1929年6月、強い地震がニュージーランドの南島を揺るがしました。コペンハーゲンでは、インゲ・レーマンという地震学者が、この地震が世界各地の観測所に残した記録を調べました。微弱な波がロシアの観測所に届いていたのです。そこは、当時のどの理論によっても、地球の核が波を遮って届かないはずの区域でした。
彼女は、その謎に何年も取り組みました。1936年、彼女は答えを発表しました。液体の核の奥深くには、もう一つの核、つまり内核があるはずで、そこでは波がより速く伝わる、というものです。その内核が波を曲げ、「禁じられた区域」へと送り込んでいたのです。そこへ行った人は、これまで誰もいません。地震が、彼女にそれを見せてくれたのです。この講義の終わりまでに、その方法がわかるでしょう。
この講義では、一つの地震を始まりから終わりまで追っていきます。断層がどのようにひずみを蓄えて破壊するのか、そして科学者がその波をどのように読み解くのかを見ていきます。それから、一つの地震がどのように次の地震へとつながるのか、そして波がこの惑星の奥深くについて何を明らかにするのかを見ていきます。
地球の外側の殻はいくつものプレートに割れていて、プレートは年に数センチメートルずつ移動しています。二つのプレートが出会う場所では、その境界が断層です。プレートが動き続けていても、たいていの場合、断層の両側はくっついたまま固着しています。
1:13固着した断層の近くの岩盤は、重さが増していく飛び込み板のように、ゆっくりとたわんでいきます。1910年、ハリー・フィールディング・リードという地質学者が、1906年のサンフランシスコ大地震の前と後に行われた測量の結果から、このことを示しました。彼はこれを弾性反発と名づけました。何十年にもわたるゆっくりとしたたわみと、その後の突然の跳ね返りです。
1:34これが地震サイクルです。断層は何十年、何百年もかけてひずみを蓄え、数秒あるいは数分で破壊し、その後ふたたび固着して、またひずみを蓄え始めます。大きな地震は、どれもこのサイクルの一巡です。
1:48科学者は、ひずみが蓄積していく様子を観測することができます。地面に固定されたGPS受信機は、自らの位置を一インチにも満たない精度、つまり数ミリメートルの精度で追跡します。固着した断層から遠く離れた観測点はプレートとともに動きますが、断層に近い観測点は遅れをとります。地面がたわんでいるのです。
2:06断層がどれほど強く固着しているかを、その断層のカップリングと呼びます。完全にカップリングした断層は、プレートの動きのほぼすべてを、毎年毎年蓄えていきます。日本の北東沖では、2011年3月の巨大地震によって、そこのプレートが海溝のすぐそばまで固着していたことがわかりました。海溝は、太平洋プレートが日本の下に沈み込む場所です。その境界がはずれたとき、海底は移動し、場所によっては約50メートル、150フィート以上もずれました。
2:33すべての断層が、ひずみを蓄えている間、完全に静止しているわけではありません。ワシントン州とブリティッシュコロンビア州の地下では、約14か月ごとに、プレート境界の深い部分が二週間ほどかけて一インチほど、つまり数センチメートルずれます。誰もそれを感じません。GPSによって、2000年ごろにこうしたスロースリップイベントが明らかになりました。科学者はこれを注意深く見守っています。一回ごとに、その上にある断層の固着した部分に負荷が加わるからです。
3:00このサイクルは、地中に記録を残します。地質学者は断層を横切るトレンチ（溝）を掘り、土の層を本のページのように読み解きます。層が引き裂かれてずれているところは、地震がその層を断ち切った場所です。それらの層の年代を測定すると、断層が数千年の間にどのくらいの頻度で破壊してきたかがわかります。
地震は、断層全体を一度に破壊するわけではありません。地震は一点から始まります。それが震源で、応力が最初に摩擦に打ち勝つ場所です。そこから、断層のずれ、つまり破壊が断層面を外側へと急速に広がっていきます。その速さは、ふつう毎秒2キロメートルから3キロメートルです。中には、自らが送り出す波の一部を追い越してしまう破壊さえあります。
3:39地震が大きいほど、破壊は長く続きます。中規模の地震なら、数秒で終わります。2004年のスマトラ大地震では、破壊が約八分間にわたって北へと断層を引き裂き続け、その長さは1,300キロメートルを超えました。
3:56断層がどれだけの範囲で破壊し、どれだけずれたかによって、地震の大きさが決まります。科学者は三つの量を掛け合わせます。破壊した断層の面積、断層の両側がずれた量、そして岩石の硬さです。その結果が地震モーメントで、現代のマグニチュードの尺度はこれをもとにつくられています。尺度が整数で一つ上がるごとに、放出されるエネルギーは約32倍になります。
4:18ほとんどの地震は、地表から約70キロメートル以内の深さで始まります。しかし、一方のプレートがもう一方の下に沈み込む場所では、地震は沈んでいくプレートに沿って深くまで起こり、その深さは約700キロメートルに達します。1994年には、観測史上最大級の深発地震の一つが、ボリビアの地下約630キロメートルで起きました。その揺れは、遠くカナダでも感じられました。
破壊は波を送り出します。P波は、ばねを縦に押したときのように岩盤を押し縮めたり引き伸ばしたりし、最も速く伝わります。S波は岩盤を左右に揺らし、遅れて届きます。これらの波が地表に達すると、表面波が地面に沿って外側へとうねるように広がります。表面波は最も遅いのですが、被害の多くを引き起こします。
5:03P波とS波の到着の時間差から、観測点は地震までの距離を知ることができます。近くの地震の場合、その時間差の一秒ごとが約8キロメートルに相当します。三つの観測点があれば場所を特定でき、数百の観測点からなる観測網なら数秒のうちにそれができます。
5:19断層の壊れ方には、主に三つの種類があります。正断層では、地殻が引き伸ばされて、一方の岩塊が落ち込みます。逆断層では、地殻が押し縮められて、一方の岩塊がもう一方の上にのし上がります。横ずれ断層では、両側が横方向にすれ違います。
5:34断層がどのように壊れたのかは、波そのものが教えてくれます。ある観測点では地面の最初の動きが押しで、別の観測点では引きです。これらの押しと引きを地球全体にわたって図に表すと、地震学者が「ビーチボール」と呼ぶ模様が描かれます。2023年2月、トルコでマグニチュード7.8の地震が起きました。その「ビーチボール」は横ずれの破壊を示し、余震はその破壊を東アナトリア断層に沿ってなぞるように分布しました。
6:02地震の大きさを確定するには、もっと時間がかかります。2011年、揺れが始まってから約三分後に出された日本の最初の津波警報は、マグニチュード7.9に基づいていました。速報的な手法は、最大級の地震では頭打ちになってしまうため、推定値は段階的に9まで引き上げられました。すばやく出される数値は警報のためのもので、最終的な数値は記録全体から求められます。
6:27その最終的な数値がモーメントマグニチュードで、断層の面積とずれの量から算出されます。古い尺度とは違い、最大級の地震でも値が頭打ちになりません。そのため、巨大地震では、最初の一時間のうちにいくつものマグニチュードが示されることがあります。速報値が、やがてモーメントマグニチュードに置き換わっていくからです。
6:45レーダー衛星は、一つの地震の全体を一度に地図にすることができます。前と後に撮影した画像を比べることで、地面が動いた場所に色の縞を描き出します。縞一本が、衛星に近づく向きの約3センチメートル、つまり約一インチの動きを表します。その模様は、人が近づけない場所であっても、破壊した断層の位置をなぞり出します。
地震には、地震ならではの規則があります。マグニチュードが一つ下がるごとに、地震の数は約十倍になります。世界全体では、平年でマグニチュード5以上の地震が1,000回以上起きますが、マグニチュード8以上は約一回だけです。
7:22大きな地震の後には余震が起こり、余震は規則的に減っていきます。これは、地震学者の大森房吉が1890年代に日本で見いだしたパターンです。本震から十日後には、余震の起こる頻度は初日の約十分の一になります。百日後には、約百分の一です。
7:40最大の余震は、平均すると本震よりマグニチュードが約1.2小さくなります。ですから、マグニチュード7の地震の後に、マグニチュード6近い強い余震が起きても不思議ではありません。被害を受けた建物は、点検が済むまで無人にしておくべきです。
7:59地震は、応力を解放するだけではありません。応力を移動させもするのです。破壊した断層の端では、そのすぐ先にある岩盤にかかる応力が高まり、隣の区間が破壊に一歩近づきます。
8:11トルコの北アナトリア断層は、このことをはっきりと示しています。1939年以降、60年にわたって、一連の大地震がこの断層に沿って東から西へと進んでいきました。そのうち最大の十の地震を調べた研究によると、九つは、それ以前の地震によって破壊に近づけられていました。1999年8月、この地震の連鎖はイスタンブールに近いイズミットに達し、イスタンブールの地下で強い地震が起こる確率を高めました。
8:38人間も、断層の固着を解いてしまうことがあります。オクラホマ州では、石油・ガスの操業で大量の塩分を含む廃水が地下深くに圧入され、古い断層の内部の圧力が高まって、ついに断層がずれ動きました。マグニチュード3以上の地震は、年に約二回から、2015年には900回以上へと急増しました。オクラホマ州で最大のものは、2016年にポーニー近くで起きたマグニチュード5.8の地震で、いくつもの州で揺れが感じられました。
9:07これらはすべて予測に生かされます。予測が示すのは確率であって、日付では決してありません。カリフォルニア州の小さな町パークフィールドは、サンアンドレアス断層の上にあります。1857年から1966年の間に、そこでは六回の中規模の地震が起き、およそ22年に一回の割合でした。
9:241985年、科学者は次の地震が1993年までに起こると予測し、それをとらえるために一帯に観測機器を張りめぐらせました。地震が起きたのは2004年で、予測の期間が終わってから11年後のことでした。断層は、予測ができる程度には規則的ですが、時刻表どおりに動くほど規則的ではありません。
9:43そのため現代の予測では、地震サイクル、トレンチに残された記録、ひずみの蓄積をとらえたGPSの測定を組み合わせて、今後数十年間の断層ごとの確率を示します。オクラホマ州での急増を受けて、米国地質調査所は、人間が引き起こす地震についても一年間の予測を出し始めました。
地面を揺らすのと同じ波が、この惑星全体を伝わっていきます。深いところの岩石には非常に大きな圧力がかかっていて、波はふつう、深くなるほど速くなります。そのため、波の通り道はゆるやかに曲がって地表へと戻ってきます。熱い道路の上にゆらめく蜃気楼のようにです。
10:191909年、アンドリヤ・モホロビチッチというクロアチアの科学者が、近くで起きた地震の波が二組に分かれて届くことに気づきました。一部の波は、より深い岩石を通る、より速い経路をたどっていたのです。彼は地殻の底を発見したのです。その境界は今も彼の名にちなんでモホ面と呼ばれています。
10:38はるかに深いところでは、波が核の存在を明らかにします。地震から地球を四分の一周以上離れると、S波は消えてしまい、再び現れることはありません。P波もいったん弱まって消えますが、その先の反対側で再び現れます。S波は液体を通り抜けることができません。外核は溶けているのです。
10:55ここで、インゲ・レーマンの話に戻ります。ロシアに届いた微弱な波は、液体の核を通り抜け、その内部にある、波がより速く伝わる何かによって曲げられていたのです。それが、半径約1,200キロメートルの内核でした。その後の研究で、内核は固体の鉄とニッケルでできていて、太陽の表面とほぼ同じくらい高温であることがわかりました。現代の観測網は、こうした何百万もの記録から、地球の深部を三次元で描き出しています。
11:19これまで、深さ約12キロメートルより深くまで掘削した人はいません。それより下にあるすべてのものについて私たちが知っていることの大部分は、世界各地の観測所で地震波の到着時刻を測ることから得られています。
では、覚えておきたいことを三つ挙げましょう。第一に、断層は何十年もかけてひずみを蓄え、数分で破壊し、そしてまた固着します。これが地震サイクルです。第二に、波は断層がどこで破壊し、どのように動き、その破壊がどれほど大きかったかを明らかにします。そして、一つ一つの地震が次の地震へと応力を受け渡していきます。そして第三に、その同じ波が、この惑星の内部を固体の核に至るまで描き出してきました。
11:54すべての地震は、この惑星の内部から届くメッセージです。インゲ・レーマンは1929年に届いたメッセージを読み解き、誰も訪れることのない世界を見つけたのです。Earth Explainedをご覧いただき、ありがとうございました。次の講義に向けてチャンネル登録をお願いします。そして、EarthWatch24-7で、この惑星の姿を昼も夜もライブでご覧ください。
