高校地学基礎 地球内部の層構造—物質による区分と状態による区分を分ける｜武蔵野個別指導塾

地殻と上部マントルを含むプレートの範囲を図と例題で読み、2種類の区分で捉え直すのは地球内部の層構造です。

よくあるのは、地下の断面図を見た高校生が、プレートは地殻だけでできていると考える場面です。地殻の下にはマントルがあると覚えていても、そこにプレートの一部が含まれるとは結び付かないことがあります。名前を外側から順に並べる練習に、別の基準で範囲を囲む練習を重ねると、この違いを整理できます。まず学校の範囲表と授業ノート、ワークや小テストの該当箇所を見て、習った用語と図の表し方を確かめてください。

断面図で何を尋ねられるか

地球内部の問題には、区分の名前を答える型があります。表面から中心へ向かう順に地殻、マントル、核を置き、核の中を外核と内核に分けます。空欄の位置だけで答えるのではなく、その空欄がどの境界の外側にあるかを見ます。地球の中心に最も近い核を外核と取り違えると、その後の固体・液体の対応も逆になります。

もう1つは、同じ断面に異なる基準の線を重ねる型です。地殻とマントルは主に物質の違いによる区分で、リソスフェアは表層の硬い部分をまとめた区分です。地殻とマントルの境界を見つけても、そこがリソスフェアの下端とは限りません。図でプレートの範囲を尋ねられたら、名前だけでなくどの層のどこまでを含むかを答えます。

記述では、誤った説明のどこを直すかが問われます。例えば「マントルは液体だからプレートの外側にある」という文には、物質の状態とプレートの範囲の両方に確認すべき点があります。どちらか片方だけを直すと、残った誤りが理由の中に入り込むので、範囲と状態を別々に点検します。

2つのものさしを重ねる

物質に注目すると、地球は外側から地殻、マントル、核に大きく分けられます。地殻は地表を含む最も外側の層で、その内側に岩石からなるマントルがあります。核はさらに内側にあり、主に鉄やニッケルからなると考えられています。核を外側と内側に分けた名前が外核と内核です。順序を言うときは、表面から中心に向かっているのか、中心から表面に向かっているのかも添えると混乱を防げます。

図1のように、地殻とマントルの境界と、リソスフェアの下端は別の線として示します。図は位置関係を整理する模式図で、層の厚さや深さの比率を表していません。横に広い図では下へ進む方向が地下の深い方向に対応します。

図1では、地殻の全体と上部マントルの最上部を合わせた硬い部分がリソスフェアです。リソスフェアは岩石圏とも呼ばれ、いくつかのプレートに分かれています。したがって、地殻はプレートの一部ですが、プレートと地殻を同じ範囲にはできません。図の地殻と上部マントルを隔てる線を越えて、硬い部分の囲みが続くことが目印です。

リソスフェアの下には、上部マントルのうち比較的流動しやすいアセノスフェアがあります。流動しやすいとは、長い時間をかけると変形し流れる性質を指します。そこを含め、マントルは主に固体の岩石からなり、全体が液体という意味ではありません。一部に溶けた部分があることと、層全体が液体であることも区別します。

核については、外核は液体、内核は固体です。同じ核という物質の区分の中に、状態の異なる部分があります。逆にリソスフェアという硬さによる区分は、地殻と上部マントルという物質の区分をまたぎます。物質の名前を答える欄と状態を答える欄を作ると、同じ場所に2種類の答えがあっても矛盾しません。

地下の構造は直接見た断面の写真ではなく、さまざまな資料から考えられたものです。地震波の伝わり方も内部の状態を考える手がかりですが、波の観測からの詳しい推論はここでは扱いません。この節では、示された層の位置と性質を読み取ることに集中します。

基本例題：囲みが境界を越えるとき

次の模式図を読みます。図の上から、地殻、上部マントルの硬い部分、上部マントルの流動しやすい部分の順に並んでいます。太い囲みは、地表から上部マントルの硬い部分の下端までを示します。図は縮尺どおりではありません。

問いは2つです。囲みの範囲の名称を答え、含まれる物質による区分を「地殻」「上部マントル」の両方を使って説明してください。続けて、囲みの下にある部分も含むマントル全体が液体かどうかを答え、理由を「固体」「流動」の語を使って説明してください。

図2を使って、まず地表に接する層の名前を読みます。そこは地殻です。次に、地殻の下の線を越えたところを見ます。囲みはその線で終わらず、上部マントルの硬い部分まで続いています。この2段階の確認によって、囲みは地殻だけでないと判断できます。

次に、囲みの下端の位置を読みます。硬い部分と流動しやすい部分の境界で囲みが終わっています。したがって名称はリソスフェアで、その範囲は地殻と上部マントルの最上部です。リソスフェアが分かれた個々の板をプレートと呼びます。地殻の下にある部分も、囲みの中ならプレートを構成します。

状態については、マントル全体が液体という答えは誤りです。マントルは主に固体の岩石からなり、流動しやすい部分も長い時間をかけて変形します。流動という言葉だけで液体と決めず、どのような時間のかかり方で変形するかまで考えます。設問が求めた2つの語を入れれば、「マントルは主に固体で、流動しやすい部分も長時間では変形する」と書けます。

答えを図に戻して点検しましょう。地殻だけを塗ると、囲みのうち上部マントルにある部分が残ります。一方、マントル全体まで塗ると、囲みの下にはみ出します。正しい範囲なら囲みの上端から下端まで過不足なく塗れるので、名称と範囲の両方を確かめられます。文章で答える場合も、この塗り分けを頭の中でたどると説明が短くなります。

境界が別々にある場合の読み分け

次の文章を使った問題を考えます。ある模式断面では、表面から順に地殻、上部マントル、より深いマントル、外核、内核が示されています。上部マントルの最上部は硬く、そこから下には比較的流動しやすい部分があります。地殻と上部マントルの最上部を合わせた部分を硬い板として示しています。厚さの比は与えられていません。

次の記述ア〜エから正しいものを2つ選び、各記述について正誤の理由を述べてください。理由には、それぞれ「地殻」「上部マントル」「外核」「内核」のうち判断に必要な語を含めます。

ア　硬い板の下端は、必ず地殻と上部マントルの境界と一致します。

イ　硬い板には、地殻と上部マントルの一部が含まれます。

ウ　外核は液体で、内核は固体です。

エ　内核は外核よりも地表に近い位置にあります。

正しいのはイとウです。アを検討すると、板は地殻の下にある上部マントルの最上部まで続くと条件にあります。したがって板の下端は地殻と上部マントルの境界より深く、アは誤りです。イは、板を構成する2つの範囲が条件どおりなので正しい記述です。

ウでは範囲ではなく状態を比較しています。外核は液体、内核は固体なので正しい記述です。エは位置を尋ねています。地表から中心へ向かう順番では外核の次が内核ですから、地表に近いのは外核であり、エは誤りです。答えのイとウを問題文に戻すと、板の範囲も核の状態も条件と一致します。

分かれ目は、各文の述語が何を尋ねているかです。「含まれる」は範囲、「液体」は状態、「近い」は位置を表します。いずれも同じ層の名前を使いますが、判定に必要な境界や性質は異なります。厚さの比がない図から、板が地殻の何倍の厚さかを決めることはできません。図に描かれた幅は、与えられた位置関係を読むために使います。

誤答の線をどこに引き直すか

誤答の例は「プレートの下端は地殻とマントルの境界です」です。この答えでは、物質が変わる境界を、硬い板が終わる境界と同じものとして扱っています。地殻とマントルの境界を覚えていても、それをプレートの下端に使えるとは限りません。

図3では、左の囲みが地殻だけで止まっています。右の囲みは、地殻の下にある上部マントルの硬い部分まで含みます。2つを比べ、左に欠けている範囲を言葉で説明してください。

図3の左に欠けるのは、上部マントルの最上部です。修正すると「プレートは地殻と上部マントルの最上部からなる硬い板です」と書けます。単に「マントルも含む」と書くより、最上部までと示すほうが、マントル全体を囲む誤りを避けられます。

別の誤答に「外核は核の外側にあるのでマントルの一部です」があります。原因は「外」という語だけを見て、何に対する外側かを確かめていないことです。外核は核の中で内核より外側にある部分です。地表からはマントル、外核、内核の順になるように並べて修正します。

また、「内核は高温だから液体です」と答えた場合は、温度だけで状態を決めたことが原因です。内核は高い圧力のもとで固体と考えられています。温度に触れるなら圧力も考え、設問の資料で与えられた状態と照合します。外核が液体であることを理由に、隣の内核も同じ状態だと決めることもできません。

自分で区分を使う練習

次の4問に取り組みます。断面は模式的なもので、実際の深さや厚さを表していません。必要な範囲や順序は各問の条件から読み取ってください。

1. 地表から中心へ向かう断面に、地殻、マントル、外核、内核をそれぞれ1回ずつ置きます。この4つを地表側から順に並べてください。
2. ある模式断面の表面から下には、地殻、硬い上部マントル、流動しやすい上部マントルの順に層が描かれています。地殻と硬い上部マントルを合わせた範囲の名称を答え、「地殻」との範囲の違いを文章で説明してください。
3. ある説明に「マントルは流動するので全体が液体である」とあります。正誤を答え、「固体」と「長い時間」を使って理由を書いてください。
4. 地球内部について「核には外核と内核があり、主に鉄やニッケルからなる」と習いました。外核と内核の状態をそれぞれ答え、両者を地表に近い側から並べてください。

答えと考え方

1の答えは、地殻、マントル、外核、内核です。まず最外側に地殻を置き、その下にマントルを置きます。核に入ってからは外側の外核、中心側の内核の順です。答えを中心から逆にたどると、内核、外核、マントル、地殻となり、最初の条件にある4つを重複なく使えます。

2の答えはリソスフェアです。地殻に加えて、硬い上部マントルを含む点が地殻単独の範囲と異なります。条件に戻すと、地殻と硬い上部マントルの両方が含まれ、その下の流動しやすい部分は含まれません。地殻と上部マントルの境界では囲みを止めないことを確かめます。

3の説明は誤りです。マントルは主に固体の岩石からなり、流動しやすい部分も長い時間をかけて変形するためです。条件にある「流動」という性質は認めつつ、「全体が液体」という結論を直します。流動という語を消すだけでは、誤った結論が残るので注意します。

4は外核が液体、内核が固体で、地表に近い側から外核、内核です。どちらも核に含まれ、主に鉄やニッケルからなるという条件に戻しても、状態が同一でなければならないという決まりはありません。物質による共通の区分と、状態による違いをそれぞれ答えられているか確かめます。

最後に残す4行

地表から中心へ、地殻、マントル、外核、内核の順です。
外核は液体、内核は固体で、マントルは主に固体です。
リソスフェアは地殻と上部マントルの最上部を含む硬い部分です。
地殻の下端とリソスフェアの下端を別の境界として読みます。

答案のどこで止まったかを見る

層の順番を逆に書いたときは、中心から数えたのか地表から数えたのかを答案の矢印で確かめます。順番は合っているのにプレートを地殻だけとした場合は、地殻と上部マントルの境界を指さし、硬い囲みの下端がどこにあるかを図に書き足します。両方の線を別に描ければ、用語を覚えているかだけでなく範囲を読めているかも見えます。

個別指導で確かめるなら、まず本人に層の境界とプレートの下端を異なる線で示してもらい、その後で文章に直します。「固体なのに流動する」という説明が止まったときは、状態と長い時間での変形を別の欄に書きます。どちらの欄で迷ったかをたどることで、復習する語を絞れます。境界の基準を言葉にできれば、同じ断面を2つのものさしで読めます。