高校地学 衝突境界と横ずれ境界—地形と相対運動の違いを断面と平面で読む｜武蔵野個別指導塾

海嶺の間と外側の運動を比べ、大陸地殻の厚化とともに読み解くのは横ずれ境界です。

よくあるのは、海底の長い溝を地図で見て、その線の端から端までを現在活動するプレート境界として塗る場面です。溝の形は連続していても、両側のプレートがそこで互いにずれているとは限りません。逆に、大陸どうしの衝突では、地表の高まりだけでなく、地下で地殻が厚くなることにも目を向けます。断面で厚さを見て、平面で両側の運動を比べると、異なる境界の特徴を整理できます。

問題では何を見分けるか

出方には大きく3つの型があります。第1は、大陸を含むプレートどうしが近づく断面から、地殻の短縮と厚化を説明する型です。第2は、ずれた海嶺を上から見た図で、海嶺の間にある横ずれの活動区間と、その外へ延びる断裂帯を区別する型です。第3は、地形、地震の分布、移動の観測を比べ、どこまで言えるかを判断する資料読解です。

まず、プレートは地殻と上部マントルの最上部を含む、かたい岩盤のまとまりです。地殻の厚さとプレート全体の厚さは同じ意味ではありません。また、ある場所の移動を矢印で示すとき、何を基準にした運動かを確認します。プレート境界の型は、境界を挟む両側の相対運動で考えます。片方の矢印だけを見ても、もう片方が同じ向きに同じ速さで動くなら、両側の間に相対的なずれはありません。

断面は地下の重なりや厚さを、平面図は水平な配置と運動を見せます。平面図の左右を断面図の上下と読み替えないことが出発点です。ここで扱うのは衝突と横ずれを読むための基本モデルで、個々の山脈の形成史や岩石の分類には立ち入りません。

近づく境界と横にすれ違う境界

図1のように、大陸地殻を載せたプレートが互いに近づくと、境界付近には水平方向の短縮が生じます。大陸地殻は周囲のマントルより密度が小さく、深部へ沈み込み続けることに抵抗します。そのため、地殻が重なり合ったり褶曲したりして厚くなり、地表に高い山地や高原ができることがあります。厚くなった部分は地表の上だけでなく、地下にも根のように広がります。

図1は力学の要点を示す断面で、縮尺や実際の地下構造を再現したものではありません。衝突後も一方の地殻が他方の下に入り込む場合はあります。「軽い大陸地殻は絶対に下へ入らない」と断定せず、沈み込みに抵抗し、短縮や厚化が生じやすいと表現します。地殻は組成による区分であり、図の地殻の下にはマントルが続きます。マントルの大部分は固体です。

短縮と厚化のつながりは、条件を絞った模型で考えられます。断面に垂直な方向の長さが変わらず、地殻の面積が保存され、地殻が均一な厚さの長方形に変形するとします。変形前の幅をL、厚さをH、変形後をそれぞれl、hとすると、断面積が等しいのでL・H = l・hです。幅が小さくなれば、同じ面積を保つために平均の厚さは大きくなります。実際には侵食、物質の移動、密度の変化や立体的な変形もあり、この式を実地形にそのまま当てはめることはできません。

一方、横ずれ境界では、プレートが境界に沿って水平にすれ違います。境界の両側が近づくか離れるかを主に問う衝突や発散とは、比べる運動の向きが異なります。横ずれ境界にも地震は起こりますが、1回の地震ですべての相対運動が説明できるとは限りません。長い期間の平均的な相対運動と、個々の地震で起きたずれを区別します。

海嶺は新しい海洋地殻が生まれ、両側へ移動する場所です。平面図で海嶺の軸が途中で食い違うと、2つの海嶺軸の間を横ずれ境界がつなぐことがあります。単純なモデルでは、その間では境界の両側が逆向きに動きます。海嶺の外側へ続く線は断裂帯と呼ばれる地形の筋で、両側が同じプレートに属する区間では、プレート間の相対的な横ずれはありません。断裂帯という語を広く活動区間も含む帯として使う場合があるため、資料での用語の定義も確認します。

地形の筋が残ることと、現在そこがプレート境界であることは別の事柄です。同じプレート内でも変形や地震が全く起こらないとまでは言えません。ここで外側に境界がないという結論は、両側が同じプレートとして同じ運動をするというモデルの条件から得られます。現実の地形の線を見ただけで、活動の有無を決めることはできません。

基本例題：海嶺の間の運動をたどる

次の条件は、実際の観測値ではない自作の平面モデルです。東を正の向きとし、地図上の共通の基準に対して、プレートAは西へ2 cm/年、プレートBは東へ2 cm/年で動きます。南北に延びる2本の海嶺軸は、北側の軸が西、南側の軸が東にあります。両軸の端を東西の直線で結び、その線を両外側にも延長します。各海嶺軸の西側はA、東側はBです。軸の間では線の北側がB、南側がAです。

線を西側の外部、軸の間、東側の外部に分け、それぞれの両側のプレートと相対速度を求めてください。速度はcm/年の整数で示し、東向きを正とします。軸の間で北側が南側に対してどちらへ動くかも答えてください。図2の矢印と照合しましょう。

図2の平面では上が北、右が東です。長い水平線の色の違いは、線が連続していても区間を分けて考えるための表示です。まず軸の間を見ます。北側はBで東へ2 cm/年、南側はAで西へ2 cm/年です。北側の速度から南側の速度を引けば、南側を基準とした北側の速度になります。

北側の速度 = 2 cm/年
南側の速度 = -2 cm/年
北側の相対速度 = 2 - (-2)
                 = 4 cm/年

正の値なので、北側は南側に対して東へ4 cm/年で動きます。東西に延びる境界に沿った相対運動ですから、この区間が横ずれの活動区間です。北側から南側を見ると相手は西へ動くので、右横ずれと呼びます。反対側から見ても、向かい側は右へ動きます。

西側の外部では線の北側も南側もAです。速度は両方とも-2 cm/年なので、差は-2 − (-2) = 0 cm/年です。東側の外部では両側ともBで、差は2 − 2 = 0 cm/年です。どちらもこのモデルでは同じプレートの内部であり、海嶺の間の活動区間が延長した地形の線にすぎません。

答えを元に戻してみます。南側の-2 cm/年に相対速度の4 cm/年を加えると、北側の2 cm/年に戻ります。外側でも両側の速度を引けば0です。海嶺の食い違いの向きを見て、断層運動も同じ向きだと推測すると逆になるので、実際に両側の矢印を置いて確かめます。

標準・発展：厚さの計算と資料の読み方

標準例題：短縮から平均の厚さへ

自作の断面模型を考えます。地殻の幅は変形前が120 km、厚さは30 kmです。断面積を保って均一な長方形のまま幅が90 kmになったとき、平均の厚さをkmの整数で求めてください。断面に垂直な方向の長さは変化せず、侵食や物質の出入りはないとします。値は模型の条件であり、実際の地域の値ではありません。

前の断面積は120 kmと30 kmの積です。変形後の厚さをh kmと置くと、面積の保存から次の式が得られます。

120・30 = 90・h
3600 = 90・h
h = (3600)/(90)
h = 40

平均の厚さは40 kmです。検算では、変形後の90 kmと40 kmを掛けると3600 km²となり、変形前の120 kmと30 kmの積に戻ります。厚さの増加10 kmがそのまま地表の高さ10 kmを意味するわけではありません。厚化した地殻の下端も下がり得るうえ、模型には浮力や侵食の条件が含まれていないからです。

別解では、面積を保つため厚さは幅に反比例します。幅は前の(90)/(120) = (3)/(4)倍なので、厚さはその逆の(4)/(3)倍です。30 kmを(4)/(3)倍すると40 kmとなり、先ほどの答えに一致します。変形後の幅を前の幅で割るか、前を後で割るかを取り違えると、短くなったのに厚さも減るという不整合が生じます。

発展例題：同じ地形の線でも証拠を分ける

別の自作資料です。東西の地形の線に沿って、西から区間P、Q、Rが並びます。Qの両端に海嶺軸が接続しています。共通の基準に対する線の北側と南側の移動は、Pがどちらも西、Qが北側は東で南側は西、Rがどちらも東です。海嶺と線を除く部分は剛体的に動く2枚のプレートと仮定します。線に沿う現在のプレート間の横ずれを予想する区間を選び、その根拠を記述してください。

答えはQです。北側と南側の運動が逆向きなので、線を挟んで相対的な横ずれがあります。PとRでは、それぞれ線の両側が同じ向きに動き、条件の剛体モデルでは同じプレートに属します。地形が残っていても、現在のプレート間のずれの証拠にはなりません。問題の条件が「同じ向き」とだけ述べ、両側の速さが等しいかプレートの所属が指定されていなければ、速度差を求めることはできません。ここでは剛体的な2枚という条件が判断を支えています。

別の考え方は、海嶺軸を境にして西側と東側のプレートを色分けすることです。各区間で線の上下の色を比べ、異なるのはQ、同じなのはPとRと確かめます。地形の形だけで答えを選ぶのではなく、運動から分けたプレートが線の両側で異なるかを調べる方法です。

観測を設計するときは、地形の測線に加えて、線の両側に複数の位置を選び、同じ基準と期間で位置の変化を比較します。位置の差を時間に対して描くなら、横軸を時間、縦軸を境界に沿う相対変位とし、傾きが平均相対速度です。両点が同じ向きへ動いても、傾きが0ならその2点間に沿う相対変位は増えません。ただし短期間の停滞は、長期間の活動がない証拠とは限りません。

位置の誤差が変位に比べて大きい場合や、観測期間が短い場合は、傾きの符号や大きさが不確かになります。繰り返し観測し、誤差の幅を示し、地震の分布や海底地形と照らす必要があります。地震が観測されなかった区間も、観測網の範囲や期間が足りなければ、活動がないと結論できません。線の曲がりや複数の断層、プレート内部の変形は単純な2枚の模型から外れるため、資料が合わなければ模型の条件を見直します。

間違いを図で直す

図3のように、海嶺の端を越えた延長部まで赤く塗り、「長い溝の全体が活動する横ずれ境界」と答える誤りがあります。線が連続しているという観察は正しいのですが、地形の連続を現在のプレート間運動の連続と取り違えています。

修正するときは、まず海嶺軸の位置を印し、その間と外側に区切ります。次に線の両側のプレートを決めます。図3の下段では、軸の間だけ異なるプレートが接し、外側ではそれぞれ同じプレートが線を挟みます。赤い区間は現在の境界、灰色の区間はこの模型で境界ではない延長部です。右から左まで色を同じにする前に、各区間の両側を比べます。

もう1つの誤答は、横ずれ断層の左右の呼び名を、自分が地図のどちら側にいるかで決めることです。基準は向かい側が自分から見て左右のどちらへ動くかです。基本例題では北側から南を向けば東は左、西は右ですが、南側は北側に対して西へ動くので右横ずれです。南側から北を向いても、北側は東へ動き、やはり右側に見えます。向く方向と相手の相対運動を同時に描けば修正できます。

厚化の問題では、幅が(3)/(4)になったため厚さも(3)/(4)倍とする誤りがあります。面積が保存される条件では、幅と厚さの積が一定です。答えを出した後で積を元の面積に戻せば、計算の途中だけでなく立式の誤りも検出できます。保存される量を問題文が与えていないときは、面積一定を勝手に補わないことも必要です。

練習：区間、運動、厚さを確かめる

以下の値と資料はすべて自作の条件です。実際の地域の観測値ではありません。計算結果は指定どおりに示し、記述では理由も添えてください。

問題

1. 共通の基準から見て、東西に走る境界の北側が東へ3 cm/年、南側が西へ5 cm/年で動きます。東を正として、南側に対する北側の相対速度をcm/年の整数で求め、向きを答えてください。
2. 地殻を均一な長方形とする断面模型で、変形前の幅は80 km、厚さは24 kmです。断面積が保存され、幅が60 kmになりました。変形後の厚さをkmの整数で求め、積で検算してください。
3. ずれた2本の海嶺軸を結ぶ線の西の延長部では、線の両側がともにプレートCです。プレートCは共通の基準に対して東へ動きます。延長部でプレート間の横ずれ境界が活動すると言えるか、両側の運動を根拠に答えてください。プレートCは剛体として扱います。
4. 観測点の組の、東を正とする東西の相対変位が、基準時から4年後に12 cm、8年後に24 cmとなった自作資料があります。基準時の相対変位は0 cm、変化は一定とします。横軸を時間、縦軸を相対変位としたグラフの傾きをcm/年の整数で求め、8年後の変位に戻して確かめてください。
5. 大陸を含む2枚のプレートが近づく断面で、ある答案は「高い山があるから、地殻は上方にだけ厚くなり、地下では厚さが変化しない」と述べました。どこに根拠の不足があるか、短縮と地下の地殻を使って説明してください。

答えと解き方

1. 北側は3 cm/年、南側は-5 cm/年です。北側から南側を引くと3 − (-5) = 8 cm/年で、東向きです。南側の-5 cm/年に8 cm/年を加えると北側の3 cm/年に戻ります。片側の速さ5を答えにせず、差を取ります。

2. 変形前の面積は80・24 = 1920 km²です。変形後の厚さをh kmとすると60・h = 1920なので、h = 32です。60・32 = 1920 km²となって元の面積に戻ります。幅が(3)/(4)倍なので厚さが(4)/(3)倍という見方でも24・(4)/(3) = 32 kmです。

3. 言えません。延長部の両側は同じ剛体のプレートCに属し、互いにプレート間の相対運動をしないからです。共通の基準に対して東へ動くことは、線の両側が互いにずれることを意味しません。別の資料で内部変形が示された場合は、この剛体モデルを見直します。

4. 傾きは(24 − 0)/(8 − 0) = 3 cm/年です。4年後も3・4 = 12 cm、8年後も3・8 = 24 cmとなり、与えられた両方の値に戻ります。点を結ぶ直線の傾きは期間中の平均速度を表します。実際の点に誤差があるときは、2点が厳密に一直線に乗るとは限りません。

5. 収束に伴う短縮で地殻が厚くなる場合、厚化した地殻は地下にも根のように延びることがあります。地表の高さだけでは地下の厚さを決められず、上方にだけ厚くなるという結論の根拠が不足しています。地下構造を推定する別の観測と合わせて判断します。

覚えておく要点

• 衝突では地殻の短縮と厚化を、地表と地下の両方で考えます。
• 横ずれは境界の両側の相対的な水平運動です。
• ずれた海嶺の間と外側では、線の両側のプレートを別々に調べます。
• 地形の線、現在の運動、地震の分布は、それぞれ別の証拠です。

答案のどこで迷っているか

図を見て手が止まるときは、最初に視点を書き込んでみます。断面なら地表と地下、平面なら方位とプレートの境界を指せるかを確かめます。海嶺の間を選べても理由が書けない場合は、線の上下にプレート名と移動方向を置き、相手に対する動きを言葉にします。

計算で答えの符号が逆になる場合は、どちらを基準にどちらを引いたかを式の横に書きます。厚さの計算では保存する量とその単位を示し、答えを元の幅や時間に戻します。個別に答案を見るときも、線を塗った位置とその根拠、式と単位を対応させると、暗記の不足と図の読み違いを区別できます。境界の位置は、地形の線に沿う両側の運動から決まります。