地震の科学 −地震波を使うと何を知ることが出来るのか− 千葉科学大学 危機管理学部 防災システム学科 栗田 勝実 地震に対するイメージ ・危ない ・こわい ・大きな地震に遭遇したくない 負のイメージしかない 神戸市中央区にて 地震は何も役に立たないのか？ 講演内容 １．地球の内部はどうなっているの？ ２．地震波を使うと人間にどんな幸福をもたらすの？ １．地球の内部はどうなっているの？ 固体？ 液体？ 気体？ それとも 空洞？ 答え 地殻・・・地球の表面を構成 厚さは数km∼30km マントル・・・地殻と核の間にある層 固体の岩石で構成 コア・・・地下2900km以下の層 ２層に分けられる。 外核・・液体 内核・・固体 19世紀までに分かっていたこと １．地球の平均密度 地球の平均密度：5.48 g/cm3 万有引力の法則を用いて H.Cavendish(1798)が求める （参考）地表の岩石の平均密度：2.6 g/cm3 地球内部にいくにしたがって 密度の大きい物質にならなければならない 19世紀までに分かっていたこと ２．地球の剛性率 地球潮汐の現象から推定される剛性率は、地表 にある岩石より値より小さい (防災科学技術研究所から) 剛性率・・・変形のしにくさをきめる指数 大→変形しにくい 小→変形しやすい 地球内部に大きな体積の柔らかい物質がないと 説明出来ない 地球内部にいくにしたがって 密度の大きい物質にならなければならない ＋ 地球内部に大きな体積の柔らかい物質がないと 説明出来ない この２点の条件を満たす地球のモデルが必要 どのようにして調べたのか？ 直接観察するのが一番 穴を掘って調べた？ 地球 赤道半径 ：6,378Km 極半径 ：6,357km 現実的ではない 世界最深の穴 ロシアのコラ半島 地下12kmまで掘られている どのようにして調べたのか？ 地球上で観測される地震波を用いて調べた 波の性質を知ることが必要 波の性質-その１ 真直ぐなストローを水の入ったコップに挿すと ストローはどの様に見えるだろう？ 波の性質-その１ こんな様に見えることはありませんか？ 波は異なる媒質の境界で進行方向を変える性質がある 屈折の法則 速さ：小さい 速さ：大きい θ 速さ：大きい ＊速さが小から大に入る θは大きくなる θ 速さ：小さい ＊速さが大から小に入る θは小さくなる 波が屈折する性質を利用すると パ∼ン ▲ ▲ 地表面 ▲ ▲ ▲ ▲ Vp=1500m/s Vp=3000m/s ▲ ：センサー ：波線 左：各地表で観測される波動 波面 （佐々・他1993） ▲１ ▲２ 右：地中を波が伝 わっている様子を イメージした図 波線 ▲３ ▲４ ▲５ ▲６ 地震波の性質 0 5 10 P波（縦波） 15 Time(s) 20 25 30 S波（横波） P波・・・固体・液体を介して波が伝わる性質を持つ S波・・・固体を介して波が伝わる性質を持つ 地震波形の記録をみると いろいろな地震記録を使うと （Kennette and Engdahl,1991） 走時曲線 （防災科学技術研究所から） 地震波形 どのようにして地震波は 地球内部を伝わるのか 近地での地震波の伝わり方 速さ：小 速さ：大 浅い部分の地下構造モデル （金森,1978） 観測記録が説明出来る→○ 遠地での地震波の伝わり方 （金森,1978） 問題点・・・ 103°から143°の地域にはP波初動が現れない シャドーゾーン どのようなモデルを作れば説明が出来るのか 速さ：大 速さ：小 （金森,1978） 波の伝わる速さが遅い核を入れたモデル 観測記録が説明出来る→○ 物質の化学的組成境界が存在することを示す もう一つの問題 P波は143°より遠い部分で現れたが・・・・ S波の初動部分は103°以降は現れない （金森,1978に加執） 仮定：核は液体である 観測記録が説明出来る→○ 地球内部に大きな体積の柔らかい物質がないと 説明出来ない 地球内部に液体が存在すれば説明可能 地球内部へ行くにしたがって 密度の大きい物質にならなければならない 地球内部の条件下における 密度と伝播速度の関係は弾性論で説明できる 問題解決！ 観測機器の精度が向上すると・・・ 110°にP波が現れることが確認 （金森,1978に加執） 仮定：核の中に固体物質があるとすれば 観測記録が説明出来る→○ 地殻・・・地球の表面を構成 厚さは数km∼30km マントル・・・地殻と核の間にある層 固体の岩石で構成 コア・・・地下2900km以下の層 ２層に分けられる。 外核・・液体 内核・・固体 地震波によって 地球内部の構造を見出す 地震波トモグラフィー ２．地震波を使うと人間にどんな幸福をもたらすの？ 地震波トモグラフィーの応用 地球科学分野では・・・・ ・活断層調査 ・石油資源探査 波の性質-その２ やっほー 壁 やっほー 人が壁に向かって大声で叫んだらどうなるか？ 時間をおいて壁から自分の声が跳ね返ってくる 波動は反射する性質を持っている 波の反射を利用すれば パ∼ン ▲ 地表面 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ Vp=1500m/s Vp=3000m/s ▲ ：センサー ：波線 （佐々・他1993） 上図：波線で示した水平二層構造における波の伝わりかた 下図：上図の場合における走時曲線 直接波 屈折波 反射波 実際に観測された 地震記録 （佐々・他1993） 反射波の相似計算 三平方の定理から V2Te2＝V2T02＋x2 零オフセット記録 （佐々・他1993） V：波の伝わる速度 Te：震源から反射点を通り受振点まで伝播する反射波の走時（時間） T0：震源における垂直往復走時（時間） ・石油資源探査の場合 無計画にトモグラフィーを実施してもだめ 1.有機物に富む堆積岩が存在する地域 2.石油の集積が期待される地下構造である ある程度の地質学的な情報を基に探査をする ＊油層の位置の把握 ＊貯留層の広がりが大きい アメリカ ワイオミング州ユタ州の事例 反射法地震探査による地下構造 （Brown,1991） ワイオミング州ユタ州フィールドの地質断面構造 （Brown,1991) 左図：反射法地震探査を実施した地域 下図：解析から求められた 地下構造断面図 千葉県 消防防災課の HPから 地震波トモグラフィーの応用 もっと身近なものでは（？）・・・・ ・超音波診断（エコー） 超音波を利用 ・CTスキャン（断層撮影） X線を利用 （高等学校物理Ⅰ 啓林館） まとめ １．地球の内部はどうなっているの？ ・地球内部は地殻、マントル、外核、内核に分類 ・外核は液体の性質を持っている ２．地震波を使うと人間にどんな幸福をもたらすの？ ・地震探査で石油の埋蔵位置などが分かる ・ＣＴや超音波（エコー）で体内の状況が分かる 波の性質を上手に利用することで、直接見ることが 出来ない物体のイメージを知ることが出来る 地球物理学（地震学）の発達による所が大きい
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