。入力を同じ条件に戻し、層の作用の差を確認します。震源の位置を根拠に加える必要はありません。
2. 水圧が上がると、砂粒同士の接触による支えは弱くなります。水が粒の間で荷重を支える割合が増えるためです。「粒同士が押し合う力が小さくなる」という表現も同じ関係を示します。水圧の上昇を原因、支えの低下を結果に置けているかを確認します。
3. 断定できません。例えば、段差の両側で地層がどう連続しているかを調べます。地下水や砂層の状態を調べる答えも、液状化など別の過程を検討する資料として適切です。段差の存在だけが与えられた条件に戻り、原因を追加していないか確かめます。
4. 必ずは決められません。波の伝わり方や地表付近の地盤の違いによって、揺れの大小が変わり得るからです。距離が重要であることと、距離だけで全地点の揺れを決定できることは異なります。地盤の情報が与えられていない条件を見落とさないでください。
5. 必ず現れるとは言えません。例えば、地層の中に変形が広がり、地表が緩やかに曲がる場合があります。地下のずれの存在と地表の明瞭な断ち切れは別の事実です。問題は地表までの変形を指定していないので、現れ方を決めつけない答えが条件に合います。

覚えておくこと

地震の発生場所と、地表の揺れを大きくする地盤の条件を分けます。
液状化は砂が溶ける現象ではなく、水圧上昇で粒の支えが弱まる過程です。
断層運動の地表へのずれと、揺れに伴う地盤変形を区別します。
段差や被害の見た目だけで原因を決めず、地層や水の資料を重ねます。

答えが止まった場所を見つける

「液状化」という語を知っていても、粒と水の間に何が起きるか説明できなければ、用語と過程が結びついていません。砂粒を点、水をその間として描き、揺れの前後で何が変わるかを口に出してみます。砂が溶けるという説明が出た場合は、粒自体の変化と粒の支え方の変化を分けて尋ねます。

比較の理由が書けない場合は、まず資料の共通条件と異なる条件を線で分けます。同じ波が入ると書かれているのか、単に距離が示されているのかで、利用できる根拠が変わります。結論に「必ず」を付けたら、他に変わり得る条件が残っていないかも確かめます。

個別指導で確かめるなら、断面の説明を読んだ後に図を隠し、波の経路と変形の原因を自分の言葉でたどれるかを見ると、用語の取り違えと因果の抜けを区別できます。段差から断層を即断した場合は、別の成因を問うだけでなく、何の資料があれば比較できるかまで尋ねます。地震災害の説明は、見えた変化から地下の条件へ根拠をたどるところで深まります。