地震・火山が育む日本社会

最近は、学生時代に地学を学んだ技術者が少なくなりました。ですが、アジアモンスーン地帯のプレート境界に位置する日本に住む以上、地震・火山や台風を免れることはできません。地球科学の基礎知識は不可欠です。

地球の歴史

宇宙の起源は138億年前のビックバンです。その後、約46億年前に太陽系や地球が誕生し、直後に、天体衝突で月ができました。40数億年前に海洋が形成され、41億年前から38億年前の間に多くの天体衝突があり原始生命が誕生したようです。そして、26億年前から火山活動が活発化し、マントル対流が始まって大陸が形成されました。大陸の形成や火山活動などで地球が寒冷化し全球凍結し、20億年前くらい前に超大陸ヌーアが分裂し始め、その後、ロディニア、ゴンドワナ、パンゲアと、超大陸の形成と分裂を繰り返してきました。

最後の超大陸パンゲアは、2億年前ごろからローラシア大陸とゴンドワナ大陸に分離しはじめ、2つの大陸の間にテチス海ができました。この周辺に大量に生息した生物が、中東の油田地帯につながりました。その後、ローラシア大陸はユーラシア大陸と北アメリカ大陸に、ゴンドワナ大陸はアフリカ大陸、南アメリカ大陸、インド大陸、南極大陸、オーストラリア大陸、アラビア半島などに分離し、現在の大陸配置となりました。

【図2-1】地質年代区分

出典：PIXTA

地質年代

地球の時代区分には、生物の生存期間に基づく地質年代が用いられます。順に、冥王代、始生代(40億年前～25億年前）、原生代(25億年前?5億4千万年前）、古生代(5億4千万年前～2億5千万年前）、中生代(2億5千万年前から6500万年前)、新生代です。

【図2-2】地質年代区分

出典：国立研究開発法人 海洋研究開発機構

始生代は最古の岩石が見つかった時代に始まり、原始生命が現れました。地磁気もオゾン層もなかったので、生命は海底で生きていました。

28億年前に、外核にある鉄などが溶けて地磁気が発生し、磁場で太陽風や宇宙線から保護されることで、生物が海面近くで生きられるようになりました。これが原生代の始まりで、光合成を行うシアノバクテリアが増殖し、二酸化炭素から酸素を作りました。

20億年以上にわたって放出された酸素が6億年前に成層圏に達してオゾン層ができ、紫外線を吸収して生物が陸上に上がれるようになりました。同時期に全球凍結によって生物が大量絶滅しましたが、その後の温暖化で、カンブリア大爆発と呼ぶ生物の多様化が起きました。これが、古生代の始まりです。そして、超大陸パンゲアの誕生とともに、スーパープルームによって超巨大噴火が起き、生物が大量絶滅して古生代が終わります。

中生代には、爬虫類から恐竜が生まれ繁栄しましたが、約6,500万年前に、直径10～15kmの巨大隕石が衝突して、恐竜など多くの生物が絶滅し、中生代が終わりました。

新生代になって、哺乳類と鳥類が繁栄するようになります。新生代は古第三紀、新第三紀、第四紀に細分され、新第三紀は中新世と鮮新世に、第四紀は更新世と完新世に区分されます。最近になって、1950年以降を人新世として定義しようとする動きもあります。

約250万年前に始まる第四紀は人類の時代です。我々の先祖、猿人が登場したのは500万年前、ネアンデルタール人は40万年前、ホモ・サピエンスの登場はわずか20万年前です。更新世には4 回の氷期と 3 回の間氷期を繰り返し、最終氷期が終わった約1万年に始まる完新世は縄文時代におおむね対応します。数千年前からの有史時代は、地球の年齢のわずか100万分の1です。

氷期には海面が下降して陸域が拡大し、間氷期には海が陸に入り込みます。陸域が拡大すると河川が谷を刻み、洪水によって礫や砂などが堆積します。逆に海面が広がると静かな海で粘性土ができます。この結果、砂質土と粘性土が互層となる地層ができます。更新世に堆積した地盤が洪積層、完新世に堆積した地盤が沖積層で、洪積層に比べ沖積層は軟弱です。

【図2-3】地質時代区分と生物の進化

https://finding-geo.info/basic/geologic_time.html

出典：「東京大学生命科学教育用画像集」外部リンク

「図2-3 地質時代区分と生物の出現」本ページ用に一部改変

（第三紀→古第三紀・新第三紀）。

【図2-4】地質時代区分と年代値

https://finding-geo.info/basic/geologic_time.html

出典：国際層序委員会ICSのGlobal chronostratigraphical

correlation table (v. 2018/08) を参考に作成。

地球の構造とプレートテクトニクス

地球の構造は、化学的性質で分けると、地表から地殻・上部マントル・下部マントル・外核・内核と区分でき、外核のみが液体です。一方、物理的性質で分けると、地殻と上部マントルの一部から構成される剛体的なリソスフェア、流動性のあるアセノスフェア、弾性体のメソスフェアに区分されます。リソスフェアがプレートに相当します。プレートがアセノスフェアの上を水平に移動するというのがプレートテクトニクスの考え方です。

【図2-5】地球の構造

出典：地質調査総合センター

アルフレッド・ウェゲナーは、南アメリカ大陸の東海岸線とアフリカ大陸の西海岸線がよく似ていることに気づき、地質学・古生物学・古気候学などの資料を基に、すべての大陸は超大陸・パンゲアであったこと、約2億年前に分裂して別々に移動し、現在の大陸配置になったと、1912年に「大陸移動説」を唱えました。

1928年には、アーサー・ホームズが熱対流による「マントル対流説」を唱え、同時期に、音響測深機による海底地形探査が始まり、その後、海溝や海嶺が発見されました。

1954年になって、クーデンベルグやリヒターが世界の地震活動度をまとめ、地震活動が集中する場所が海溝や海嶺に重なることが分かりました。さらに、1950年代から1960年代にかけて、古地磁気研究が盛んに行われ、数十万年ごとに地磁気の磁極が反転してきたことが発見されました。

1960年代初頭になって、ハリー・ハモンド・ヘスやロバート・シンクレア・ディーツが、海嶺で岩盤が生まれ両側に海底が拡大するという「海洋底拡大説」を提唱し、1963年にフレデリック・ヴァインとドゥルモンド・マシューズが、海底の地磁気反転の縞模様を用いて海洋底拡大説を証明しました。さらに、1968年に、トゥーゾー・ウィルソンが、これらを統合する「プレートテクトニクス」理論を確立しました。

プレートテクトニクスとは、地球の表面部分にある100～150km程度の厚さのリソスフェアが、十数枚のプレートに分かれており、プレートがアセノスフェアの上を年間数cmの速度で水平に移動するというモデルです。プレートには大陸プレートと海洋プレートがあり、大陸プレートは花崗岩で形成され古くて軽く厚く、海嶺から生み出される海洋プレートは玄武岩でできていて新しくて重く薄いという特徴があります。この結果、重いプレートは軽いプレートにぶつかると、その下に沈み込むことになります。プレートテクトニクス理論によって、地震や火山活動などを理論的に説明できるようになりました。

【図2-6】地球表層の断面

出典：地質調査総合センター

プルームテクトニクス

プルームテクトニクスは、地球表層の動きを説明するモデルで、1990年代に提案されました。プルームとは煙突からスーッと上に立ち上がる煙のことで、ハワイのホットスポットのようなマントルの上昇流に対して名づけられました。その後、地震波トモグラフィーによって、マントル内の温度分布が推定され、マントル中に下降するコールドプルームと上昇するホットプルームが見つかりました。

【図2-7】プルームテクトニクス

大陸プレートの下に沈み込んだ冷たい海洋プレートは、上部マントルと下部マントルの境目の深さ670km付近に一旦溜まった後、マントルの底へ落下します。これがスーパーコールドプルームで、その反作用によって別の場所で温度の高いスーパーホットプルームが上昇します。スーパープルームの上昇・下降流によってマントル対流が生まれ、プレートを水平移動させます。さらに、マントルの動きが外核内の対流を生み出し、電磁力を発生させて地磁気を作ります。

スーパーコールドプルームは大陸プレートを引き寄せ、超大陸を作ります。一方、超大陸によってマントルに蓋ができると、大陸下に熱が溜まってスーパーホットプルームが作られ、超大陸を分裂させます。このようにして、超大陸の形成と分裂を繰り返します。超大陸が分裂する時には、超巨大噴火が発生し、生物の大絶滅が起こります。

プレート境界と地震

プレートの移動によって、プレート相互の境界は、広がったり、すれ違ったり、縮んだりします。これを、発散型境界、すれ違い型境界、収束型境界と呼びます。

【図2-8】プレート境界

出典：島根半島・宍道湖中海ジオパーク

太平洋の東にある東太平洋海膨は発散型境界で、ここで海洋プレートが生み出されます。ここには，トランスフォーム断層と呼ぶ断裂帯が多数あります。これがすれ違い型境界で、その一つがアメリカの西海岸にあるサンアンドレアス断層です。

収束型境界には、大陸プレートが互いに衝突して盛り上がる衝突境界と、重い海洋プレートが軽い大陸プレートや軽い海洋プレートの下に沈み込む境界があります。沈み込む場所にできた海の窪みが海溝やトラフで、日本列島は沈み込み境界で作られました。インド・オーストラリアプレートとユーラシアプレートの衝突境界にあるのがヒマラヤ山脈です。

伊豆・小笠原諸島は、古い太平洋プレートが新しいフィリピン海プレートの下に沈み込んでできた火山群島です。沈み込み境界では、表面に水分を含んだ海洋プレートがマントル内に潜り込み、水による融点降下で、ある深さになるとマグマとなり火山を形成します。この結果、海溝に平行して火山が並びます。この場所を火山フロントと呼びます。

海洋底にはプランクトンやサンゴの死骸が堆積しており、海洋プレートが沈み込むときに、この堆積物をひっかき出して陸にくっつけます。これが付加体で、西日本の太平洋側に堆積する四万十帯などで、石灰岩が多く産出されます。プレート運動がコンクリートの原料の石灰岩を作り、プレート運動によって生じる地震がコンクリートでできた建物を壊す。何とも不思議な輪廻です。

【図2-9】付加体のでき方

出典：四国西予ジオパーク推進協議会

日本列島周辺のプレートと地震

日本列島は、東日本は北アメリカプレート、西日本はユーラシアプレートという大陸プレート上にあり、東日本では太平洋プレート、西日本ではフィリピン海プレートという海洋プレートが沈み込みます。太平洋プレートは年間8cm程度の速度で西に、フィリピン海プレートは年間3～4cmの速度で北西に進み、日本列島を東西に圧縮しています。

日本の国土面積は世界の全陸地面積の400分の1程度ですが、世界で起きる地震の10分の1程度が発生しています。日本周辺で発生する地震には、沈み込む海洋プレート周辺で起きる地震と、内陸の地殻内で起きる地震があります。前者には、海洋プレート上面の境界で起きるプレート境界地震とプレート内部で発生するプレート内地震があります。

【図2-10】日本列島周辺のプレート

出典：全国地質調査業協会連合会

https://www.zenchiren.or.jp/tikei/plate.html

【図2-11】日本周辺で地震の起こる場所

出典：気象庁

太平洋プレートの沈み込む場所には、北から千島海溝、日本海溝、伊豆・小笠原海溝があり、フィリピン海プレートが沈み込むところには東から相模トラフ、駿河トラフ、南海トラフ、琉球海溝があります。2011年東北地方太平洋沖は日本海溝沿いで。1923年大正関東地震は相模トラフ沿いで、1944年東南海・1946年南海地震は南海トラフ沿いで発生しました。

一方、プレート移動に伴って内陸の地殻にも圧縮力が働き、コンクリートの圧縮試験と同様のせん断クラック「活断層」が生じ、陸域の浅い場所で地震が発生します。北アメリカプレートとユーラシアプレートの境界付近には、フォッサマグナと呼ばれる地溝帯があり、地溝帯の西端にある活断層が糸魚川・静岡構造線です。活断層による地震には、1995年兵庫県南部地震、2004年新潟県中越地震、2016年熊本地震などがあります。

フィリピン海プレートの下に太平洋プレートが沈み込んでできた火山島が、フィリピン海プレートの移動で本州に衝突してできたのが伊豆半島で、伊豆・箱根の山々や富士山ができました。この衝突でフィリピン海プレートは、素直に沈み込めなくなり、相模トラフと駿河トラフが、それぞれ北東と北西方向に沈み込んでいます。

九州に見る地震・火山活動と日本文化

ここ十年、九州で地震、火山、水害が続いています。フィリピン海プレートが沈み込んでできたのが南北に連なる霧島火山帯です。ここで、2011年新燃岳、2013年桜島、2015年口永良部島、2016年阿蘇山と、噴火が続いています。また、九州には南北に張力が働いており、九州を横断する大きな溝ができました。これが、別府－島原地溝帯で、霧島火山帯と別府－島原地溝帯が交差する場所に阿蘇山があります。

【図2-12】別府-島原地溝帯と火山フロント

出典：京都大学大学院理学研究科附属地球熱学研究施設

http://www.vgs.kyoto-u.ac.jp/JPN/j-location.html

張力によってできたひび割れが、熊本地震の本震と前震を起こした布田川断層や日奈久断層です。さらに東には、別府－万年山断層があります。張力による岩盤内の亀裂は、マグマの通り道になりますので、地溝帯には、鶴見岳、由布岳、九重山、阿蘇山、雲仙岳などの火山が東西に連なっています。さらに、マグマが周辺の地下水を熱するため、湯布院や別府、黒川温泉などの名湯があります。

火山でできた山々は、季節風を受け止め豊富な雨をもたらします。火山噴出物は土砂災害を起こしやすく、2017年九州北部豪雨や2019年佐賀の豪雨では、大きな被害を出しました。一方、火山灰の地盤に浸透・濾過された雨は、おいしい湧水になります。熊本は湧水が豊富で水前寺公園もできました。火山噴出物で覆われた台地では美味しいサツマイモが取れます。そして芋焼酎が作られます。

温泉につかり、火山でできた風光明媚な景色を眺め、阿蘇カルデラで育った馬肉を芋焼酎片手においしく食しつつ、火山や地震と付き合う、という日本独特の世界が生まれます。

2020年2月