地質学

図1.震央の位置と大きさ

Figure 2.

地殻変動地震は、断層面に沿った破壊の伝播を促進するのに十分な、蓄積された弾性歪エネルギーがある地球上のどこでも発生します。 断層の側面は、断層面に沿って摩擦抵抗を増加させる不規則性や凹凸がない場合にのみ、スムーズかつ無震的に互いを通過することができます。 ほとんどの断層面にはそのような凹凸があり、これがスティックスリップのような挙動を引き起こす。 断層がロックすると、プレート間の相対運動が続くため、断層面周辺の体積に応力と蓄積された歪みエネルギーが増加します。

このエネルギーは、放射された弾性ひずみ地震波、断層表面の摩擦熱、岩石の亀裂の組み合わせとして放出され、地震が発生するのです。 このように、徐々に歪みと応力が蓄積され、時折、突然の地震で破壊される過程を弾性反発説と呼びます。 地震の全エネルギーのうち、地震エネルギーとして放射されるのは10%以下と推定されている。 地震エネルギーのほとんどは、地震の破壊拡大のための動力として使われるか、摩擦によって発生する熱に変換される。 したがって、地震は地球の利用可能な弾性位置エネルギーを下げ、温度を上げますが、これらの変化は、地球の深い内部から流れ出る熱の伝導および対流に比べると無視できます。

地震の断層の種類

断層には主に 3 つのタイプがあり、そのすべてがプレート間地震を引き起こす可能性があります。 正断層と逆断層は、断層に沿った変位が傾斜方向であり、その上での動きが垂直成分を含む、ディップスリップの例である。 正断層は、主に発散境界のように地殻が拡張している場所で発生する。 逆断層は、収束境界のように地殻が短縮している場所で発生する。 横ずれ断層は、断層の両側が水平にすべり合う急峻な構造で、変形境界は横ずれ断層の一種である。

逆断層、特に収束したプレート境界に沿った断層は、マグニチュード8以上の地震を含む最も強力な地震、メガトラスト地震に関連しています。 横ずれ断層、特に大陸の変形は、マグニチュード8程度までの大地震を発生させることがあります。 正断層の地震は、一般にマグニチュード7以下である。 マグニチュードが1つ上がるごとに、放出されるエネルギーは約30倍にもなります。 例えば、マグニチュード6.0の地震はマグニチュード5.0の地震の約30倍、マグニチュード7.0の地震はマグニチュード5.0の地震の900倍（30×30）のエネルギーが放出されることになります。

図3.マグニチュード8.6の地震は、第二次世界大戦で使われた原子爆弾1万個と同じ量のエネルギーが放出されるのだそうです。 ロサンゼルスの北西にあるカリーゾ平原の San Andreas 断層の航空写真

地震で放出されるエネルギー、したがってその大きさは、破壊される断層の面積と応力低下に比例するので、そうなるのです。 したがって、断層の長さが長く、幅が広いほど、結果としてマグニチュードが大きくなるのです。 地殻の最上部のもろい部分と、高温のマントルの中に降りてきている構造プレートの冷たいスラブは、弾性エネルギーを蓄積し、断層破壊でそれを放出できる唯一の部分である。 摂氏300度以上の高温の岩石は、応力に応じて流れ、地震で破壊されることはない。 断層破壊やマッピングされた断層（1回の断層破壊で破断する可能性のあるもの）の長さは、観測上最大で約1000kmである。 例として、1960年のチリ地震、1957年のアラスカ地震、2004年のスマトラ島沖地震があり、いずれも沈み込み帯の地震である。

しかし、断層での最大地震規模を支配する最も重要なパラメータは、利用可能な最大長ではなく、利用可能な幅であり、後者は20倍も異なるからです。

しかし、断層での最大地震規模を制御する最も重要なパラメータは、利用可能な最大長さではなく、利用可能な幅であり、後者は20倍も変化するからです。

横ずれ断層は垂直に近い方向に向いていることが多く、その結果、脆い地殻内の幅はおよそ10kmとなり、マグニチュード8をはるかに超える地震は起こりえません。 また、正断層の多くはアイスランドのような拡散中心沿いにあり、脆性層の厚さが6km程度であるため、正断層の最大マグニチュードはさらに制限されます。

さらに、3つの断層には応力レベルの階層が存在し、最も高い応力レベルではスラスト断層、中間の応力レベルでは横ずれ断層、最も低い応力レベルでは正断層が発生する。 このことは、最も大きな主応力の方向、つまり断層が発生する際に岩盤を「押す」力の方向を考えれば容易に理解できる。 正断層の場合、岩盤は垂直方向に押し下げられるので、押し下げる力（最大主応力）は岩盤の自重と等しくなる。 一方、スラストの場合は、岩盤は主応力の小さい方向、つまり上方に「逃げる」ので、岩盤は持ち上げられ、上載荷重は主応力の小さい方向に等しくなります。 横ずれ断層は、上記の2つのタイプの中間的なものである。

プレート 境界から離れた地震

プレート境界が大陸岩石圏内で発生する場合、変形はプレート境界自体よりもはるかに大きな領域で広がります。 San Andreas 断層の大陸変換の場合、多くの地震はプレート境界から離れて発生し、断層トレースの大きな不規則性によって引き起こされる変形のより広いゾーン内で発達した歪みに関連しています (例えば、「ビッグ ベンド」領域)。 ノースリッジ地震は、このような地帯内のブラインドスラスト上の動きと関連していた。 もう一つの例は、ザグロス山脈の北西部を通るアラビアプレートとユーラシアプレートの間の強く斜めに収束したプレート境界である。 このプレート境界に伴う変形は、南西の広い範囲で境界に垂直なほぼ純粋なスラスト方向の運動と、実際のプレート境界に近いMain Recent断層に沿ったほぼ純粋な横ずれ運動とに分けられる。

すべての構造プレートは、隣接するプレートとの相互作用と堆積物の負荷または負荷解除（たとえば、退氷）によって引き起こされる内部応力場を持っています。 これらのストレスは、既存の断層面に沿って破壊を引き起こすのに十分で、プレート内地震を生じさせるかもしれません。

浅い焦点と深い焦点の地震

Figure 4.浅い焦点の地震は、深部から深部まで、そして、深い焦点の地震は、浅い焦点の地震は深部から深部まで、それぞれ異なります。

地殻変動地震の大部分は、深さ数十キロを超えない火の輪の部分で発生します。 深さ70km以下で発生する地震は浅焦点地震、深さ70～300kmの地震は中焦点地震または中深度地震と一般に呼ばれています。

このような沈み込み帯の地震活動領域は、ワダチ・ベニオフ帯として知られています。 深発地震は、沈み込んだ岩石層が高温高圧のため、もはや脆くならない深さで発生します。 深発地震の発生メカニズムとしては、スピネル構造に相転移したカンラン石による断層が考えられます。

地震と火山活動

地震は火山地帯でよく発生しますが、その原因は、構造断層と火山でのマグマの動きの両方にあります。 そのような地震は、1980年のセントヘレンズ山の噴火のときのように、火山噴火の早期警告として機能することがあります。 群発地震は、火山全体に流れるマグマの位置を示す目印になる。 これらの群発地震は、地震計や傾斜計 (地面の傾斜を測定する装置) で記録することができ、差し迫った噴火や間近の噴火を予測するセンサーとして使用できます。

断層のダイナミクス

構造地震は、核生成として知られるプロセスである断層の表面の点での最初の破壊によって始まります。 核生成領域の規模は不確かで、最小の地震の破断寸法など、100mより小さいことを示唆する証拠がある一方で、いくつかの地震の低周波スペクトルによって明らかにされた遅い成分など、より大きいことを示唆する証拠もある。 核生成に何らかの準備過程がある可能性は、地震の約4割が前震を伴うという観測からも支持される。 破断が始まると、断層面に沿って伝播し始める。 この過程のメカニズムは、実験室で高いすべり速度を再現することが難しいこともあり、よくわかっていない。

破断の伝播は、一般に破断を伝播する混合モードせん断亀裂になぞらえ、破壊力学のアプローチを使用してモデル化されます。 破断速度は、亀裂先端周辺の体積における破壊エネルギーの関数であり、破壊エネルギーの減少に伴って増加します。 破断の伝播速度は、断層を横切る変位速度よりも数段速くなります。 地震破壊の伝播速度は通常、S波速度の70〜90％の範囲にあり、これは地震の規模に依存しない。 地震破壊のごく一部は、S波速度より速い速度で伝播しているようです。 これらのスーパーシアー地震は、いずれも大規模な横ずれ現象が発生した際に観測されている。 2001年の崑崙（こんろん）地震で生じた異常に広い共振帯の被害は、このような地震で発生するソニックブームの影響によるものであるとされている。 また、地震破壊の速度が異常に遅いものがあり、スロー地震と呼ばれている。

地震群

ほとんどの地震は、場所と時間の点で互いに関連する、一連の地震の一部を形成しています。

余震

余震とは、前の地震（本震）の後に発生する地震のことです。 余震は、本震と同じ地域で発生しますが、必ず規模は小さくなります。 余震が本震より大きい場合は、余震を本震、元の本震を前震と呼称し直します。

群発地震

群発地震とは、短期間に特定の地域で発生する一連の地震を指します。 余震が続く地震とは異なり、明らかに本震と思われる地震が1つもないため、他の地震より顕著に高いマグニチュードはありません。 群発地震の例として、2004年のイエローストーン国立公園での活動が挙げられる。

ときどき、地震の嵐と呼ばれる一連の地震が発生し、地震がクラスターで断層を襲い、それぞれが前の地震の揺れや応力の再分配によって誘発されます。 余震に似ているが、隣接する断層で発生し、何年もかけて発生し、初期の地震と同じような被害を与える地震もある。 このようなパターンは、20 世紀にトルコの北アナトリア断層を襲った約 12 の地震のシーケンスで観察され、中東の大規模地震の古い異常なクラスターについて推測されています。

地震のよくある場所

地震とプレート境界

すべての地震ではなく、ほとんどはプレート境界またはその近くで発生しています。

引張は、発散したプレート境界で支配的な応力です。

発散したプレート境界では張力が支配的で、正断層と地溝帯が地震に関連した構造として支配的である。

変質プレート境界は、水平せん断が支配的な地帯で、横ずれ断層が最も特徴的な断層タイプである。 ほとんどのプレート境界は、海底の構造の一部である比較的薄い海洋地殻を切り開いており、比較的浅い地震を発生させ、大きなマグニチュードはめったにない。 しかし、変形プレート境界とその横ずれ断層が、島や大陸の厚い地殻を貫いている場合、厚い岩盤が破壊されるまでに、より多くの応力がかかるため、地震の規模は薄い海洋地殻の変形プレート境界域より大きくなることがある。 これは、カリフォルニア州の San Andreas 断層帯のような場所で明らかです。ここでは、変換断層が大陸地殻を切断し、地震は時々マグニチュード 7.0 を超えます。

収束プレート境界は圧縮によって支配されています。

収束型プレート境界は、圧縮が主体です。収束型プレート境界に見られる主な断層は、通常、逆断層またはスラスト断層で、2つのプレートの境界にある主スラスト断層と、プレート境界とほぼ平行に走るいくつかの主スラスト断層が含まれます。 これまで観測された地震の中で最も強力な地震は、マグニチュード9.0を超える沈み込み型地震である。 世界のすべての沈み込み帯は、極端な場合、マグニチュード9.0を超える沈み込み型地震の危険性があり、津波を発生させる可能性がある。 カリフォルニア州北部とオレゴン州、ワシントン州沿岸のカスケーディア沈み込み帯、アラスカ州南部のアリューシャン沈み込み帯、太平洋ロシアのカムチャッカ沈み込み帯、太平洋メキシコ南部のアカプルコ沈み込み帯、中米沈み込み帯、アンデス沈み込み帯、西インド諸島またはカリブ海沈み込み帯、インドネシア、日本、フィリピン、その他太平洋西部と南西部の沈み込み帯が含まれる。

プレート内地震

いくつかの地震は、プレート境界から遠く離れた場所で発生します。

たとえば、ハワイはどのプレート境界からも数千キロ離れていますが、島々を構成する火山は急速に蓄積され、まだ重力による安定化が続いています。 ハワイ諸島の一部分が正断層に沿って傾斜し、プレート内地震を起こすことがある。 地震は、最も新しくできた火山で構成されているハワイ島で多く発生している。 地質学的記録は、古い島の一部が過去数百万年の間に大きな崩壊を起こし、島の一部が浅い正断層に床をつけた地滑りで海底に滑り落ちたことを示しています。

別の例は、ネバダ州とユタ州東部を含む米国西部の盆地と山脈地域で、地殻は張力にさらされています。 西海岸のプレート境界から遠く離れた内陸にある正断層で地震が発生します。

イエローストーン国立公園周辺も、正断層で時々大きな地震が起こります。

ボストン、ニューヨーク、サウスカロライナ州のチャールストンを含むいくつかの東海岸の都市は、過去 2 世紀に有害な地震を経験したことがあります。

ミズーリ州南東部とテネシー州西部のミシシッピ川沿いにあるニューマドリッドの町の地域では、1811年から1812年にかけて大地震が発生しました。

ミズーリ州南東部とテネシー州西部のミシシッピ川沿いにあるニューマドリッドの町では、1811年から1812年にかけて大地震が起こりました。 その地域の下の断層系は、遠い地質学的過去における大陸衝突と大陸移動の時代のものであり、ニューマドリッド周辺の地殻の最近のストレスは、その地域の南に広がるミシシッピ川のデルタ地帯の大量の堆積物によるものかもしれません

地震と火山

地震と火山の間の関係は、必ずしも明白ではありません。 しかし、火山の下でマグマが上昇しているときや、火山が噴火しているときは、地震が発生します。

地震学者は、火山の下から来る地震のパターンやシグナルから、火山が噴火しそうなことを予測したり、火山が離れた場所にあったり、暗闇に隠れていたり、嵐雲に隠れていても、地震波を使って噴火していることを見たりすることができるのです。

火口や火山は、一般に断層に沿って、あるいはいくつかの断層が交差する場所にあります。 地殻にすでに存在する主要な断層は、上昇するマグマを流すための自然の道である可能性があります。 しかし、大きな火山では、より浅い断層は火山の発達に伴ってできたものです。

冒頭で述べたように、すべての地震が断層に沿った固い岩塊の滑りによるものではありません。 火山が強い火砕噴火を起こすと、つまり火山が爆発すると、地球が揺れます。

断層に沿った固い岩石の滑りではなく、マグマの動きによって少なくとも部分的に引き起こされる地震のもうひとつの例は、火山の下、または火山の上にあるかどうかにかかわらず地殻内の高いレベルまで、マグマの動きによって引き起こされる地震です。 このような地殻内のマグマの上昇運動をマグマインジェクションと呼ぶこともある。

環太平洋火山帯

環太平洋火山帯は、太平洋の盆地で多くの地震と火山噴火が発生している地域です。 40,000 km (25,000 mi) の馬蹄形で、ほぼ連続した海溝、火山弧、火山帯および/またはプレート運動と関連しています。 452の火山があり、世界の活火山と休火山の75％以上がここにある。

図5. 環太平洋火山帯

世界の地震の約90％、世界最大地震の81％が環太平洋火山帯に沿って発生している。 次に地震が多いのはアルパイド帯で、ジャワ島からスマトラ島、ヒマラヤ山脈、地中海、そして大西洋へと延びています。

環太平洋火山帯は、プレートテクトニクスとリソスフェアプレートの移動と衝突の直接的な結果である。 リングの東側は、西に動く南米プレートの下にナスカプレートとココスプレートが沈み込んでいる結果です。 ココスプレートは、中米のカリブ海プレートの下に沈み込んでいる。 太平洋プレートの一部は、小さなファン・デ・フカ・プレートと共に、北米プレートの下に沈み込んでいます。 北の部分に沿って、北西に動いている太平洋プレートはアリューシャン列島弧の下に沈み込んでいる。 さらに西へ進むと、太平洋プレートは日本の南にあるカムチャッカ半島アークに沿って沈み込んでいる。 南部はもっと複雑で、マリアナ諸島、フィリピン、ブーゲンビル、トンガ、ニュージーランドから太平洋プレートと衝突している多くの小さな構造プレートがある。この部分は、オーストラリアがその構造プレートの中心に位置しているため、除外されている。 インドネシアは、ニューギニアを含む北東部の島々に沿った環太平洋火山帯と、スマトラ、ジャワ、バリ、フローレス、ティモールから南と西に沿ったアルパイドベルトの間に位置しています。 カリフォルニア州のサンアンドレアス断層帯は、アメリカ南西部とメキシコの下にある東太平洋海嶺の一部を切り取る変形断層として有名であり、非常に活発である。 この断層は、1日に何度も小さな地震を発生させますが、そのほとんどは、小さすぎて感じられません。 カナダのブリティッシュ コロンビア州ハイダ グワイイの西海岸にあるクイーン シャーロット断層は、20 世紀の間に、1929 年にマグニチュード 7、1949 年にマグニチュード 8.1 (カナダ最大の記録地震)、1970 年にマグニチュード 7.4 の 3 つの大きな地震を発生させました。

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