地球の内部：地殻から核まで

1909年10月8日の朝、アンドリヤ・モホロヴィチッチというクロアチアの地震学者がザグレブ気象観測所に足を踏み入れると、彼の地震計のドラムが地震の記録で埋め尽くされているのを見つけた。それは大きな地震ではなかった。市の南東約40キロメートルにあるポクプスコ地域を襲ったものだった。しかし、紙の上に刻まれたうねうねとした線には、何か奇妙なものが潜んでいた。震源からある程度離れた観測点では、同じ種類の地震波が二度到達しているように見えたのだ。一方の脈動はもう一方より明らかに速く、まるで一つの信号が二つに分かれて別々の経路を駆け抜けたかのようだった。

モホロヴィチッチはその年の残りを、なぜそうなるのかを解き明かすことに費やした。唯一つじつまの合う説明は、波の一部がより深く密度の高い岩石の層に潜り込んで速度を上げ、上方の浅い物質を通ってきた遅い仲間より先に地表へ現れた、というものだった。彼はシャベルを一度も手に取ることなく、地球内部の境界を検出していたのである。その境界は今もなお彼の名を冠している。発音するのに疲れた地質学者たちはこれを略してモホ面と呼ぶ。それは地殻とマントルを隔てる境界であり、その発見をきっかけに、ほんの一握りの科学者たちが遠くの地震の震動だけを読み取りながら、決して見ることのできない惑星の構造を組み立て直した四半世紀が始まった。

この記事は、その構造についての話であり、そして私たちがそれを知っていること自体の驚くべき事実についての話である。地球の中心はあなたの足元から6,000キロメートル以上も下にあり、多くの恒星の表面よりも高温で、直感を裏切るほどの圧力に押しつぶされている。私たちはそこへ行くことも、そこまで掘り進むこともできない。それなのに、どうして私たちは地殻、マントル、液体の外核、そして固体の内核について、これほど確信を持って語れるようになったのだろうか。

震動から惑星を読み解く

地球の深部内部について私たちが知っていることのほとんどすべては、掘削からではなく、耳を傾けることから得られている。大きな地震が破壊を起こすと、地震波があらゆる方向へ放射状に広がり、その中には惑星の本体をまっすぐ突き抜けて下方へ進むものもある。これらの波には、まったく異なる振る舞いをする主に二種類があり、その違いこそが地球物理学がこれまで手にしてきた中で最も強力な道具なのである。

二つのうち速いほうがP波、すなわち初期波(primary wave)で、空気中を伝わる音波のように、通り抜ける物質を圧縮したり引き伸ばしたりする。重要なのは、P波が固体、液体、気体のいずれをも等しく通り抜けることだ。遅いほうのS波、すなわち二次波(secondary wave)は物質を横方向にずらすが、横方向のずれというものは液体には単純に支えることができない。S波は固体の中だけを進み、どんな液体の層にぶつかってもそこで完全に止まってしまう。

これによって地震学者たちは、惑星をレントゲン撮影する手段を手に入れる。地球上のあちこちの観測点に地震計を設置し、それぞれの種類の波がいつ、どの方向から到達したかを正確に記録すれば、エネルギーがたどった経路を再構築できる。波が速度を上げたところでは、岩石はより密度が高くなっているにちがいない。S波が完全に消えたところには、液体があるにちがいない。波が鋭く曲がったところでは、二つの物質の間の境界を横切ったのだ。地球の内部モデルは、こうした到達時刻から、放射線科医がフィルムに映る影を読み解くように、何十年もかけて辛抱強く組み立てられていった。

一枚の紙に描かれた四つの層

外側から内側へ向かって描くと、地球には四つの主要な層がある。表面には薄くてもろい地殻があり、その下には厚く、ほとんどが固体のマントルがあって、地質学的な時間をかけて極めて硬い練り粉のように流れる。さらにその下には鉄とニッケルからなる液体の外核があり、そして最も中心には、これも鉄とニッケルからなる固体の内核があって、焼けつくほど高温でありながら圧力によって凍りついている。これがあらゆる地理学や地質学の教科書に印刷されている標準的な断面図であり、その境界の一つひとつは地震波を読み取ることによって発見された。

その比率には謙虚にさせられる。私たちが触れたことのある唯一の部分である地殻は、群を抜いて最も薄い皮であり、惑星のほぼ全質量はその下のマントルと核に横たわっている。地球を理解するとは、実のところ、私たちの誰も決してたどり着けない場所を理解することなのである。

二種類の地殻：海洋と大陸

地殻は一様な一枚の殻ではない。それははっきりと二つの異なる種類に分かれ、その違いが私たちの惑星の顔の最も基本的な特徴、すなわちどこに海が位置しどこに陸が隆起するかを支配している。

海洋地殻は薄く、典型的には厚さがおよそ5から10キロメートルしかなく、密度が高く、暗色で、化学的には玄武岩質である。これはハワイの溶岩流に見られるのと同じ系統の岩石だ。また、海洋地殻は地質学的に若い。海底は中央海嶺で絶えず生み出され、マントルへと再び循環しているからである。これに対して大陸地殻は厚く、しばしば30から40キロメートル、山脈の下ではそれよりはるかに厚く、より軽く、組成は広くみて花崗岩質である。また、その一部は数十億年前にさかのぼるほど古い。大陸地殻は密度が低いため、より薄く重い海洋プレートの上に乗る厚いいかだのように、マントルの上で高く浮かんでいる。この単純な密度の差こそが、大陸が海面より上にそびえ、海盆が海面より下に横たわる理由なのである。

マントルと、プレートの下に潜む柔らかい層

モホ面の下にはマントルが横たわっている。これはおよそ2,900キロメートルの厚さを持つケイ酸塩岩の殻である。それは地球の構造の中の巨人であり、惑星の総体積のおよそ84パーセントを占めている。私たちが何気なく「地球」と呼ぶもののほとんどすべては、体積でいえばマントルなのだ。

ここで私たちは、地質学全体の中で最も根強い誤解に立ち向かわなければならない。マントルが溶けた溶岩の海であるという思い込みである。それは違う。マントルは圧倒的に固体の岩石だ。確かにそれは並外れて高温であり、何百万年もの歳月をかければ、ゆっくりとした対流の流れとなって流れ、かき混ざることができる。氷河や冷えたタールの塊が、十分に長く待てば変形するように、可塑的に変形するのである。しかし人間の時間尺度ではどれをとっても、それは硬い固体としてふるまう。圧力が下がる地表付近を中心とした、特定の限られた小領域においてのみ、マントルの岩石は溶けて火山に供給されるマグマを生み出す。私たちが地表で目にする赤熱した溶岩は、その下に横たわるものの例外であって、規則ではないのだ。

上部マントルの内側には、重要な工学的区別が存在する。マントルの冷たく硬い最上部は、その上の地殻と力学的に一体となってふるまい、硬い殻を形成する。その下にはアセノスフェア(岩流圏)があり、これはより温かく弱いマントル岩石の層で、融点に十分近いために柔らかく、ゆっくりと変形しやすい。それは、上方の硬い殻が滑ることのできる潤滑された面であり、この区別、すなわち柔らかい層の上の硬いふた、というものが、結局はプレートテクトニクスの鍵であることがわかる。

グーテンベルクの境界と液体の鉄の核

1914年、ドイツ系アメリカ人の地震学者ベノ・グーテンベルクは、内部のすべての境界の中で最も劇的なものを、深さおよそ2,900キロメートルの、マントルが終わって核が始まる場所に突き止めた。証拠は印象的だった。どんな大地震からでも、ある角度を超えると、S波はまったく現れなくなり、P波は鋭く曲げられて遅れて到達した。S波が消えてしまうことが決め手だった。なぜならS波は液体を通り抜けられないからだ。マントルは何か溶けたものの上に乗っていたのである。

その何かとは外核であり、液体の鉄とニッケルからなるおよそ2,200キロメートルの厚さの殻で、温度は摂氏およそ4,000から5,500度に及ぶ。それは金属の静かな海ではなく、下から逃げてくる熱によってかき混ぜられ、大きな対流の渦を巻く落ち着かない海である。電気を通す液体金属のそうした渦は、自己持続するダイナモとして働き、地球の磁場を生み出す。それは太陽風の多くを逸らし、方位磁針を北に向けさせる目に見えない盾である。船を導き、大気を守るその磁場は、つまるところ、海底の何千キロメートルも下で溶けた鉄が波打つことの産物なのだ。

インゲ・レーマンと内に秘められた固体の心臓

グーテンベルクの後の二十年間、核はすべて液体だと考えられていた。ところが1936年、デンマークの地震学者インゲ・レーマンが、簡潔で今や有名なP'(「Pプライム」と発音する)という題の論文を発表した。その中で彼女は一つの謎に取り組んだ。地球上には、ある地震の反対側に、影の領域(シャドーゾーン)と呼ばれる地域がある。そこでは液体の外核がP波をあまりに強く曲げてしまうため、波はそもそも到達しないはずなのだ。それなのに、理論では地表が静かであるはずのその場所に、かすかなP波がそれでも現れていた。

レーマンの説明は見事だった。もし液体の外核の奥深くに、より小さく密度が高く固体の内核が座しているなら、一部のP波はそれにぶつかり、その表面で反射・屈折して、直接波の届かない影の領域へと向きを変えられるだろう、というのだ。そのかすかな信号は、惑星の中心に隠された固体金属の球からのこだまだった。彼女の解釈は1940年に地震学者キース・ブレンによって裏づけられ、四層モデルが完成した。内核が固体であるのは、冷たいからではない。それは周囲の液体の層より高温かもしれないからだ。そうではなく、地球の中心の圧力があまりにも巨大であるため、その熱にもかかわらず鉄を凍りつかせてしまうからなのである。

どれほど熱く、どれほど深く、そしてなぜ単に掘り進めないのか

地球の内部は深さとともに急激に高温になっていくが、単純な直線をたどるわけではない。地表近くでは温度は地温勾配に従って上昇し、1キロメートル下るごとにおよそ摂氏25から30度ずつ高くなる。もしその割合がそのまま下まで保たれるなら、中心はとうてい考えられないほど高温の、数万度になってしまうだろう。だが、そうはならない。勾配は深さとともに劇的に平坦になっていき、その結果、地球のまさに中心は、一定の勾配が予測するばかげた数値ではなく、太陽の表面に匹敵する摂氏5,200度ほどに落ち着く。一方、圧力は下まで途切れることなく執拗に上昇し、核では大気圧の数百万倍に達する。これこそが、焼けつくような内核を固体のまま保たせている当のものなのである。

これだけ多くを遠隔の推論に頼っているのを見ると、なぜ私たちは単に下へ掘り進んで見てこないのかと不思議に思うかもしれない。正直な答えは、私たちは試みたが、表面をかろうじてひっかいただけだ、というものだ。これまで惑星に開けられた最も深い穴は、ロシアのコラ半島にあるコラ超深度掘削坑で、1989年までに12,262メートル、すなわち12キロメートル余りに達した。それは紛れもない工学上の勝利だが、それでも中心までの距離の0.2パーセントにも満たない。岩石があまりにも高温で可塑的になったため、計画は行き詰まって止まってしまった。掘削は、結局のところ、私たちが地球の内部を知る手段ではないし、これからも決してそうではない。地震学こそがそれなのである。

プレートへと割れていく殻

最後の一片が構造を結びつけ、物語の次の章を指し示す。私たちは地殻とマントルの硬い最上部が単一の力学的な単位としてふるまうことを語ってきた。その組み合わさった殻には名前がある。それがリソスフェア(岩石圏)であり、地殻に最上部マントルを加えてできた、地球の冷たくもろく硬い外層で、その下の柔らかいアセノスフェアの上に乗っている。

リソスフェアが重要なのは、大きな構造プレートへと割れているのが地殻だけではなくリソスフェアだからである。それらのプレートのゆっくりとした衝突と離別が、山を築き、海を開き、地震を引き起こす。1909年のモホロヴィチッチの小さなクロアチアの地震も、それ以降のあらゆる地震も、つまるところ、この動き続ける落ち着かない殻からの信号なのだ。惑星の層を明らかにしたのと同じ波が、その表面が生きているのだと私たちに告げる、惑星自身の声なのである。

重要なポイント

地球は外側から内側へ向かって、四つの入れ子になった層で築かれている。薄くもろい地殻は、密度が高く若い海洋玄武岩と、厚く古い大陸花崗岩とに分かれる。広大な固体のマントルはケイ酸塩岩からなり、惑星の体積のおよそ84パーセントを占め、溶けた溶岩であることなく地質学的な時間をかけて可塑的に流れる。液体の鉄ニッケルの外核では、対流する金属が磁場を生み出す。そして固体の鉄ニッケルの内核は、摂氏およそ5,200度であってさえ、押しつぶすような圧力によって凍りついている。私たちがこれらすべてを知っているのは、中心までの距離の0.2パーセントにすら一度も達したことのない掘削からではなく、地震波からである。P波は固体も液体もともに通り抜けるのに対し、S波は液体で止まるという事実を利用しているのだ。四層の描像は、1909年のモホロヴィチッチによる地殻とマントルの境界から、1914年のグーテンベルクによる液体の外核を経て、1936年のレーマンによる固体の内核に至るまで、ほぼすべて地震を読み取ることによって組み立てられた。そして、地殻に最上部マントルを加えた硬い外殻、すなわちリソスフェアこそが、物語の次の部分が動く構造プレートへと割っていく、その一片なのである。