なぜ地震は起こるのか（そしてなぜ予知できないのか）

1906年4月18日の朝、午前5時12分。サンフランシスコの大半はまだ眠りの中にあった。サクラメント・ストリートの地下、そしておよそ477キロメートルにわたるサンアンドレアス断層に沿って、何十年も互いに固着し合っていた地殻の二つの巨大な岩盤が、ついに滑り出した。太平洋プレートは数秒のうちに北米プレートを北西へと一気にずれ動き、大地は隆起し、マグニチュード7.9の地震が街を駆け抜けた。数分のうちに最初の火災が瓦礫の中を湾へ向かって這い上がり、その後の三日間、火災は揺れそのものよりもはるかに大きな被害をもたらすことになる。煙が晴れたときには、街の大部分が消え去っていた。

その朝に起きたことは、怒れる惑星が無作為に振るった暴力ではなかった。それは、人ひとりの一生分の歳月をかけて岩石の中に静かに蓄えられてきたエネルギーが、物理法則の許す唯一の形で突然解放された出来事だった。その仕組みを理解すれば、なぜ地図上のある特定の線に沿って地震が避けられないのか、そしてなぜ一世紀を超える綿密な研究にもかかわらず、いまだに地震がいつ襲ってくるのかを告げられないのかが見えてくる。これは、地震とは実際に何なのか、それをどう測るのか、そしてなぜ私たちが望む予知が手の届かないところに留まり続けているのか、その物語である。

ゆっくりと締めつけ、突然に弾ける

ドラマを取り払ってしまえば、地震は驚くほど単純な力学的現象だ。それは、断層の両側の岩石に蓄えられた弾性ひずみが急激に解放されることである。断層とは、二つの岩盤が互いに相対的に動きうる地殻の割れ目のことで、その定義の鍵となる言葉は「弾性」だ。岩石は、その上に立つとまったく剛体のように感じられるにもかかわらず、持続的な圧力のもとでは鋼鉄のばねに少し似た振る舞いをする。たわむのである。

取り払うべき決定的な誤解は、プレートが互いになめらかに滑り合っているというイメージだ。そんなことはない。断層の両側は摩擦によって引っかかり、ときに何百年もの間互いに固着する。だがプレート運動を駆動する力は押すのを決してやめないので、断層面が固着したままでいる間、その両側の岩石はゆっくりと変形し、たわませた定規がそうするのとまったく同じようにエネルギーを蓄えていく。やがて蓄積した応力が、断層を閉じ続けている摩擦の強さを上回る。岩石はひずみのない形へと弾け戻り、二つの岩盤は数秒のうちに互いにずれ動き、蓄えられていた弾性エネルギーのすべてが、私たちの感じる揺れとして放射されていく。

断層はゆっくりと荷重を蓄え、突然に破壊するというこの考え方は弾性反発説と呼ばれ、1906年の直後に地球物理学者ヘンリー・フィールディング・リードによって解き明かされた。彼は、サンアンドレアスを横切る測量線が地震の前の数年間で目に見えてたわみ、地震の最中に激しくまっすぐに戻ったことに気づいた。まるで引き絞られた弓が放たれたかのようだった。それから一世紀以上を経たいまも、弾性反発説は地質学者が断層の振る舞いを理解する土台であり続けており、そこからは居心地の悪い帰結が導かれる。固着しているどんな断層も、定義上、まさに今この瞬間も次の地震のためのエネルギーをせっせと蓄えているのである。

サンアンドレアスと、岩石が壊れる三つの様式

サンフランシスコを破壊した断層は、三つの基本的な断層型のうちの一つの教科書的な例であり、その三つすべてに出会っておく価値がある。なぜならそれらはプレートテクトニクスの構造ときれいに対応しているからだ。サンアンドレアスは太平洋プレートと北米プレートの境界を示すほぼ垂直な割れ目で、南のソルトン湖から北のメンドシノ岬まで約1,200キロメートルにわたって走り、デイリーシティのような都市のすぐ近くを通っているため、二つの主要なプレートの境界が人々の裏庭をほとんど通り抜けているほどだ。

断層は、二つの岩盤が互いにどう動くかによって分類される。サンアンドレアスは横ずれ断層で、これは岩盤が垂直方向にはほとんど動かずに水平方向に互いにずれ滑ることを意味し、両手の手のひらを擦り合わせるようなものだ。第二の型は正断層で、これは地殻が引き離されて引き伸ばされる場所に形成され、一方の岩盤（上盤）が他方に対して下方へ落ち込むことを許す。第三は逆断層、あるいはその低角度の親戚である衝上断層で、これは地殻が圧縮される場所に形成され、上盤を他方の岩盤の上へと押し上げ、乗り上げさせる。

これら三つの様式は恣意的なものではない。それらはプレート境界がなしうる三つのことに対応している。プレートが互いにすれ違う場所では横ずれ断層運動が生じ、引き離される場所では正断層運動が生じ、衝突して一方が他方の下へ押し込まれる場所では逆断層運動と衝上断層運動が生じる。したがって、ある地震において大地がどう壊れるかは、その惑星の一画を形づくっているより大きな力を直接読み取ったものであり、だからこそ地質学者は、たった一つの断層に記録された動きだけから、その土地のプレートテクトニクスの物語をしばしば語ることができるのである。

揺れに数値を与える

人類の歴史の大半を通じて、地震はその影響によってしか記述できず、そのために一つの出来事を別の出来事と意味のある形で比較することは不可能だった。それが変わったのは1935年のことで、カリフォルニア工科大学でベノ・グーテンベルクとともに研究していたチャールズ・リヒターが、南カリフォルニアの地震を、標準的な地震計に記録された揺れの大きさから導かれる一つの数値に乗せるべく、ローカルマグニチュード尺度を発表した。

この尺度を特徴づけているのは、それが対数的だということであり、これは地震について最も誤解されている一つの事実だ。尺度を整数で一段上がるごとに、地動の振幅はおよそ10倍に増え、エネルギーはさらに急峻に増大するため、放出されるエネルギーは約32倍になる。だからマグニチュード7は、いかなる普通の意味でもマグニチュード6の「二倍の大きさ」ではない。地動はおよそ10倍激しく揺れ、エネルギーは32倍ほど放出される。二段上がってマグニチュード6から8へ進めば、エネルギーはおよそ千倍もの跳ね上がりとなる。

リヒター尺度は中規模の地震にはよく役立ったが、上端には致命的な欠陥があった。それはおよそマグニチュード7を超えると飽和してしまうのだ。つまり、ある地震が別の地震よりもはるかに破壊的であっても、ごく最大級の地震はすべて似たような数値で出てきてしまう。リヒターが測っていた波が、巨大な破壊の真の大きさに比例して大きくなるのをやめてしまうからだ。1979年、トーマス・ハンクスと金森博雄はこれを正すべくモーメントマグニチュード尺度を導入した。一つの波の振幅を読み取る代わりに、それは破壊そのものの物理的な構成要素、すなわち滑った断層の面積、どれだけ滑ったか、そして岩石の剛性から計算される。これによって最大級の出来事に、それが真にふさわしい大きさが与えられる。そして大きな地震がニュースになるたびに引用されるのはこの尺度であり、それでも人々はいまだに大ざっぱに「リヒター尺度」と呼んでいる。

隠れた震源から、三角測量された地図へ

あらゆる地震は、破壊が最初に滑り出す地殻内の一点から始まる。これは震源、あるいは震源地と呼ばれる。その真上の地表の点、人々が地震の発生場所だと考える場所が震央である。震源からは、エネルギーが異なる速度で進むいくつかの種類の地震波となって外へ放射され、その速度の違いこそが、そもそも地震を見つけることを可能にする秘訣であることが判明している。

最も速いのはP波、すなわち初動波で、これは圧縮性の波であり、進む方向に岩石を押し引きする。地中を伝わる音によく似ている。その後ろから来るのがより遅いS波、すなわち二次波で、これは岩石を横方向にせん断し、液体の中を通り抜けることができない。最後に来て、たいてい最も破壊的なのが表面波で、これは地表そのものに沿って伝わり、建物を倒す揺れの多くを引き起こす。一本の地震計の記録には、この順序が時間軸の上に並んで現れる。まずP波、次にS波、そして表面波の長いうねりである。

鍵となるのはP波とS波の到達の間の隔たりだ。二つの波が既知の異なる速度で進むため、その時間差の大きさが地震学者に震源までの距離を教えてくれる。それは、稲妻が光ってから雷鳴が届くまでの遅れから落雷までの距離を見積もるのとちょうど同じやり方だ。一つの観測点からは距離はわかるが方向はわからないので、少なくとも三つが必要になる。各観測点は自らの周りにとりうる距離の円を描き、その三つの円すべてが交わる唯一の場所が震央である。今日では、ほぼリアルタイムで記録を共有し合う世界規模の観測網を横断して行われるこの三角測量によって、惑星上のどこで起きた地震も数分以内に正確に突き止められる。

海底が持ち上がり、海が応えるとき

地球が生み出す最大の地震、そして群を抜いて最も致命的な地震は、海の下に隠れた特別な種類の断層で起こる。沈み込み帯では、一つのプレートが別のプレートの下へ潜り込んでおり、沈み込んでいく海洋プレートとその上に乗り上げるプレートとの接触面が、ゆるやかに傾いた巨大衝上断層と呼ばれる面を形づくる。この境界面は途方もなく広い面積にわたって固着しうるため、破壊する前に莫大な量のひずみを蓄え、そして破壊するときにはマグニチュード尺度の上で最大の数値を生み出す。

1960年にチリ沖で起きたバルディビア地震はマグニチュード9.5に達し、これは観測機器で記録された史上最大のものであり、2011年に日本の北東沖で起きた東北地方太平洋沖地震はマグニチュード9.0または9.1に達した。巨大衝上断層型の出来事を比類なく危険にしているのは、その大きさだけでなく、その幾何学的な形でもある。断層が破壊するとき、それは海底の広大な面積を数メートル上方へ突き上げ、その突然の変位がその上にある水柱全体を押しのける。その結果が津波であり、海を渡って震央から何千キロメートルも離れた海岸線を壊滅させうる、長波長の波の連なりだ。2011年に日本で内陸へと押し寄せた水は、あの数分間の破壊の最中に海底が跳ね上がったことの直接の帰結だった。

なぜ正直な答えが「いつかはわからない」なのか

これだけのことを今では理解しているのだから、明らかな疑問は、なぜ次の一つを単純に予知できないのかということだ。私たちは危険な断層がどこにあるかを知っており、それらがゆっくりと荷重を蓄えて突然に破壊することも知っている。過去の地震とひずみのゆっくりとした蓄積から、ある断層が今後数十年のうちに破壊する長期的な確率を見積もることさえできる。そうした予測は、年単位の期間にわたる確率として表され、本当に役に立ち、建築基準や保険の土台を支えている。

私たちにできないのは、日付、時刻、マグニチュードを予知することだ。その理由は、先に述べた物理の中に織り込まれている。断層は、応力がそれを閉じ続けている摩擦をかろうじて上回るまで固着したままでおり、そのしきい値は私たちが測ることのできない細部に依存している。地下何キロメートルにある断層面の正確な粗さ、応力の精密な分布、ごく小さな割れ目の中の流体の圧力。決定的な瞬間における、測りようのないごくわずかな違いが、小さな一画が無害に滑るのか、それとも破壊が連鎖して巨大な地震へと膨れ上がるのかを決める。信頼できる前兆信号、すなわち前震、地面の傾斜、井戸水の変化、動物の行動を何十年も探し続けてきたが、一貫して機能するものは何一つ得られていない。同じわずかな信号が、その後に何の地震も伴わずに絶えず現れるからだ。科学界全体で共有されている知的に誠実な立場は、短期的な地震予知は現在のところ不可能であり、おそらく決して可能にならないかもしれない、というものである。最良の防御は未来を言い当てることではなく、来ることがわかっている破壊に備えて建てることなのだ。

重要なポイント

地震とは、容赦のないプレート運動のもとで固着した断層の両側の岩石がゆっくりと変形しながら蓄積していく弾性ひずみが、摩擦が屈して岩盤どうしが互いにずれ動くまで蓄えられ、そして急激に解放される現象である。これは1906年のサンフランシスコ地震の後に弾性反発説として初めて定式化された考え方だ。断層には横ずれ、正、逆の三つの型があり、これらはプレート境界がなす三つのこと（すれ違う、引き離れる、衝突する）に直接対応しており、サンアンドレアスは古典的な横ずれ断層の例である。マグニチュードは対数的なので、一段上がるごとに地動はおよそ10倍、エネルギーはおよそ32倍になる。だからこそ、1935年のリヒター尺度は大きな地震については、断層面積、滑り、岩石の剛性から組み立てられた1979年のモーメントマグニチュード尺度に最終的に置き換えられたのである。地震は震央の下にある震源で始まり、異なる速度を持つP波、S波、表面波を送り出し、その速度の違いによって三つの観測点が発生場所を三角測量でき、そして沈み込み帯の巨大衝上断層において最も破滅的な形に達する。そこでは1960年のバルディビアや2011年の東北のような破壊が海底を持ち上げ、海を渡る津波を放つ。私たちは長期的な確率を予測できるが、破壊の正確な瞬間は手の届かない地下の状態と、消え入るほど鋭敏な引き金のしきい値に依存しており、それゆえ信頼できる短期予知は私たちの手に余ったままなのである。