高校地学 古地磁気と逆転の記録—冷却時の磁化から過去の向きを読み取る｜武蔵野個別指導塾

冷却時の残留磁化と記録後の回転を区別し、片側速度と帯幅から古地磁気の記録期間を算出します。

よくあるのは、岩石に残った磁化が逆向きになったと聞き、逆転のたびに地軸が上下逆になったと考える場面です。磁石の向きの変化と地球の自転軸の変化は別の事柄です。岩石が記録した向き、記録後の岩石の移動、年代を知るための別の証拠を分けて考えると、資料から言えることがはっきりします。

岩石の向きから何を問うか

資料問題には、冷えた岩石の磁化の向きから当時の磁場の極性を判定する型があります。また、正と逆の帯の並びを対比し、磁場が変化した順序を読む型もあります。さらに、帯の幅と移動速度を使って継続時間を求め、その計算に必要な仮定を説明する型があります。どの型でも、測った向きがいつ固定され、その後に何が起きたかが出発点です。

現在の地磁気と同じ極性を正帯、反対の極性を逆帯と呼びます。正と逆は年代の正負や磁力の強弱ではありません。磁化の向きは方位と傾きを持つため、資料の向きの約束を先に確かめます。年代の大小は別の情報から判断します。

この先の数値資料は、計算の仕組みを考えるために作った条件です。地球の実測値や実際の逆転の年代ではありません。条件を外すと答えが変わるので、式の前に何を一定としたかを書きましょう。

冷却した岩石が残すもの

溶岩が冷えて固まるとき、磁性を持つ鉱物は周囲の磁場の影響を受けます。高温では熱運動が磁化を安定させにくく、冷却して鉱物ごとの特定の温度を下回ると、磁場に対応した磁化が残りやすくなります。こうした熱残留磁化が、過去の磁場を調べる手掛かりです。岩石の全粒子が完全に同じ向きになるという単純な図ではなく、測定される全体の磁化を考えます。

図1のように、岩石が冷える際の磁場が異なれば、適切な条件で保存された残留磁化の向きも異なります。矢印は模式的な方向で、実際の磁場を紙面の水平な向きに限定するものではありません。

図1の正と逆は、比較する基準に対する極性を示します。磁化が固定された後に岩石が回転すれば、現在の測定方向も回転します。元の姿勢を知る手掛かりがなければ、測定方向を当時の磁場の方向とそのまま同一視できません。後の加熱や変質で別の磁化が加わる可能性もあるため、複数の試料を比べ、採取時の姿勢と保存状態を記録する必要があります。

地磁気逆転は地磁気の主要な極性が反対になる現象です。自転軸の上下が入れ替わることを意味しません。また、磁極の位置が時間とともに移動することと、正逆の極性が入れ替わることも区別します。位置が移ることだけでは逆転したと判定できません。岩石の観測から見かけ上の磁極位置を求める場合には、岩石を載せたプレートの移動や回転も見かけの変化に関係します。

海嶺付近で生まれた岩石が両側へ移動し、新しい岩石が続いてできるとします。磁場の極性が変われば、冷却時期の異なる岩石に異なる極性が残ります。断面に並んだ帯は、場所ごとの冷却時期を通じて、時間の順序を表します。ただし帯の対称性は単純な生成と移動のモデルに対応するもので、乱れのない完全な対称を実際の海底のどこにでも要求するものではありません。

帯の順序がわかっても、それだけで何年前かという数値や逆転の周期は決まりません。独立に年代を推定した岩石や、年代が求められた層との対応などを使い、順序と時刻を結び付けます。放射年代測定も、その試料が何の時期を表すか、後の変化を受けたかを吟味して用います。年代の数値を磁化の向きから直接読み取ったことにはなりません。

磁化の検討では、試料がどの向きで地面にあったかを採取前に記録します。もし方位の記録を失った試料があれば、測定器が正確に磁化を示しても、地理的な方向へ戻すことはできません。その試料の方向だけで逆転を判定せず、姿勢を記録した別の試料や地質の情報を確かめます。逆に、複数の試料が整合していても、共通の後の加熱を受けた可能性は別に考えます。

境界付近では、採取位置の間隔も読み取りに影響します。離れた位置の試料が異なる極性を示しても、境界はその間のどこかにあるという範囲までしか決まりません。間隔を細かくして測り直し、位置の不確かさを幅の計算に反映させます。失われた試料や測定不能な試料を、都合のよい向きで埋めることはできません。

基本例題：帯の幅から続いた時間へ

自作の資料です。ある海嶺の片側で、海嶺から離れる向きに岩石が一定の速さ 2 km/万年で移動したと仮定します。ある逆帯の、移動方向に測った幅は 6 km です。帯の境界は極性の切り替わった時期に対応し、冷却の遅れと測定誤差は無視します。この逆極性が続いた時間を万年単位の整数で求め、幅に戻して確かめてください。

図2のように、片側の帯の幅は、その極性が続く間に後から生まれた岩石と先に生まれた岩石が離れた距離に対応します。片側の移動速度を使うので、両側の帯を合わせた距離にはしません。

時間を t 万年とします。一定速度では距離が速度と時間の積になるので、条件をそのまま式にします。

幅 = 速度・時間
6 km = 2 km/万年・t 万年
t = 6/2 = 3 万年

答えは 3 万年です。単位を含めて戻すと、2 km/万年・3 万年 = 6 km となり、与えられた片側の幅に一致します。図2の帯の両端が表すのは逆極性の始まりと終わりに対応する境界です。境界のどちらが先かは、海嶺から遠い側ほど古いというモデルの条件から決めます。

別の見方では、1 万年に 2 km ずつ帯が広がるので、6 km はその 3 区間分です。距離を時間で割って速度とする式を覚えていても、この問題では時間を求めるために幅を速度で割ります。単位が万年に戻ることは、割る向きの点検に役立ちます。

境界の位置に誤差がある場合、幅は両端の位置の差です。片方の境界の読み違いも幅に影響します。速さが一定でない場合、幅を一定速度で割った値は実際の継続時間と一致するとは限りません。幅が広いという観察と、長く続いたという結論の間には速度の仮定があります。

標準・発展：順序と年代を結ぶ

次も自作資料です。海嶺の片側で、海嶺から外側へ向かう帯が順に正・逆・正と並びます。岩石は海嶺で生まれ、その後は一定の片側速度 4 km/万年で外側へ移動したと仮定します。中央の逆帯の内側境界は海嶺から 8 km、外側境界は 20 km です。境界ができた時期を現在から何万年前か整数で求め、逆極性の継続時間も整数で求めてください。現在の海嶺の位置を基準とし、冷却の遅れは無視します。

距離を速度で割ると、内側境界は 8/4 = 2 万年前、外側境界は 20/4 = 5 万年前です。外側が古く、逆極性は 5 万年前から 2 万年前まで続いたので、継続時間は 5 − 2 = 3 万年です。戻して調べると、2 万年で 8 km、5 万年で 20 km 移動します。両境界の距離をそれぞれ再現するため、順序も含めて条件に合います。

別解は、先に幅を 20 − 8 = 12 km とし、12 km を 4 km/万年で割る方法です。結果は同じ 3 万年です。この方法で求まるのは継続時間であり、両境界がそれぞれ何年前かを答えるには別途距離を使います。幅の情報だけから絶対的な時刻は定まりません。

ここで 4 km/万年が問題の仮定ではなく未知であったなら、幅だけから時間を一意に決められません。より速く動けば同じ幅を作る時間は短く、遅ければ長くなります。独立な年代が複数の境界について得られれば、距離と年代の関係から平均的な移動速度を検討できます。それでも、区間内の各時点で速度が一定だったことまでは自動的には証明されません。

距離を横軸、独立な方法で求めた年代を縦軸にとると、一定速度のモデルでは原点を通る直線になり、その傾きは時間を距離で割った量です。傾きそのものは速度ではなく、速度の逆数です。点のばらつきが大きい場合には、測定誤差、岩石の移動や年代決定の条件を検討し、直線から外れた原因を即座に逆転の変化と決めないようにします。

誤った読みを直す

「幅が広い帯ほど、逆転が速かった」という答えを考えます。図3のように、幅はある極性が記録された期間に対応する量です。極性が切り替わる途中の速さを、帯の幅から直接求めたわけではありません。一定の片側速度を仮定した場合には、広い帯ほどその極性が長く続いたと読み直します。

図3では帯の端を切り替わりの境界として簡略化しています。境界に幅を持つ記録があっても、冷却の時間差や試料の乱れなどを調べず、その幅を逆転に要した時間と断定できません。記録と現象そのものを分けて述べることが修正の要点です。

別の誤答は「逆帯があるから地軸が反転した」です。岩石が示すのは磁化の向きであり、自転軸の反転を直接示すものではありません。答えは「当時の磁場の極性が基準と反対だったことを示す。ただし記録後の回転や磁化の変化も検討する」と直します。磁極が少し移動したことも、ただちに正逆の交代を意味しません。

観測の設計では、複数の地点と試料を使い、採取した向きを記録します。測定前後に試料の状態を点検し、同じ帯に属する試料の結果がそろうかを比較します。向きがそろわない場合は、採取時の方位の誤り、岩石の回転、後の磁化などを候補に挙げます。都合のよい試料だけを選んで結論を固定しないことが、記録の信頼性を考える第一歩です。

練習：磁化と境界を読む

以下は自作の条件です。計算では冷却の遅れと誤差を無視し、片側の速さは一定とします。時間は万年、距離は km とし、整数で答えてください。

1. 片側速度が 3 km/万年、ある正帯の幅が 15 km です。正極性が続いた時間を求め、幅に戻して確かめてください。
2. 片側速度が 5 km/万年の場所で、逆帯の内側境界は海嶺から 10 km、外側境界は 30 km です。各境界の年代と継続時間を求めてください。
3. 一定速度のモデルで、ある帯が 7 万年間続き、片側速度が 2 km/万年でした。片側の幅を求め、時間に戻して確かめてください。
4. 同じ幅の帯が2地域にあり、一方の片側速度は他方の3倍です。それぞれの速度が一定なら、速い地域で記録された期間は遅い地域の何倍ですか。理由も書いてください。
5. 岩石の残留磁化が現在の基準と逆向きでした。採取後に試料の方位が正しく記録され、岩石の回転や後の磁化がないと仮定します。この観察から言えることと、自転軸について言えないことをそれぞれ書いてください。

答えと解き方

1. 15/3 = 5 より 5 万年です。3 km/万年・5 万年 = 15 km と、与えられた幅に戻ります。幅は片側の距離なので、速さを2倍にしません。
2. 内側は 10/5 = 2 万年前、外側は 30/5 = 6 万年前です。継続時間は 6 − 2 = 4 万年です。5 km/万年にそれぞれ 2 万年、6 万年を掛けると 10 km、30 km となり、境界の位置を再現します。幅 20 km を 5 km/万年で割っても 4 万年です。
3. 2・7 = 14 より 14 km です。14 km を 2 km/万年で割れば 7 万年となり、条件に戻ります。両側の合計を問う問題ではありません。
4. 1/3倍です。幅を L、遅い地域の速度を v とすると、期間は遅い地域で L/v、速い地域で L/(3・v) です。速い地域の期間に 3・v を掛けると L に戻り、両者の幅が等しい条件も満たします。速さが変動する場合はこの比をそのまま使えません。
5. 仮定の下では、磁化が固定されたときの磁場は現在の基準と反対の極性だったと言えます。この観察は自転軸が反転したことを示しません。試料が後から回転していないという条件を外すと、測定方向と当時の磁場の対応自体を再検討します。

覚えておきたいこと

• 冷却時に得た残留磁化は、保存条件を調べたうえで過去の磁場の手掛かりにします。
• 地磁気の逆転、自転軸の反転、磁極の位置の移動は別の事柄です。
• 帯幅から期間を求めるには、速度と距離の取り方を明示します。
• 磁化の順序を年代に結ぶには、独立な年代の根拠が必要です。

答案が止まったとき

磁化の矢印を見てすぐ地軸を描いた場合は、何が測定された量かを先に書き直します。帯幅の計算で答えが半分になった場合は、図に片側の距離と両側の距離を書き込み、速度と対応させます。個別に確かめるなら、境界の年代を求めた後に速度を掛け直し、元の距離を再現できるかを見ます。

方向がそろわない試料がある場合には、測定の間違いと決める前に、採取方位、回転、後の加熱という別々の可能性を挙げてみましょう。観測と仮定を区別した答案には、古い磁場を読み取る筋道が残ります。