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第５回　地球の概観：　地震波と地球の内部

配付プリント等

• 　地震（Earthquake）は災害（Disaster）の代表的なものであり、地震が発生した場合には地震計（Seismograph、Seismometer）によって、時間の経過に伴う地震の揺れが記録されるが、それは地震記象（じしんきしょう）と呼ばれる。最初に到達する地震波（Seismic Waves）は、実体波（Body Waves）であるP波〔P-waves、Primary Waves：縦波（Longitudinal Waves）または疎密波（Compressional Waves）とも呼ばれる〕であり、次が実体波のS波〔S-waves、Secondary Waves：横波（Transverse Waves）とも呼ばれる〕であり、最後が表面波〔Surface Waves：レイリー波（Rayleigh Waves）とラブ波（Love Waves）からなる〕である。
  　地震が発生した地点は震源（地）（Hypocenter）であるが、地下である場合が普通であるので地表に投影した地点である震央（Epicenter）で代表されることが多い。震央から離れた多数の観測点における地震記象について、横軸に震央から観測点までの距離をとり、縦軸の時間に対して（揺れによる震動波形をプロットして）最初に到達した地震波の位置をとり、グラフで表したものは走時曲線（そうじきょくせん、Travel Time Curve）と呼ばれる。１９１０年頃、モホロビチッチ（Mohorovicic（最初のcの頭にv、後のcの頭に´））はそのようにして走時曲線を作成したところ、その線がある距離の所で折れ曲がることを見出した。検討の結果、これは地震波が地表付近の最短経路を通る場合以外にも、地下を迂回して地表よりも速く伝わる場合があるためであると考えた。つまり、地下に地震波速度の大きい物質が存在するためである。地表付近を伝わる波を直接波（Direct Waves）と、地下を伝わる波を屈折波（Refraction Waves）と呼ぶ。彼は、この地下にある物質は数十キロメートルの深さであることも明らかにした。現在では、彼が求めた深さは地殻とマントルの境界（この面をモホロビチッチ面またはモホ面と呼ぶことがある）であることが知られている。つまり、震源からあらゆる方向へ進んだ地震波のうち、マントル表層部を伝わる波が、地殻を伝わる波を追い越す現象だった訳である。
  　その後、地震波の速度は、それが伝わる物質の性質に応じて変化することを利用して、逆に地震波速度の変化から地下物質の様子を知ることができることが判ったため、多くの研究者が地球全体の地下構造を明らかにする研究を行った。その結果、地球は地表側から地殻（Crust）・マントル（Mantle：〜２９００キロメートル深度）・外核（Outer Core：〜５１００キロメートル深度）・内核（Inner Core）の４層からなることが明らかにされた。特に、外核ではS波が伝わらないことから（S-wave Shadow Zone）、液体（熔融している）状態であると考えられた。
  　さらに、隕石のデータや高温高圧室内実験の結果も合わせて、地球内部の圧力（地球中心部は地表の３６０万倍程度）と温度（地球中心部は６０００℃程度）の分布および構成物質の種類についても推定されている。
  　このように、地震波は、地球内部の情報を与えてくれる重要な役割を持つが、その災害の面での研究も進んできた。現在では、地震の原因は、地下における断層（Fault）の発生であることが判っている。つまり、主にプレート運動（Plate Movement）によって圧縮あるいは引張の応力（Stress）を受けた地下の岩盤は、その岩石の性質に応じた抵抗を続けるが、限界に達すると破壊される。破壊は一般に面で起こるが、その面がずれた場合に断層と呼び、その面を断層面（Fault Plane）と呼ぶ。その特徴は断層パラメータ（Fault Parameter）によって表現されている。その断層の形成に伴って生じる振動が地震波である。その大きさはマグニチュード（Magnitude、Richter Magnitude Scale）で表わされ、地震計による地震記象をもとに定義されている。しかし、定義の異なるいくつかのマグニチュードが知られており、地震モーメント（Earthquake Moment）を用いたモーメント・マグニチュード（Moment Magnitude）が近年には使われることが多くなっている。一方、地震波による影響を受ける場所では、その影響の度合いによって震度（Japan Meteorological Agency Seismic Intensity Scale）が定義されている。
• 『地球の概観：　地震波と地球の内部』。講義内容は以下について。
  『1.4　地震波と地球の内部』
  �@地震記象：地震発生時に、地震計によって時間経過に対して記録された地震動（の大きさ）の変化を地震記象と呼ぶ。
  （１）実体波（Body waves）
  　・P波（Primary waves、縦波、疎密波）…速度が大きくて、最初に到達する波
  　・S波（Secondary waves、横波、ねじれ波、たわみ波）…P波よりも遅く、2番目に到達する波
  （２）表面波（Surface waves）…P波およびS波よりも遅く、最後に到達する波
  　・レイリー波（Rayleigh waves）
  　・ラブ波（Love waves）
  �A走時曲線：
  　モホロビチッチは震源からの距離と地震波の到達時間とを座標軸にとった走時曲線を解析し、震源から直接伝わって到達する直接波と、地下深部の地震波速度が大きい層を伝わって到達する屈折波が存在することを明らかにして、地下深部に存在する地震波速度が大きい層までの深さを求めた。その後、この深さは地殻とマントルの境界部までの深さであることがわかり、彼の名前をとってモホロビチッチ面（またはモホ面）と呼ばれることになった。　
  　このように、地震波は地球内部構造の解明に有効であることが示された。
  　走時曲線において、曲線（直線）が屈折するのは上記のように地下深部に地震波速度が大きい層がある場合であるが、曲線が存在しない場合（影ができる場合）は地下深部に地震波速度の小さい層が存在することを示す。
  　とくに、地下100〜200km付近の低速度層（地震波速度が遅いためにこのように呼ばれるが、おそらく温度が高くて一部は溶融していると考えられる）の存在の発見は、プレートテクトニクスにおけるプレートの運動を説明する証拠の一つとされた（この軟らかくて滑りやすい層の上を、硬いプレートが水平に移動する）。
  �B地球の内部構造：内核、外核、マントル、地殻
  　ジェフリース（H.Jeffreys）およびグーテンベルグ（B.Gutenberg）は、それぞれ独立に地球内部を伝わる地震波の解析から内部構造を明らかにした。とくに、S波は外核を伝わらないことから、外核は液体（溶融体）であることがわかった。
  �C圧力と温度：地球中心部の圧力は地表の約360万倍〔約360万気圧≒3.6×10¹¹パスカル（Pa）〕。地球中心部の温度は約6000℃。
  �D地震の原因：地殻の岩石が破壊された結果として断層（Fault）が生じる場合がある。その断層の形成に伴って発生した振動（震動）による波が地震の原因である。
  断層パラメター、地震モーメント、マグニチュード
• プリント2枚（番号：４）。出席票。
  【1枚目】
  図2…『地震の事典』（13p）
  図1.12、図1.13、図1.15、図1.16、表1.2…『教養の地学　改訂版』（9,10,13,14p）
  図1.1、図1.3、図1.5、図1.6、図4.1…『図説地球科学』（2,3,6,7,29p）
  図2-10、図2-11…『地震と火山』（16,17p）
  【2枚目】
  図4.3、図4.4、図4.6、表4.1、図23.5、図23.6、図24.2…『図説地球科学』（29,30,31,32,211,212,219p）

補足説明

全般	地球科学用語については『地球科学用語集』ページを参照。 単位については『単位について』のページを参照。 地質年代については『地質年代表』のページを参照。

• 地球内部構造については『地圏について』のページを参照。とくに、山賀 進氏による『第二部−２−　地球の科学　第３章　地球の構造』を参照。
• 地震については『地震とは』のページを参照。とくに、防災科学技術研究所の『地震の基礎知識』および同強震ネットワーク K-NETの中の『強震動の基礎』を参照。
• 2011年3月に発生した2011年東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）関連情報は『東日本大震災』のページを参照。
• 地震波のアニメーションはThinkQuest@JAPAN2000 - Team 30295による『地震波』を参照。
• 断層パラメターについてはこちらのページを参照（表は配布プリント参照）。
• 実体視のやり方については『実体視』のページを参照。
• フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による説明を参照してください。
  ■Category:地震学（Category:Seismology）／地震学（Seismology）／Category:地震（Category:Earthquakes）／地震（Earthquake）／地震波（Seismic wave）／Category:振動と波動（Category:Waves）／縦波と横波（Transverse wave）／表面弾性波（Surface acoustic wave）／初期微動／地震記象（Seismogram）／
  ■ベノー・グーテンベルグ（ドイツ人）（Beno Gutenberg）／グーテンベルク不連続面／ハロルド・ジェフリーズ（英国人）（Harold Jeffreys）／
  ■マグニチュード（Richter magnitude scale）／地震計（Seismometer）／震源（Hypocenter）／Epicenter（震央）／Category:断層（Category:Seismic faults）／断層（Fault）／日本の断層一覧／
  ■Category:地震の歴史／地震の年表（List of earthquakes）／震災（Seismic hazard）／Category:震度階級（Category:Seismic scales）／震度（Japan Meteorological Agency seismic intensity scale）／Category:各国の地震（Category:Earthquakes by country）／Category:日本の地震（Category:Earthquakes in Japan）／Category:阪神大震災（削除）／兵庫県南部地震／阪神・淡路大震災（Great Hanshin earthquake）／気象庁が命名した地震一覧⇒気象庁が命名した自然災害一覧／東海地震／南海地震（Nankai megathrust earthquakes）／東海・南海・東南海連動型地震／南関東直下地震／Category:津波（Category:Tsunami）／津波（Tsunami）／
  ■Category:大地震／巨大地震『巨大地震の例：関東地震（M8前後を想定、1923年の地震はM7.9）／東海地震（M8前後を想定）／東南海地震（多くの場合M8以上、1944年の地震はM7.9）／南海地震（多くの場合M8以上、1946年の地震はM8.0）／三陸地震（多くの場合M8以上）／ボリビア巨大深発地震（M8.2、1994年）／濃尾地震（M8.0、1891年）／四川大地震（M7.9、2008年）／サンフランシスコ地震（M7.8、1906年）；超巨大地震の例：チリ地震（M9.5、1960年；M8.8、2010年）／スマトラ島沖地震（M9.1〜9.3、2004年）／アラスカ地震（M9.2、1964年）／アリカ地震（M9.1、1868年）／沖縄トラフ連動型の地震（M9前後を想定）／アメリカ北西部カスケード沈み込み帯の地震（M8.7〜9.2、1700年）／貞観三陸地震（M8.3〜8.6、869年）／東海・南海・東南海連動型地震（1707年の地震はM8.4〜8.7）』
  ■緊急地震速報（Earthquake Early Warning⇒Earthquake warning system）／地震警報システム（Earthquake warning system）／ユレダス（Urgent Earthquake Detection and Alarm System）／地震PML（地震による予想最大損失額、Probable Maximum Loss）／
  ■モホロビチッチ不連続面（Mohorovicic（最初のcの頭にv、後のcの頭に´） discontinuity）／アンドリア・モホロビチッチ（クロアチア人）（Andrija Mohorovicic（最初のcの頭にv、後のcの頭に´））／地殻（Crust）／プレート（Plate tectonics）／マントル（Mantle）／核 (天体)（Planetary core）／
  ■Category:地球（Category:Earth）／地球（Earth）／プレートテクトニクス（Plate tectonics）／Category:プレートテクトニクス（Category:Plate tectonics）／

【地震記象】

• 気象庁（HP/2011/5）による『W-phase解析のページの見方』から ※横軸は地震発生からの時間、縦軸は震動の強さである。最初に到達するのはP波、次がS波で、最後が表面波である。地震波が伝わる物質によって変化するが、伝達速度はP波で5〜7km/s程度、S波で3〜4km/s程度、表面波で約3km/sである。

【地震計】

• 図9.2　3成分の地震観測 （独）防災科学技術研究所（HP/2011/5）による『地震の基礎知識とその観測』の『9.1 地震計の原理』から ※3次元の方向について観測される。

【P波（縦波）・S波（横波）・表面波】

• Seismic Waves 〔Steven Dutch氏（Natural and Applied Sciences, University of Wisconsin-Green Bay）による『Physical Geology (Earth SC 202) Notes and Visual Aids』の『Faults and Earthquakes』から〕

• 地震波 フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による『地震波』から ※実体波のP波とS波、および表面波のラブ波とレーリー波。

【走時曲線】

• 図1.水平2層構造と走時曲線の模式図 日本物理探鑛（株）（HP/2011/5）による『屈折法地震探査』から ※走時曲線とは、横軸に震源（震央）からの距離を、縦軸に到達した地震波の地震発生からの時間を、それぞれプロットしたもの。つまり、各観測地点での地震記象を縦軸の時間方向に並べ、最初の波の記録を線で結んだもの。

【地震波と地球内部構造】

• 
  

  図4.2.4-1　地震波の主な相とその波線［「理科年表」（2000年版）より転載:copyright 丸善株式会社］	図4.2.4-2　走時曲線の例 ［Jeffrey and Bullen (1940)によるものを「理科年表」（2000年版）より転載］
  防災科学技術研究所（HP/2011/5）による『強震動の基礎』の『4.2.4 地震波の走時曲線』（2000）から

• 地球内部を伝わる地震波
  	PREMの地震波速度と密度・圧力・剛性率
  〔東京大学地震研究所地震予知研究推進センターの『人工地震による地下構造調査』の『ちょっと一息』の中の『地球内部を伝わる地震波』から〕 PREM＝Preliminary Reference Earth Model。S波が伝わらない部分は液体（熔融体）〔⇒外核〕である。

【化学的性質（組成）の違いと物理的性質（硬さ）の違い】

• earth structure - The compositional and mechanical layers of the earth. 〔Visionlearning, Inc.によるViosionlearningの中の『Earth Structure』から〕 ※左図が化学的性質（組成）の違い、右図が物理的性質（硬さ）の違い、による。リソスフェア(lithosphere)は『プレート（plate）』とも呼ばれる。したがって、プレート＝地殻（crust）＋最上部マントル（mantle）。

参考

【震度とマグニチュード】

• 震度は『地震とは』のページのこちらを参照。
• マグニチュードは『地震とは』のページのこちらを参照。
• 地震から発生するエネルギーの大きさをE（単位：J（ジュール））およびマグニチュードをMとすると、
  　　log10E = 4.8 + 1.5M
  という関係がある。したがって、マグニチュードが1増えるとエネルギーは10^1.5倍（10√10＝√1000倍つまり、およそ32倍）になり、2増えると1000倍になる。
  

• 図1.1　震度とマグニチュード(Ｍ)	表1.3　マグニチュードの解説
  〔防災科学技術研究所の『地震の基礎知識』から〕 ※震度は体感および周囲の状況から推定されていたが、1996年以降は計測震度計により観測されている。

• マグニチュードと震度との関係 注：Molas & Yamazaki(1995)式及び童･山崎(1996)式を用いて、震度･マグニチュード･震源断層面からの距離との平均的な関係を導いた。この図は、地盤の種類は最も揺れの増幅度の大きな埋立地等軟弱地盤を仮定し、震源の深さを0kmとして計算した場合のマグニチュードと震度とのあくまで平均的な関係である。 内閣府（HP/2011/4）による防災情報のページの中の『我が国の地震対策の概要』から

【日本周辺のマグニチュード別地震発生数】

• 図1.6　1949〜1998年の50年間に日本周辺で検知された地震のM別頻度分布（気象庁データによる） 『図1.6では，縦軸が対数目盛にとってあり，Mが3から7くらいの範囲では，地震数nがほぼ直線状に減っていく分布となっています．数式で書くと，この直線部分は 　log( n ) = a - b M と表わすことができます．この式はグーテンベルグ-リヒター(Gutenberg-Richter)の関係式と呼ばれ，地震統計の基本となっています． 　直線の傾きを表わす係数bは，しばしば「b値」と呼ばれ，大きな地震と小さな地震の発生頻度の比を表わす重要なパラメータです．b値は通常0.9〜1であり，これは，Mが1だけ小さくなると発生する地震数は8〜10倍に増え，Mが2小さくなると地震数は64〜100倍に増大することを意味しています．』 〔防災科学技術研究所の『地震の基礎知識』から〕

【マグニチュードとエネルギー】

• 図2.5　マグニチュードによるエネルギーの違いと発生個数 『図2.5は，この地震のエネルギーの違いを立方体の体積で表現したものです．マグニチュードが１だけ小さくなると，立方体の一辺の長さが1/3になるように表現されています． 　一方，1.2項に述べたグーテンベルグ・リヒターの関係式によれば，Mが1だけ小さくなると地震の発生数は8〜10倍に増えるということから，地震数が8倍，64倍と増えた場合の総エネルギーも，図2.5に示されています．この図からわかる通り，小さな地震がたくさん集まっても，大きな地震ひとつのエネルギーには及びません． 　以上に述べた相似則によれば，Mが1だけ大きい地震は断層長が3倍で発生頻度は約1/10，またMが2大きい地震は断層長が10倍で発生頻度は約1/100となります．このように，小さい地震は数限りなく発生し，大地震はめったに起こらないという事実を地下の状況として把えてみると，地震の“種子”は常に発生しており，通常は少しだけ破壊が伝播してすぐに止まってしまうものが，100回に1回は10倍くらいの距離を伝播し，また10,000回に1回は100倍くらいの距離を伝播するといった出来事が発生しているように想像されます．』 〔防災科学技術研究所の『地震の基礎知識』から〕

  
  

  〔IRIS（Incorporated Research Institutions for Seismology）の『IRIS Programs』の中の『IRIS Education & Outreach』の『Educational Resources』の『Education & Outreach "One-Pagers"』の『"How Often do Earthquakes Occur?" 』から〕 ※広島型の原爆（TNT火薬20キロトン相当：エネルギーは8.4×1020エルグ）は、M 6.1に相当するといわれている。

【地震災害】

• USGS（HP/2011/3）による『Earthquake Lists & Maps』から（抜粋、●は20世紀以降の世界3大震災）
  

  死亡者5万人以上の地震（背景色が黄色は20世紀以降のもの、リンクはウィキペディア）

  年月日	場所	死亡者数	マグニチュード	備考
  1556年1月23日	Shaanxi (Shensi)、陝西省、中国	830,000	約8
  1976年7月27日	●Tangshan（唐山）、中国	255,000	7.5	非公式な死亡者数は655,000
  1138年8月9日	Aleppo（アレッポ）、シリア	230,000
  2004年12月26日	●Sumatra（スマトラ）	227,898	9.1	1900年以後で3番目に大きい地震。主に津波による被害。
  2010年1月12日	●Haiti region（ハイチ）	222,570	7.0
  856年12月22日	Damghan（ダムガン）、イラン	200,000
  1923年9月1日	Kanto (Kwanto、関東）、日本	142,800	7.9
  1948年10月5日	Ashgabat (Ashkhabad、アシガバート）、トルクメニスタン（旧ソ連）	110,000	7.3
  1290年9月27日	Chihli、河北省、中国	100,000
  2008年5月12日	Eastern Sichuan（四川省）、中国	87,587	7.9
  2005年10月8日	Pakistan（パキスタン）	86,000	7.6
  1667年11月	Shemakha, Caucasia（シャマカ　カフカース）、アゼルバイジャン	80,000
  1727年11月18日	Tabriz（タブリーズ）、イラン	77,000
  1908年12月28日	Messina（メッシーナ）、イタリア	72,000	7.2
  1970年5月31日	Chimbote（チンボテ）、コロンビア	70,000	7.9
  1755年11月1日	Lisbon（リスボン）、ポルトガル	70,000	8.7
  1693年1月11日	Sicil（シシリー）、イタリア	60,000	7.5
  1268年	Silici（シリシア）、小アジア	60,000
  1990年6月20日	Western Iran、イラン	40,000〜50,000	7.4
  1783年2月4日	Calabria（カラブリア）、イタリア	50,000

• ウィキペディア（HP/2011/3）による『地震の年表』から
  

  被害が大きな地震（一部省略、背景色が黄色は20世紀以降のもの、●は20世紀以降の世界3大震災）

  順位	名称	発生日	震源地	死者数	規模 （Mw）	備考
  1	華県地震	1556年1月23日	中国 陝西省	830,000	〜8	液状化により横穴式住居に大被害。
  2	●ハイチ地震	2010年1月12日	ハイチ ポルトープランス	316,000	7.0	震災後の集団埋葬のため正確な数は不明。
  3	−	526年5月29日	トルコ アンティオキア	250,000	？
  4	●唐山地震（とうざんじしん）	1976年7月28日	中国 河北省	242,419	7.5	非公式ながら死者655,000人とも言われる。Ms7.8。
  5	海原地震	1920年12月16日	中国 寧夏および甘粛省	235,502	7.8	主に地割れや地滑りによる被害。Ms8.5。
  6	−	1138年8月9日	シリア アレッポ	230,000	？
  7	●スマトラ島沖地震	2004年12月26日	インドネシア スマトラ島沖	227,898	9.1 - 9.3	地震と津波による死者。死者・行方不明者は28〜29万人とも言われる。
  8	−	856年12月22日	イラン ダムガン	200,000	？
  	洪洞・趙城地震	1303年9月17日	中国 山西省	200,000	8.0
  10	−	893年	インド ウダイプール	180,000	？

  
  

  規模が大きな地震（一部省略、背景色が黄色は20世紀以降のもの、●は20世紀以降の世界3大震災）

  順位	名称	発生日	震源地(震源域)	規模 （Mw）
  1	チリ地震	1960年5月22日	チリ西岸	9.5
  	−	1575年12月16日	チリ西岸	9.0〜9.5?
  3	●スマトラ島沖地震	2004年12月26日	インドネシア・スマトラ島北西部〜アンダマン諸島	9.1〜9.3*
  4	アラスカ地震	1964年3月28日	アメリカ アラスカ プリンス・ウィリアム湾	9.2
  	カスケード地震	1700年1月26日	アメリカ カリフォルニア北部〜バンクーバー島（カスケード沈み込み帯）	9.0〜9.2?
  6	−	1957年3月9日	アメリカ アラスカ アンドリアノフ諸島南岸	8.6〜9.1*
  	アリカ地震	1868年8月13日	チリ・ペルー西岸	9.1?
  8	カムチャツカ地震	1952年11月4日	ロシア カムチャツカ近海	9.0
  	イキケ地震	1877年5月10日	チリ北部	9.0?
  	−	1586年7月10日	ペルー	9.0?
  注1：*がつくものについては算出されたマグニチュードの値に差があり、最大のものと最小のものを示した。順位は最大のもので算出している。 注2：?がつくものはマグニチュードの値が地質調査等により推定されたもの。?がつかないものは地震波や津波の観測によるもの。

【地球内部の温度と圧力】

• DACの実験条件と地球内部の条件との関係 DAC＝ダイヤモンド・アンビル・セル （独）物質・材料研究機構（HP/2011/5）による『実現されている圧力・温度条件と開発目標』から ※1G（ギガ）＝109。1気圧≒1×103hPa。１Pa≒10-5気圧。1GPa≒1万気圧。従って、地球中心部は約360GPa≒360万気圧であり、地表の360万倍の圧力。

• 図4. 地球の内部構造と構成鉱物 ペロブスカイトは地球で最も多い鉱物で、地球全体の4割を占めている。 （財）高輝度光科学研究センター（JASRI）（HP/2011/5）による『SPring-8が見た　天王星・海王星深部の鉱物』から