高校地学 発散境界と海嶺—伸張と減圧融解を一つの断面で説明する｜武蔵野個別指導塾

正断層と減圧による部分融解から、海洋プレートの形成までを断面図で読み解く発散境界です。

よくあるのは、高校生が海嶺の下の岩石はプレートどうしの摩擦熱だけで融ける、と考える場面です。左右に離れる矢印を描けても、固体のマントルがどこで上がり、なぜ液体の一部が生じるのかが抜けると、海底の新しい岩石まで道筋がつながりません。断面に運動と状態の変化を別々に書き込み、原因と結果を順に追ってみましょう。

要点（結論から）

• 発散境界ではプレートが相対的に離れ、伸張に伴う正断層が生じ得ます。
• 海嶺下の主に固体のマントルが上昇し、減圧で部分融解を始めます。
• マグマの固結は海洋地殻をつくり、冷えたマントル部分も海洋リソスフェアに含まれます。

問題の入り口は運動、断層、融解

発散境界は、隣り合うプレートが互いに離れる境界です。出方の1つは、断面の左右の矢印から伸張を読み取り、海嶺の下の上昇とマグマの生成を説明する問題です。もう1つは、傾いた断層面と地層のずれから正断層を判定する問題です。さらに、圧力と温度の関係を表す資料から、上昇する岩石が部分融解を始める条件を判断する問題もあります。

どれも、用語の暗記に加えて、何を基準に比較するかが問われます。プレートの運動は隣のプレートに対する相対運動です。断層の上下は断層面を基準にします。融解は温度の高さだけでは決まらず、その圧力で融け始める温度との比較が必要です。観測できる地形と、地下で起きていると推定する過程も分けて書きます。

前提となるのは、地殻とマントルが物質による区分である一方、リソスフェアは長い時間で比較的硬く一体として動く部分という力学的な区分であることです。海洋プレートには海洋地殻とその下のマントルの一部が含まれます。地殻だけがプレートなのではありません。

海嶺の断面を順に読む

図1のように、海嶺を横切る鉛直断面では、両側のプレートが軸から離れます。海嶺は海底に連なる高まりで、その軸付近には引き伸ばされて生じた割れ目や谷が見られることがあります。リフトは伸張によってできる裂け目や谷を含む帯です。海嶺の軸付近に谷がある場合もありますが、どの海嶺でも同じ深さや形の谷があると決めつけてはいけません。

図1の中央の上向き矢印は、主に固体のまま長い時間をかけて流動するマントルの上昇を表します。マントル全体が液体の海という意味ではありません。板が離れる境界の下へ周囲から物質が移動し、上昇した部分の圧力が下がります。矢印は模式的な流れを示し、実際の速度や経路の細部を表したものではありません。

岩石が融け始める温度を、ここではその岩石の融解開始温度と呼びます。同じ組成の岩石では、一般に圧力が高いほど融解開始温度も高くなります。上昇する岩石が大きく熱を失わず、温度が大きく変化しない場合、圧力の低下に伴って融解開始温度が下がり、岩石の温度がそれに達することがあります。このとき融け始めることを減圧融解といいます。温度が少し下がっても融解開始温度の方が十分に下がれば融解は始まり得ます。圧力が下がればどんな冷たい岩石でも融ける、という意味ではありません。

融けるのは岩石全体ではなく、その一部です。これが部分融解です。生じた液体は周囲の固体の間を集まりながら移動し、上方に供給されます。地表に噴出したマグマや、地下に入り込んで固まったマグマが海洋地殻をつくります。その下には冷えて硬くなったマントルも加わり、海洋リソスフェアをなします。融けた液体がプレート全体を直接つくると考えると、マントル部分の説明が欠けます。

伸張に伴う断層も同じ断面に描けます。傾いた断層面の上に乗る側を上盤、下にある側を下盤といいます。上盤が下盤に対して下がったものが正断層です。紙面で高く描かれた側が上盤とは限りません。断層面を屋根の斜面のように見て、その上側にある岩体を選び、対応する地層の高さを比べます。

伸張、固体の上昇、減圧、部分融解、液体の移動と固結は、同じ場所に関わる異なる過程です。摩擦や熱の移動を考える場面はありますが、発散境界の標準的な説明を摩擦熱だけに置き換える根拠にはなりません。断面図では、離れる板の矢印と、マントルの上昇矢印、液体が生まれる位置を区別して書きます。

基本例題：同じ岩石の上昇を追う

次の表は説明のために作った条件で、実際の圧力や温度の測定値ではありません。同じ組成の岩石が上昇するとし、圧力を任意の単位、温度を共通の任意の単位で示します。温度が融解開始温度に等しいと融け始め、それより高いと部分融解の領域に入るものとします。

AからDへ上昇するとき、融解開始の状態と部分融解の領域にある状態を答え、理由を述べてください。またAとDで、融解開始温度から岩石の温度を引いた差を符号付きの整数で示してください。図2は同じ条件を、横軸に温度、縦軸に圧力をとって描いた模式図です。上へ行くほど圧力が低いことに注意します。

まずAでは、岩石の温度110は融解開始温度140より低く、融け始めていません。Bでも110は125より低いので同様です。Cでは110と110が等しくなり、条件によりここが融解開始です。Dでは110が95を上回るので、部分融解の領域にあります。図2で上昇経路が融解開始の線と交わる点がCです。線の右側では、その圧力の融解開始温度より岩石の温度が高くなっています。

差の計算では、問題で指定した順を守ります。

Aの差 = 140 - 110 = 30
Dの差 = 95 - 110 = -15

答えはCで融解開始、Dで部分融解の領域、差はAが30、Dが-15です。符号を元に戻して確かめると、110に30を加えれば140、110から15を引けば95です。岩石の温度は変えず、融解開始温度の変化によって比較の結果が変わっています。これは説明用の単純なモデルであり、実際の岩石の温度や融ける量を示すものではありません。

図の軸を逆に読んだり、線の交点を「完全に融ける点」としたりすると、同じ資料でも結論が変わります。Cでは融け始める条件を満たしたことまでが答えです。Dで液体がどれだけできるかは、この表には示されていないため求められません。

標準・発展：資料の差とモデルの条件

ある大陸の伸張帯を横切って、自作の標識点P、Qを測ることにします。直線上の右向きを正とし、基準時にはPが0 m、Qが100 mにあります。ある期間後、同じ基準に対してPは-3 m、Qは105 mです。観測値は誤差を含まないという問題の条件です。PとQの間隔が何m変化したかを整数で求め、伸張か短縮かを答えてください。両点の変位はこの期間の合計であり、実測値でも一定の速度の値でもありません。

初めの間隔は100 − 0 = 100 mです。後の間隔は105 − (-3) = 108 mです。したがって変化は108 − 100 = 8 mで、間隔が8 m増えたので伸張です。Pの位置-3 mとQの位置105 mを取り違えず、両点の位置差を取ることが要点です。地表の間隔の増加は伸張を示しますが、この数字だけから地下の融解量を求めることはできません。

別解では各点の変位を使います。Pの変位は-3 m、Qの変位は5 mです。QのPに対する変位は5 − (-3) = 8 mです。Pから見たQは右へ8 m遠ざかります。初めの100 mに8 mを加えた108 mが、後の位置から直接求めた間隔と一致します。片方の点が固定されていなくても、共通の基準で両点を測れば相対的な伸びを求められます。

実際の観測を設計するなら、伸張帯を横切る複数の点を、同じ基準と時刻の約束で繰り返し測ります。両点が同じ方向へ同じだけ動いた場合、位置は変わっても間隔は変わりません。共通の移動を伸張に数えないことが重要です。測定誤差や基準点のずれが変化と同じ程度なら、増加を確かな伸張と判断できません。繰り返し測定して不確かさを見積もり、複数の点の変化が同じ解釈を支えるかを調べます。

例えば時刻を横軸、2点間の距離を縦軸にとると、右上がりは距離の増加を表します。傾きは距離の変化を経過時間で割った平均の変化率です。点を結ぶ線が曲がる場合は、全期間の平均だけでは途中の変化を表せません。点のばらつきが大きいとき、わずかな傾きを実際の変化と断定しないことも大切です。

発展として、上の測定でPもQも共通に右へ10 m移動したとします。追加後の位置はPが7 m、Qが115 mで、間隔は108 mのままです。共通移動は差を取ると消えます。この操作は、測定の基準を変えても同じ時刻の2点間の距離が変わらないことを示します。ただし、実際の地形は一直線に限らず、点の配置や運動の向きによっては1本の基線だけでは伸張の全体像を捉えられません。

誤答を断面へ戻して直す

図3のような断層面を考えます。左上から右下へ傾く面に対し、右側の岩体が上盤です。同じ地層の印が上盤側で低くなっていれば、下盤に対する上盤の相対的な下降を示します。このとき正断層と判断します。図はずれた後の模式断面で、断層の傾きやずれの量を実際の値として示すものではありません。

誤答の例は「右側が紙面の下にあるから下盤で、上盤が上がった逆断層」です。地層の高さと、断層面の上側という位置関係を混同しています。まず断層面に指を沿わせ、面の上に乗る岩体を選びます。次に同じ地層の左右の高さを比べ、右側の上盤が相対的に下がったと直します。地層が傾いていたり複数の断層でずれたりする実際の断面では、対応する層を慎重に対比する必要があります。

もう1つの誤答は「上昇したマントルの温度が必ず上がるので融ける」です。図2では岩石の温度が一定でも融解開始温度との大小が変わりました。温度の変化と融解開始温度の変化を別に追い、「圧力が下がり、岩石の温度がその圧力での融解開始温度に達する」と修正します。上昇する固体の全体が液体に変わるわけではなく、できた液体の一部が集まるという点も加えます。

練習：条件を読み、根拠まで書く

以下の数値と資料は練習用に作ったもので、実際の地球の値ではありません。必要な値は各問の条件に限って使います。計算は指定した単位の整数で答え、記述は判断の根拠も添えてください。

1. 発散境界を横切る断面で、左右のプレートが互いに離れています。海嶺下の固体の上昇から新しい海洋地殻ができるまでを、圧力と部分融解に触れて説明してください。
2. 同じ組成の岩石の温度は上昇中ずっと80、融解開始温度は深い位置で105、浅い位置で70です。値は共通の任意の単位です。各位置で「融解開始温度 − 岩石の温度」を符号付きの整数で求め、浅い位置で融け始める条件を越えているか答えてください。
3. 傾く断層面の上の岩体にある地層の印は、面の下の対応する印より低い位置にあります。上盤と下盤の相対運動および断層の型を答え、「紙面で下だから下盤」という判断が成立するか説明してください。
4. 直線上の左の点Rは基準時に20 m、後に16 m、右の点Sは基準時に90 m、後に93 mです。右向きを正とします。点間距離の変化をmの整数で求め、後の距離に戻して確かめてください。
5. ある伸張帯で、距離の増加を示す測定値が得られましたが、その増加量は測定の不確かさと同程度でした。これだけで確かな伸張と地下の融解量を決めてよいか答え、次にどのような観測を加えるか述べてください。

解答と考え方

1. プレートが離れる境界の下で、主に固体のマントルが上昇します。圧力が下がり、岩石の温度がその圧力での融解開始温度に達すると部分融解が始まります。生じた液体が上方へ移動して冷え固まり、海洋地殻をつくります。新しい海洋リソスフェアには、その地殻だけでなく冷えて硬くなったマントルの部分も含まれます。液体と固体の行き先を分けて書くと、プレートを地殻と同一視せずに済みます。

2. 深い位置では105 − 80 = 25、浅い位置では70 − 80 = -10です。深い位置では温度が融解開始温度より25低く、浅い位置では10高いので、条件を越えています。80に25を加えて105、80から10を引いて70と、元の値に戻して確かめます。差の符号は引く順を入れ替えると逆になるため、計算の前に差の定義を確認します。

3. 上盤が下盤に対して下がった正断層です。上盤は断層面の上に位置する岩体であり、紙面のどちら側に低く描かれたかだけでは決まりません。相対運動は対応する地層の印の高さを比べて判断します。面の傾きと地層のずれの両方を根拠にします。

4. 基準時の距離は90 − 20 = 70 m、後の距離は93 − 16 = 77 mです。変化は77 − 70 = 7 mで、7 mの増加です。Rは-4 m、Sは3 m移動したので、相対的な変化も3 − (-4) = 7 mです。初めの70 mに7 mを加えると後の77 mに戻ります。点の位置を足すのではなく、右の位置から左の位置を引いて距離にします。

5. 増加量が誤差と同程度なら、それだけでは確かな伸張と判断できません。また、地表の距離だけから地下の融解量も決められません。同じ基準で繰り返し測って不確かさを見積もり、伸張帯を横切る複数の基線で距離の変化を比べます。観測を増やしても誤差が系統的に偏る可能性は残るので、基準点や測定方法も点検します。地形や火成活動の資料は別の手掛かりになりますが、1種類の資料から得られる結論と区別します。

要点を断面に残す

• 発散境界ではプレートが相対的に離れ、伸張に伴う正断層が生じ得ます。
• 海嶺下の主に固体のマントルが上昇し、減圧で部分融解を始めます。
• マグマの固結は海洋地殻をつくり、冷えたマントル部分も海洋リソスフェアに含まれます。
• 温度と融解開始温度の比較には、同じ圧力という条件が必要です。
• 地表の距離変化や地形だけで地下の融解量を決めることはできません。

答案のどこで止まったかを見分ける

矢印が左右とも同じ向きなら、隣の板に対する運動を図に戻して確かめます。矢印は離れていても「摩擦で融ける」と書いた場合は、固体の上昇と圧力の変化を一文ずつつなぎ直します。上盤を選べない場合には、断層面の上側を塗ってから、対応する地層の上下を比べます。

個別に答案を見るときは、数字が合っているかに加えて、位置と変位を区別し、差を取る順序と単位が書かれているかを確かめます。グラフなら軸の向きと交点の意味を言葉にしてもらいます。海嶺の断面は、動く板、上がる固体、集まる液体を分けて描くと因果関係が見えてきます。