「透明な地球」ブラックテクノロジー：地震波を使って地球のCTスキャンを行う

地球上で起こる大きな出来事は、多くの場合、地球の内部構造に関係しています。例えば、火山の噴火は、火山体内の液体のマグマ物質が地表に噴出する現象です。

アメリカのイエローストーン火山公園は地球上で最大の陸上火山活動地域であり、歴史上、超噴火が発生していることが知られています。さらに、同地の火山地熱活動は非常に活発であり、科学者たちは地下のマグマの分布と活動を監視している。新たな研究報告によると、イエローストーン火山の火口下の地殻にはこれまで考えられていたよりも多くのマグマが蓄えられており、再び大噴火が起こる可能性があるという。

では、科学者はどのようにして地球の地下数千～数十キロメートルにある地殻の構造を知るのでしょうか?

オブジェクトの内部構造を理解するために利用できる方法は 2 種類あります。一つは、スイカを切るのと同じように直接切ることです。開けてみると中の状況がはっきりと分かります。手術は人体の検査や治療にもよく用いられます。

もちろん、現代の技術では、人体に直接接触することなく、血管、ポリープ、腫瘍などの体内の微細構造を検出することができます。たとえば、非常に普及している「CT」技術の正式名称は「コンピュータ断層撮影」です。 CT診断では、X線を使用して人体をスキャンし、大量のデータを取得します。複雑で大規模なコンピュータ計算により、X線によって形成された画像が「断層撮影」フィルムに描かれ、検出された領域の微妙な構造や変化を肉眼で識別できるようになります。 CT の動作原理は、機器を通して人体の特定の部分に X 線を照射することです。人体のさまざまな組織や臓器は、X 線を吸収する能力が異なります。したがって、同じX線ビームでも、人体のさまざまな組織や臓器を通過すると、変化の度合いが異なります。このとき、この差分変化は、私たちが解釈しやすい画像に変換され、診断に役立てることができます。

写真はTuchong.comより

同様の技術は地球内部の探査にも使用できるだろう。しかし、地球は人間の体とは異なります。人体は小さいので、一般的なCT装置では全方向の3次元スキャンが可能です。しかし、地球は非常に大きいため、地球全体を包み込んで3次元スキャンを行う巨大なCT装置を構築することはできません。したがって、地球の CT スキャンを実行することはより困難であり、より高度な「ブラック テクノロジー」が必要になります。

実際、科学者たちは地球の内部構造を理解するためにほぼ100年にわたって研究を続けてきました。 CT技術と同様の原理とアイデアに基づき、科学者たちは電磁波であるX線を地震波などの物体の振動によって発生する弾性波に置き換え、より強力なコンピューター計算技術に基づいて地球の内部構造を解明しました。 1975 年、科学者たちは地震反射画像化技術を開発し、今日広く使用されている地震トモグラフィーの基礎を築きました。地震探査法によって地下構造をマッピングし、石油や天然ガスの鉱床を探すために使用されます。

この方法では、地震によって発生する地震波を利用する必要があります。数百メートルから数千メートルの深さでの検出には、人工爆発によって生成された地震波を使用することができます。たとえば、石油探査では、地層に石油があるかどうかを検出するために特定の強度の地震波を発生させるために人工地震が広く使用されています。

同じ原理で、地球の深部に性質の異なる岩石が存在する場合、地震波の伝播方向と速度も変化するため、地震探知によって層構造の界面を検出することができます。もちろん、半径6,000キロメートルを超える地球では、人工地震による地震波は地球深部まで到達できず、そこでの物理的情報を検出することは不可能です。現時点では、これを達成するには、より大きな規模の自然地震が必要になります。この観点から見ると、地震は自然災害を引き起こす一方で、科学者に地球内部を探索する機会も提供します。

地球の内部構造をより深く理解するには、地震波がさまざまな物質をどのくらいの速さで伝わるかを知る必要があります。科学者は地震波をその伝播特性に基づいて横波と縦波に分解します。岩石の密度が増加すると、両方の波の速度が増加します。しかし、液体物質に遭遇すると、縦波の速度は大幅に低下し、横波の伝播速度は直接 0 になります。つまり、横波は液体物質を通過できませんが、縦波は液体物質をゆっくりと通過できます。冒頭で、イエローストーン高原の下に大きなマグマ溜まりが存在することについて話しましたが、これは地震学的手法でも検出されました。地震波が溶融物を含むマグマを通過すると、縦波速度が大幅に低下し、横波は 0 に減少するためです。科学者は、多数の計算と逆解析を通じて、マグマ溜まりの深さと大きさを得ることができます。

この方法と原理を利用して、科学者は世界中に分布する地震計が受信した横波と縦波の速度の変化を分析し、地下物質の密度の違いや地球の内部構造を分ける液体物質の有無などを解析します。

大量の地震データの分析により、地球の内部構造が明確に解明されました。よく耳にする話ですが、地球は主に地殻、マントル、核の3つの層で構成されています。

具体的には、地殻は地球の表面にある固い岩石で構成された硬い外殻です。地殻の厚さは変化します。海洋地殻は薄く、一般的に 5 ～ 10 キロメートルです。大陸地殻は厚く、平均厚さは39～41キロメートルです。青海・チベット高原のような高さ70キロメートルの山々がある場所では、地殻はより厚くなるだろう。

マントルは地殻の底から外核までの部分です。上の境界はモホ不連続面と呼ばれ、下の境界はグーテンベルク不連続面と呼ばれます。その深さは2,900キロメートルで、地球の総体積の80％を占めています。地震波の速度の変化に応じて、マントルは上部マントルと下部マントルに分けられます。上部マントルの上にはアセノスフェアがあり、温度が非常に高く、岩石は部分的に溶融しており、ゆっくりと流れることができます。科学者たちは、アセノスフェアが火山のマグマの主な発生源であり、地球のプレートの動きもそれに関係していると推測しています。

最も内側の部分は地球の核です。地球の中心核は主に鉄やニッケルなどの金属で構成されており、厚さは約3,400キロメートルです。地震波の変化に応じて、核は外核と内核の2つの層に分けられます。外核は溶融金属物質であり、外核内の液体物質の動きによって地球の磁場が形成されます。内核は極めて高密度の固体金属球であり、極めて高い圧力によって鉄原子がしっかりと圧縮されています。

現在、我が国では地球のCTスキャンを実施しており、「透明な地球」を実現しています。地震トモグラフィーだけでなく、電磁波トモグラフィーも使用します。石油や天然ガスなどのエネルギー鉱物の探査だけでなく、金属鉱物、非金属鉱物、水蒸気鉱物の探査にも使用され、我が国の鉱業の発展に多大な貢献をしています。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: シャオロン

査読者: 張玉秀 (中国科学院大学地球惑星科学学院准教授)

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司