プレートテクトニクス運動はどのように始まったのでしょうか?それは地熱エネルギーからですか?

序文

海は干上がり、岩は崩れ、世界は劇的に変化します。これらは、三世代にわたる恋人同士の美しい愛の言葉ですが、46億歳の地球にとっては、その中心にある熱い心と粘り強い生命力の具現化です。沸き立つ生命力は止まることがない。超大陸は分裂し、融合して、今日の世界の 7 つの大陸を形成しました。広大な太陽系の中で、月は地球とほぼ同じ年齢であり、夜空に多くの輝きを加えています。現在、太陽は地球から年間5センチメートルずつ遠ざかっています。 1912年にドイツの地質学者ウェゲナーが提唱した「プレート移動説」は、世界の変化が偶然ではないことを私たちに認識させました。では、地球の表面を形作る「プレートテクトニクス」の原動力はどこから来るのでしょうか?それは地球内部の燃え盛る生命力、つまり地熱によって引き起こされるのでしょうか、それとも月や他の惑星によって引き起こされる地球の潮汐力の変化によって引き起こされるのでしょうか?

図1 太陽系の8つの惑星はすべて岩石惑星である

地球の誕生

なぜ地球は生命のゆりかごなのでしょうか?地球は最初に創造されたとき、どのように異なっていたのでしょうか?

地球の起源については多くの理論や仮説があります。最も主流な説は、地球は太陽系の他の惑星と同様に、初期の太陽系で塵とガスの混合物によって形成されたというものです。これらは太陽系の周りを回転し続け、最終的に小さな塵の粒子が衝突して石に集まり、丸石になり、さらに大きな「小惑星」になりました。

初期の地球はより大きく重くなり、小惑星や隕石の衝突によって地球内部もますます高温になり、それが地球の初期の熱の源でもありました。地球が誕生した当初は、半減期の短い放射性元素がたくさん存在していました。これらの元素ははるか昔に崩壊して安定した物質になりましたが、当初は大量の熱を放出し、地球を加熱し続け、太陽の温度に匹敵する4000～6800℃の中心温度も生み出しました。

アメリカの地球物理学者J・マーヴィン・ハーンドンは、地球は巨大な天然の原子炉のようなものだと理論づけた。放射性元素は地表から3,000キロメートル下に集中しており、自然崩壊と核分裂によって熱を放出します。これは2番目で主な熱源であり、地球が磁場を生成し、火山やプレートテクトニクスの動きに熱を供給する理由です。

一部の科学者は、地球と太陽、月、その他の惑星などの天体との間の潮汐摩擦熱も熱源であると考えています。時間が経つにつれて、地球の表面は冷えていき、現在地殻、マントル、核として知られているものが形成されました。

図2 生まれたばかりの地球は非常に暑かった

地球の年齢

クレア・パターソン『隕石と地球の年齢』

灼熱の地球が人間の居住に適した惑星になったのはいつでしょうか?地球上の地質学的プロセスは極めてゆっくりと進行していることがわかっています。人間の短い人生に比べると、地球は「無限に古い」と言えますが、地球の年齢はどれくらいでしょうか? 1785年、近代地質学の父ジェームズ・ハットンは『地球理論』の中で、地質学的現象は今日見られる自然のプロセスによって説明できると述べました。これらのプロセスはゆっくりと進行しており、始まりも終わりも見えません。ハットンの言葉は後世の多くの人々にも啓発を与え、一つの岩石から地球の歴史を知ることを可能にした。

この論理に従って、19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて科学者たちは放射性元素を発見しました。 1903年、キュリー夫人らは放射性元素ラジウムの発見によりノーベル物理学賞を受賞しました。同年、ラザフォードは、各放射性同位体について、放射性親同位体の崩壊率は、その時点の親同位体の残存量に比例することを指摘した論文を発表しました。この比例係数は一定であり、「減衰定数」と呼ばれます。各同位体が最初の総量の半分に崩壊するのにかかる時間も一定であり、この同位体の「半減期」と呼ばれます。

放射性元素の発見は、地質学にとって予想外に大きな意味を持っています。アメリカの地球化学者クレア・パターソンは博士課程在学中、指導教官のブラウン教授と共同で隕石中の鉛同位体含有量の測定と計算を研究しました。彼の指導者であるブラウン教授は、年代測定の背後にある数学的原理を導き出しました。ウラン 235 とウラン 238 は、異なる確率で一連の崩壊を起こし、それぞれ鉛 207 と鉛 206 になります。したがって、理論的には、サンプルの年齢を知るには、サンプルに現在どれだけの鉛とウランが含まれているか、そしてサンプルが形成された時にどれだけの鉛が存在していたかを知るだけで済みます (図 3 を参照)。上司は彼に、この方法に従えば地球の年齢を計算できるだろうと言った。そのため、博士号を取得して数年経った後も、パターソンは地球の年齢を計算することに夢中になっていました。しかし、地球と同時代の隕石を見つけるのは難しい作業です。

1956年、彼はアリゾナ州で地球と似た状態にある隕石、キャニオン・ディアブロのサンプルを発見した。彼はそれをシカゴ大学のアルゴンヌ国立研究所（ANL）に持ち込んで同位体崩壊を測定することに熱心だった。アルゴンヌ国立研究所はかつて「マンハッタン計画」の実験拠点であり、世界最先端の質量分析計を保有しています。実験結果は非常に早く出ました: 45億5000万±7億年。これは地球の正確な年齢であり、50年経った今でも地球の年齢に最も近いテストであると考えられています。

太陽系の軌道から飛来した隕石は、地球の誕生を理解するのに役立ちます。地球内部の放射性元素の崩壊は今も進行中です。

図3. 238Uの崩壊系列、最終生成物は206Pb

プレート移動

アルフレッド・ウェゲナー『大陸と海洋の起源』

強い好奇心と探究心を持ったもう一人のドイツの地質学者、アルフレッド・ウェゲナーは、1912 年に「大陸移動説」を提唱しました。アフリカと南アメリカの地形の輪郭を比較することで (図 4 参照)、ウェゲナーは、それらの外縁が非常に類似していること、そして南アフリカには東から西に走る山脈があり、それがアルゼンチンの山とつながっていることを発見しました。したがって彼は、大陸はある時点で完全な大陸であったはずだと想像した。ウェゲナーは自分の主張を証明するために化石も利用した。グロッソプテリスは2億5000万年前のシダ植物で、その化石はアフリカ、南アメリカ、オーストラリア、インド、南極で発見されています。グロッソプテリスがこのように広い範囲に分布していたことから、ウェゲナーは大陸がかつては一つの存在であったと確信した。なぜなら、グロッソプテリスの種子が海を越えて長距離移動することは不可能だからです。一方で、その「種子」は大きすぎて風に流されることはありません。その一方で、壊れやすく、海を渡って漂うことができません。では、なぜシダはこれほど広大な地域に生育できるのでしょうか?ウェゲナーは、このことからこれらの大陸はかつて超大陸としてつながっていたと推測しました。

図4 アフリカと南アメリカの輪郭のモザイク

では、プレートが移動して現在の 7 つの大陸と 4 つの海洋からなる世界地図が形成される理由は何でしょうか?ウェゲナーなどの進化論者は、超大陸パンゲアが天体の潮汐力と地球の自転によって生じる遠心力の影響でいくつかの破片に分裂し、その結果、地殻が分離してアセノスフェア（温度が最高1,300度に達するマントル層）に漂流したと信じていました。プレート運動のプロセス全体は非常にゆっくりとしており、5億4000万年続きました。では、進化論者が言うように、プレートの移動は本当に地球の自転と天体の重力によるものなのでしょうか?そのプロセスは本当にゆっくりと段階的に進むのでしょうか?この「超大陸」が他の天体の重力に引き寄せられていたとしたら、全体として漂流し、現在のように7つの大陸に分散することはなかっただろう。そうなると、「地球のプレートの分裂」にはもっと深い理由があるはずだ。

地球表面の海水が排水された場合、露出した海底地形は大陸移動説を証明できるでしょうか？当時、ウェゲナーは、人々がプレートテクトニクスの運動の研究を決してやめないとは想像もしていなかったに違いありません。 1957 年に出版された最初の海底地図「北大西洋地図」により、大西洋周辺の海嶺、海溝、火山帯が初めて一般の人々に公開されました。常に進歩し続ける海底地図（図 5）により、プレートテクトニクス運動と大陸移動の理論を再考することができます。

図 5 水のない地球 (eastgbg.se)

最近公開された海底地形図を見ると、海底の地溝帯の長さは8万キロメートルにも及び、地球を2周するほどの長さで、巨大な海嶺、つまり中央海嶺を形成していることがわかります。海嶺全体の面積は海域面積の約3分の1を占めます。中央海嶺は最も火山活動が活発な地域でもあります。これらの海底火山帯は規模が大きく、特に環太平洋火山帯が顕著です。火山帯の一部は現在でもゆっくりと活動を続けています。最も有名な「大西洋海嶺」は、ほぼ北極圏から南極圏まで広がり、長さは15,000キロメートル、幅は500〜900キロメートル、相対的な高さは2〜3キロメートルです。

図6 海底地殻の移動方向は大陸移動の方向と一致している。上の図の矢印に注目してください（知乎より引用）

現代科学は、中央海嶺付近の岩石の年代を測定することで、赤い部分が最も新しい岩石層、黄色が比較的新しい岩石層、緑が2番目に新しい岩石層、青が比較的古い岩石層を表すことを発見しました。つまり、中央海嶺に沿って分布するこれらの火山は、すべて過去のある時期に海嶺に沿って同時に噴火したのです。中央海嶺はプレートテクトニクスの反駁の余地のない証拠であると言える。

中央海嶺の形状は大陸分裂の形状と一致しており、海底地殻の移動方向も大陸移動の方向（図中の矢印）と比較的一致していることがわかり、海洋地殻の膨張と移動が大陸の分裂と移動を推進する主な力であることがわかります。図 7 は、海底火山の噴火、海底中央海嶺の形成、溶岩の継続的な流出、海洋地殻の大陸プレートへの沈み込みを示しています。火山の噴火は水の波の中心のようなもので、溶岩は水の波のように大陸プレートの動きを層ごとに押し進めます。

図7 海底火山の集中噴火により海洋プレートと大陸プレートの衝突が起こる

アイスランドは「海の尾根」上で特異な存在となっている。大西洋海嶺の北部では、火山活動が激化し続けるにつれて、火山の溶岩が冷えて蓄積し続け、最終的に海から出現して島となり、国へと進化しました。島には現在でも200以上の火山があり、そのうち40以上が活火山です。火山活動は非常に活発で、地熱エネルギーも豊富です。最近、誰もが「再生可能エネルギー」について語っています。アイスランドの地下にある巨大な地熱エネルギーは、最も望まれている真に再生可能でクリーンなエネルギーです。

地球に残る大きな傷跡

アフリカ大陸の東側には、長さ数千キロに及ぶ亀裂があり、大陸がほぼ引き裂かれています。地球上で最大の傷跡としても知られています。東アフリカの大地溝帯は、東と西の 2 つの支流に分かれています (図 8 を参照)。西部大地溝帯は、ビクトリア湖の西側に沿って南から北に走り、スーダンの白ナイル川の近くまで達します。全長約1,700キロメートルと比較的小規模です。東部地溝帯は主要な地溝帯であり、ビクトリア湖の東側に沿って北は紅海まで走り、その後紅海から北西にヨルダン渓谷まで伸びています。長さは約6,000キロメートルです。ここの亀裂帯の幅は約数十から200キロメートルです。谷底はほぼ平坦です。裂け目の両側には急峻な崖があり、その高低差は数百メートルから2,000メートルに及ぶ。プレートテクトニクスの理論によれば、約 3,000 万年前に地殻変動が起こり、激しい火山噴火によってこの地溝帯の初期の形態が形成されたとされています。地溝帯の両側には多くの火山があり、キリマンジャロ山とケニア山が最も有名で、その中でもキリマンジャロ山は「アフリカの屋根」としても知られています。

図8 東アフリカ大地溝帯の東側と西側の支流

東アフリカの大地溝帯は「紅海・アデン湾・東アフリカ地溝帯」であり、この三角形の地溝帯で後から発達した地溝帯である。紅海とアデン湾は新しく開かれた海に属し、東アフリカ大地溝帯はアフリカプレート内に位置しています。 3つはほぼ120度の角度で亀裂を形成します。では、この亀裂のパターンは単なる偶然なのでしょうか、それとも何らかの科学的な原理があるのでしょうか?

大地溝帯と紅海に戻ると、紅海はプレート境界に裂けた後、非常に狭い中央海嶺しか残っておらず、海洋地殻はほとんど形成されていません。アデン湾にのみ、海洋地殻を形成した中央海嶺が存在します（図 6 参照）。つまり、紅海と東アフリカ大地溝帯は、まだ自力で分裂できる中央海嶺系に発達しておらず、分裂を続けるには深部マントルホットスポットの触媒作用が必要である。したがって、図 9 に示すように、東アフリカ大地溝帯が長期間にわたって新しい大陸に分裂するかどうかについては、さらなる証拠が必要になります。

図9 東アフリカ大地溝帯は将来、新たな大陸へと移動していく可能性がある（惑星科学局より引用）

地球の熱バランス

張祖恒教授が放射熱を発生させる

張祖環氏は我が国のウラン地質学と同位体地質学の著名な専門家です。彼は 1986 年に出版された「鉱物岩石地球化学通信」の中で、地球内部の天然放射性元素の継続的な崩壊によって生成される地熱エネルギーは、必然的に地殻の動きと地球の進化に重大な、さらには決定的な影響を及ぼすだろうと書いています。彼は崩壊によって発生する熱が莫大なものだと考えた。彼の計算によれば、効果的な熱放出メカニズムがなければ、放射性崩壊によって発生した熱が何億年もの蓄積を経て地殻全体を溶かしてしまうだろう。

張祖環教授は、このような状況が起こらない理由は、地球内部の熱が蓄積される一方で、さまざまな経路を通じて地球外部に継続的に放出されているためだと考えています。これらの放出方法は主に次のとおりです。(1)熱伝導により表面に熱が連続的に放出されます。 （２）マントル対流とマントル物質の湧昇により、地熱エネルギーは中央海嶺、大地溝帯、深い断層山脈、マグマ活動、火山活動、温泉などを通じて地球外に大量に放出される。 （３）地熱エネルギーが機械的エネルギーに変換され、プレートの活動、褶曲、断層、地震などを引き起こす。地殻深部の広域変成作用も熱エネルギーの一部を消費する可能性がある。

張祖環教授はさらに、地球内部には地熱の蓄積と放出のさまざまなサイクルがあると指摘した。 「蓄積サイクル」では、地熱の蓄積速度は比較的バランスが取れていて遅く、比較的長期間持続します。これは量的変化のプロセスであり、地球が比較的安定した時期を表しています。蓄積が一定の段階に達すると、元の相対的平衡状態が破壊され、質的変化と矛盾する変換が起こり、「放出サイクル」に入ります。このとき、地熱放出速度は激しく急速であることが多く、火山活動、マグマ活動、地殻変動、地震活動などの形で現れ、比較的短い時間継続し、地球上の相対的な活動期間を表します。地球規模の地殻変動により、大量の地熱が放出されます。地殻変動が静まると、地熱の蓄積が優勢な時期に入り、地表は比較的寒くなることが多くなり、地球規模の氷河期の出現を引き起こします。

アースクラック

唐春南教授の地球の亀裂

地球から熱を放出する多くのメカニズムの中で、最も効果的な方法は地球規模のリソスフェア破壊であるに違いありません。わが国の岩石力学の専門家で、ひび割れ問題の研究に熱心な唐春南教授は、ひび割れ現象のクロススケール効果に基づいた地球進化の新しい理論、「大地球断層」を提唱しました。この仮説は、地球の熱放出メカニズムに関するまったく新しいモデルを提案しています。

唐春南教授は、ひび割れを研究しているときに、6億年前の細胞分裂化石のひび割れ画像が、田舎の子供たちが遊んだ泥団子のひび割れ画像とまったく同じであることに不思議な発見をしました。規模の違いは別として、2つの亀裂画像は幾何学的に非常に類似しており、彼は超大陸の分裂の再構築画像を思い出し、地球のプレートテクトニクスは力学の原理に従った地球の大きな亀裂である可能性があるという大胆な仮説を立てました。

図10 亀裂のクロススケール特性

唐春南教授は、研究チームが開発した岩石破壊過程解析用RFPAソフトウェアを使用し、球殻内部の温度上昇と膨張による破壊をシミュレーション・解析し、球殻表面の亀裂発生過程を再現することに成功した。初期のプレートの起源を説明するこの結果は、すぐに学界のより多くの専門家の注目を集め、最終的に『ネイチャー・コミュニケーションズ』に掲載されました。また、国内外の数十の主流メディアから論評記事や転載が寄せられ、国際地質学百科事典にも収録されました。

プレートテクトニクス仮説はよく知られていますが、プレートがどのように形成され、プレートテクトニクスがどのように開始されるかは未解決の謎のままです。唐春南教授は、初期地球のマグマ海が冷却過程で硬い岩石圏を形成し、それが地球内部からの熱エネルギーの効率的な放出を妨げ、地球が温まって膨張し、最終的に岩石圏が複数のプレートに急速に分裂する原因となったと考えており、これにより地質学界におけるプレートの起源という未解決の問題に、力学原理に基づく新たな説明がもたらされた。同時に、地球の大地溝帯は、地球の熱放出に関する新たな説明モデルも提供します。地球の巨大亀裂に関する新しい理論に基づくと、地球の進化の歴史は、熱によって引き起こされる状況下で地球が割れて進化するにつれて生じた損傷の歴史であり、また、岩石圏の凝集と亀裂の間に地球の熱エネルギーが蓄積され、放出されるにつれて徐々に衰退し進化する歴史であることが、よりよく理解できるようになります。

図11. 岩石破壊プロセス解析システム（RFPA）に基づく球殻割れのシミュレーション。左の図は変位分布を示し、右の図は応力場分布を示しています。

参考文献:

1. クレア・パターソン『隕石と地球の時代』1956年

2. アルフレッド・ウェゲナー『大陸と海洋の起源』、アルフレッド・ウェゲナー、1912年

3. 地図、水のない地球 (eastgbg.se)

4. ヒーゼンとタープの北大西洋の自然地理図、1957年

5. 張祖環「地熱の蓄積と放出と地殻変動および地球の進化との関係」鉱物岩石地球化学通信第2号、1986年。

6. CA Tang、AAG Webb、WB Moore、YY Wang、THMa、TTchen、「地球の殻を破って地球プレートネットワークを構築する」、Nature Communications、2020年