高校地学 地球内部の層区分—物質と力学的性質の二つの基準を使い分ける｜武蔵野個別指導塾

地殻とプレートの重なり、変形時間、資料の逆算から読み解くのは地球内部の層区分です。

よくあるのは、高校生が地球の断面を塗るとき、プレートを地殻だけの層として描くという場面です。地殻の下にもマントルがありますが、プレートの下端は地殻とマントルの境界とは限りません。色の境目が何を表すかを決めないまま塗ると、同じ場所に二つの名前がつく理由が見えなくなります。組成に注目した区分と、力を受けたときのふるまいによる区分を、別々のものさしとして重ねてみましょう。

どんな条件を読み取るか

問われ方には、断面に名称を入れる型、観測や実験の資料から境界を推定する型、推定の根拠と限界を文章にする型があります。どの型でも、はじめに区分の基準を確認します。物質の違いを表す地殻・マントル・核と、力学的なふるまいを表すリソスフェア・アセノスフェアは、同じ一列に並べる層名ではありません。

例えば、地殻の下端を示す線と、硬い板の下端を示す線が同じ図に引いてあれば、それぞれが何の変化を表すかを読みます。両線が離れていれば、その間はマントルに属しながら板にも属します。問題によっては硬さの判定基準や観察にかけた時間が与えられます。その条件を使って初めて、資料上の境目を決められます。

地球内部へ直接行って境界を測るわけではありません。地震波などの情報と物質の性質を結びつけて内部を推定します。現実の境界の深さは場所や定義によって異なるため、ここでは実際の境界深度を数値で固定しません。計算例の深さや変形量は、考え方を確かめるための自作の条件です。

二つのものさしを重ねる

地殻・マントル・核という区分は、主として物質の組成の違いに着目した区分です。地殻とマントルの境界はモホロビチッチ不連続面、略してモホ面と呼ばれます。地震波の伝わり方が変わることなどから区別しますが、境界を見つける観測上の手がかりと、その背後にある物質の違いは同じ意味ではありません。波の速さは組成のほか温度や圧力などにも影響されるからです。

核は地球の中心側にあり、主に鉄などを含む物質からなります。マントルは地殻と核の間に広がり、その大部分は固体です。長い時間をかけると固体でもゆっくり変形できるため、流動するという説明を聞いても、マントル全体を液体の海と考えてはいけません。ここでいう流動は、固体が長時間かけて形を変えることも含みます。

一方、リソスフェアは比較的硬く、一体の板としてふるまう部分です。地殻とその下のマントル上部の一部を含みます。プレートはこのリソスフェアの板です。その下には、長い時間の力に対して相対的に変形しやすいアセノスフェアがあります。アセノスフェアはマントルの一部であり、液体の層と決めつけることはできません。

図1のように、左側は組成、右側は力学的性質で同じ深さの範囲を見ています。模式図であり、幅や境界の位置は実際の比率を示しません。横線を見比べると、地殻の下にあるマントルの一部もリソスフェアに含まれています。両側の名前を一つの塗り分けに押し込めず、同じ位置に二つの分類が重なると考えます。

硬い、変形しやすいという言葉には時間の条件が必要です。短時間では形の変化が小さい固体でも、長い時間に力を受け続ければ変形が蓄積することがあります。材料の種類が同じでも、温度や圧力、加わる力の大きさ、時間によって応答は変わります。リソスフェアとアセノスフェアの境目は、地殻とマントルのような組成の境界と必ず一致するわけではありません。

地震波が通ることも、長時間の変形も、それぞれ別の時間尺度で物質を見ています。S波が伝わるという情報は、物質が短い時間のせん断に対して弾性的な応答を示すことを支持します。それだけで長時間の変形が起きないとは言えません。また、波の速さが変わった場所を見ても、変化の原因を一つに決めるには別の情報が必要です。

観測を設計するなら、複数の地震と観測点の組を使い、波が通った経路を変えて比べます。観測点の位置や到着時刻の読み取りに誤差があると、推定される境界も動きます。一つの記録の折れ曲がりだけから、全地域で同じ深さの面があると断定しないことが大切です。以下の計算は、そのような観測から得られた実測値ではなく、条件を明示した読み取り練習です。

同じ物質でも結果が変わる理由

手で押した短い間には元の形に近く戻る材料でも、一定の力が長く続けば、形の変化が残ることがあります。岩石についても、短時間の弾性的な応答と、長時間に及ぶ変形を区別して考えます。これは「時間がたてばどんな固体も必ず液体になる」という意味ではありません。観察する現象に合った時間と、温度、圧力、加える力を明記する必要があるということです。

例えば、同じ種類の材料を比較しても、一方だけ温度が高ければ、変形量の違いを時間の違いだけのせいにすることはできません。時間の影響を調べるには、温度や力などをなるべくそろえ、時間を変える組と比較します。測定した長さの変化を元の長さで割ると、長さの異なる試料についても変形の割合を比較しやすくなります。ただし割合が同じでも、試料の性質や力の条件が同じとは限りません。

境界の名前を資料から決めるときも、観測値と定義の両方が必要です。ある値より変形が大きい部分を区別する問題なら、境目はその問題の定義に従って選びます。値のわずかな違いが読み取り誤差の範囲に入る場合は、境目を細かく決めたように見せるより、どの範囲にありそうかを述べる方が資料に忠実です。

基本例題：二つの境界の間を読む

ある場所の鉛直断面について、自作の層モデルを考えます。深さは地表から下向きに測ります。組成上の地殻は深さ0 kmから30 kmまで、その下はマントルです。力学上のリソスフェアは地表から深さ90 kmまでとします。境界は水平で、図示した深さはこの問題の仮定です。地殻の下端からリソスフェアの下端までの厚さを、kmを単位とする整数で求め、その部分の二つの区分名を答えてください。

図2のように、上側の線が地殻の下端、下側の線がリソスフェアの下端です。両方とも地表を起点とする深さなので、間の厚さは深い方の値から浅い方の値を引いて求めます。深さの定義と同じ向きを使っていることを確かめて、次のように計算します。

間の厚さ = リソスフェアの下端の深さ - 地殻の下端の深さ
間の厚さ = 90 km - 30 km
間の厚さ = 60 km

答えは60 kmです。ここは地殻の下なので組成区分ではマントル、リソスフェアの下端より上なので力学区分ではリソスフェアです。したがって、マントルに属するリソスフェアの部分と表現できます。境界線そのものの所属は定義の仕方に左右されるので、ここでは二つの線の間の部分を考えています。

答えを条件に戻すと、地表からの30 kmに求めた60 kmを加えて90 kmとなります。両端の深さを再現できたので、引き算の向きと単位が合っています。このモデルでの板の厚さは90 kmですが、現実のプレートがどこでもその厚さであるという意味ではありません。

地殻の厚さを求める場合と、マントルのうち板に含まれる厚さを求める場合は、引く端点が異なります。図のどこからどこまでを問うているのかを先に指でたどると、30 kmと90 kmのどちらをそのまま答えるかという迷いを避けられます。

資料から境界を逆算する

標準例題：変形の割合と深さ

別の自作モデルで、深さ0 kmからの岩石について、同じ条件の力を同じ時間加えたときの変形の割合を調べたとします。深さ40 kmで0.2 %、80 kmで0.6 %、120 kmで1.0 %でした。この範囲では深さに対して変形の割合が直線的に変わると仮定します。モデル上、変形の割合が0.8 %となる深さを、kmを単位とする整数で求めてください。なお、この問題の値は実測値ではありません。

横軸を深さ、縦軸を変形の割合に取ると、深さが40 km増えるごとに割合は0.4 %ポイント増えます。ここでいう割合の差は、0.6 %から1.0 %への差のように、パーセントで示した値同士の差です。0.8 %は0.6 %と1.0 %の中間ですから、対応する深さも80 kmと120 kmの中間になります。

深さの増加に対する割合の増加 = 0.4 %ポイント / 40 km
80 kmからの割合の増加 = 0.8 % - 0.6 % = 0.2 %ポイント
80 kmからの深さの増加 = 40 km・(0.2)/(0.4) = 20 km
求める深さ = 80 km + 20 km = 100 km

答えは100 kmです。逆に100 kmは80 kmから20 km深いので、直線の条件では割合が0.2 %ポイント増え、0.6 %と合わせて0.8 %に戻ります。深さと割合の軸を入れ替えると、傾きの単位も逆になります。グラフの傾きが何を何で割ったものか、軸の名前から確かめてください。

別解として、40 kmと120 kmの値を使っても、0.8 %は0.2 %から1.0 %までの増加幅の4分の3の位置です。深さの幅80 kmの4分の3は60 kmなので、40 kmに足して100 kmです。どちらの解法も、測定点の間で直線とみなす条件を使います。点の外側まで同じ傾きが続くと仮定してよいかは、この資料だけでは決まりません。

この値は指定した変形割合に達する深さであって、問題に定義がなければ地球のリソスフェアの下端そのものとは言えません。材料や力、時間を変えれば割合も変わり得ます。例として、同じ試料に短い時間と長い時間を別々に設定し、力や温度などの条件をそろえて変形量を比較すれば、時間に伴う応答を調べられます。実験の実施は学校の指導の下で行い、測定器の分解能や試料のばらつきも結果に含めて考えます。

傾きが教えてくれることと限界

標準例題のグラフでは、横に深さを取り、縦に変形の割合を取りました。点が右上がりになるのは、この自作の条件で深くなるほど割合が増えるからです。傾きは深さ1 kmあたりに割合がどれだけ増えるかを表します。縦軸の目盛りを拡大すると線は急に見えますが、目盛りを読んで計算した傾きは変わりません。

実際の資料では、点が一直線に並ばないこともあります。測定誤差、試料の違い、場所ごとの条件の違いなどが重なり得るため、点を無理に一本の直線で結んで原因を決めつけないようにします。直線を用いる問題であっても、それは与えられた範囲内の近似なのか、全範囲の厳密な条件なのかを読み取ります。途中の値を求める内挿と、範囲の外を推測する外挿では必要な仮定が違います。

特に、割合の数値に一つの基準を置いて層名を決めるときは注意が必要です。基準を変えれば、同じ直線と交わる深さも変わります。測定結果から直ちに名前が生まれるわけではなく、観測の条件と区分の目的を踏まえた定義が間に入ります。名称を答えた後に、どの基準でそう判定したかを一文添える習慣が、資料の読み違いを防ぎます。

発展示例：時間の条件を変えて判定する

さらに別の自作モデルを考えます。ある深さの試料が一定の力を受け、観察する時間に比例して変形の割合が増えると仮定します。観察時間が2時間のとき0.3 %変形しました。このモデルで8時間後の変形の割合を小数第1位までの % で求めてください。また、変形が0.9 %を超えると「その観察時間で変形しやすい」と定義した場合、2時間と8時間の判定を比べてください。時間も割合も実際の地球の代表値ではありません。

同じ力で時間に比例するという条件から、8時間は2時間の4倍なので、変形の割合も4倍です。0.3 %・4 = 1.2 %となります。2時間では0.3 %で基準を超えず、8時間では1.2 %で基準を超えます。判定が違う理由は材料の名前が変わったためではなく、観察時間と、問題で決めた基準にあります。

逆算すると、1.2 %を4で割れば2時間分の0.3 %に戻ります。比例はこの問題に与えられたモデルであり、任意の時間に対する現実の岩石の変形を保証する式ではありません。実際には力や温度の条件、変形の仕方を吟味し、異なる時間尺度の観測を組み合わせて解釈します。

推定の幅を残す

境界を決めるには、データを集める範囲も重要です。異なる場所を通った地震波の記録を並べたとき、同じ深さ付近で変化が見えるとしても、経路が少ない場所では境界の位置を細かく決めにくくなります。観測点の配置を広げて経路を増やし、到着時刻の読み取り幅を含めて複数のモデルを比べれば、どの位置まで資料が絞り込めるかを調べられます。

モデルの厚さが一つに決まったとしても、それは設定した条件の下での結果です。実際には、場所によって温度や物質の状態が異なり、板の性質にも違いがあります。模式図に水平な線を描くときは、図が考える範囲を単純化していると説明します。図の見た目の正確さと、地球全体への適用可能性を混同しないことが、資料を扱う際の基本です。複数の説明が同じ資料に合うなら、それらを区別するにはどの観測を加えるとよいかも考えます。観測の不足を、自分に都合のよい一つの断面で埋めてはいけません。

誤った塗り方から立て直す

次の答案を考えます。「地殻の下はマントルだから、地殻の下にはプレートがない」。前半は組成区分についての説明ですが、後半は力学区分の範囲まで一緒に決めています。地殻の下がマントルであることから、その部分がリソスフェアに属さないとは導けません。

図3の左は誤った答案のように地殻だけを板とした模式図、右はマントル上部も含めて板を表した模式図です。どちらも実際の厚さの比ではありません。右のように修正すると、地殻とその下のマントル上部がリソスフェアとして一体に扱われ、その下にアセノスフェアが続くことが見えます。

別の誤りとして「アセノスフェアは変形しやすいから全体が液体だ」という言い方があります。変形しやすさは、力や時間を指定して初めて比較できる性質です。長い時間に変形する固体もあるので、変形のしやすさだけから液体と結論することはできません。固体でありながら長時間には変形し得る、と言い換えます。

「S波が通るなら長い時間にも変形しない」という答案も、短時間の波への応答と長時間の変形を混同しています。波が示す性質と、持続する力への応答を別々に述べると、同じ固体について両方の性質を矛盾なく説明できます。物質名、時間、どの力学的性質を見ているかの3点を答案に残しましょう。

数値の誤りも区分の混同から生じます。基本例題で90 kmをそのままマントル部分の厚さとすると、地殻の30 kmも数えてしまいます。板全体の厚さと板の中のマントル部分の厚さを図に別々の線分として示し、両者の差が地殻の厚さに戻ることを確かめます。

練習：資料を読み、根拠を添える

次の5問の数値と資料は、すべてこの練習のための自作の条件です。深さは地表から下向きを正とし、図が必要な場合は各自で模式的に描いてください。現実の境界深度や観測値を表すものではありません。

1. ある断面で地殻の下端を深さ25 km、リソスフェアの下端を深さ105 kmとします。リソスフェアに含まれるマントル部分の厚さをkmを単位とする整数で求め、答えの部分の組成区分と力学区分をそれぞれ書いてください。
2. 別の断面で、リソスフェア全体の厚さは130 km、そのうちマントルに属する部分の厚さは95 kmです。このモデルの地殻の厚さをkmを単位とする整数で求め、両部分を合わせた厚さが条件に戻ることを示してください。
3. 深さ50 kmで変形の割合が0.4 %、深さ110 kmで1.0 %です。この間は直線的に変化すると仮定します。0.7 %となる深さをkmを単位とする整数で求め、グラフの横軸と縦軸、および比例する増加量を示してください。
4. 同じ材料に同じ力を加え、一定時間あたりの変形の割合が一定とします。3時間で0.2 %の変形が生じたとき、12時間後の割合を小数第1位までの % で求めてください。さらに、この比例が条件として与えられていない場合、長時間後の割合を一意に決められるか、理由を書いてください。
5. ある観測資料では、同じ場所の物質にS波が伝わり、別の長時間の資料ではゆっくりした変形が示されています。これらは矛盾するでしょうか。両資料が見ている時間の違いに触れて説明し、これらの情報だけから液体の存在を断定できるかも答えてください。

解答と考え方

1. 105 km − 25 km = 80 kmです。組成区分はマントル、力学区分はリソスフェアです。25 kmに80 kmを加えると105 kmに戻り、地殻の下端から板の下端までを数えたことを確かめられます。両端を地表から測った深さとしてそろえた点が計算の前提です。

2. 130 km − 95 km = 35 kmです。このモデルでは板が地殻とその下のマントル部分からなるので、二つを合わせると35 km + 95 km = 130 kmとなり条件に戻ります。もし地殻の一部が板に入らないとする別のモデルなら、この差を地殻全体の厚さとすることはできません。

3. 答えは80 kmです。横軸を深さ、縦軸を変形の割合に取ると、0.7 %は0.4 %と1.0 %の中間なので、深さも50 kmと110 kmの中間になります。深さが30 km増える間に割合が0.3 %ポイント増えるため、80 kmで0.4 % + 0.3 % = 0.7 %に戻ります。直線という条件があるから中間どうしを対応させられます。

4. 12時間は3時間の4倍なので、0.2 %・4 = 0.8 %です。0.8 %を4で割ると3時間での0.2 %に戻ります。比例の条件がなければ、時間が延びた後に変形の速さが変わる可能性があるため、初めの測定値だけでは12時間後の割合を一意に決められません。

5. 矛盾しません。S波は短い時間のせん断への応答を調べ、ゆっくりした変形は長い時間の応答を示します。固体でも両方を示し得るため、長時間の変形だけで液体と断定できません。観測の誤差や通過経路にも注意し、異なる種類の資料を合わせて考えます。

手元に残す要点

地殻・マントル・核は主に物質の組成で区分します。
リソスフェアは地殻とマントル上部の一部を含む硬い板です。
アセノスフェアの変形しやすさは、力と時間を伴う性質です。
二つの境界の間の厚さは、同じ基準から測った深さの差で求めます。
資料の判定基準とモデルの範囲を答案に添えます。

答案のどこで迷ったかを見分ける

断面の色が途中で切れていたら、まず色が組成を表すのか板のふるまいを表すのかを尋ねます。両方を一色で表そうとしていた場合は、同じ断面の横に二つの区分を並べ、マントル上部に両方の名前がつくことを確かめます。線を引き直してから文章に戻すと、地殻と板を同一視した箇所が見つかります。

計算が合わない場合は、数字だけを追う前に端点と単位を図に書きます。求めた厚さを浅い方の深さに足し、問題の深い方の深さを再現できるか確かめます。資料読解では、軸の単位と時間の条件に印をつけ、境界の定義が資料に与えられたものか、自分で追加したものかを区別します。

個別に答案を見るときも、名称を言えたかに加え、その名称を選んだ理由と適用条件を確かめます。固体と流動を両立させて説明できるかを聞けば、短時間の波と長時間の変形を混同しているかも見えてきます。同じ場所を二つの基準で読み直すと、地球内部の断面は筋道のある図になります。