1906年4月18日, 大規模な地震が北カリフォルニアを襲い, 推定3,000人が死亡し, 200,000人以上が家を失い, 火災が発生し, サンフランシスコや地域の他の都市のほとんどの建物が倒壊しました. 地震は新しい調査と解析に拍車をかけ, 地震活動の新しい概念, つまり Harry Fielding Reid の弾性反発理論につながりました. この理論は, 地震を予測して備える現代の能力において重要な一歩でした.
この観点から, 悲劇的な経験でさえ, そこから学ぶことができれば, どれほど価値があるかがわかります. 1906年以来, 経験, 調査, および理論のフィードバックループは, 現代の地震学を健全な科学的基盤の上に置くのに役立ってきました. この基本的な理解に基づいて, 地震活動をシミュレートするための信頼できるモデルを構築できます. また, 将来の地震に備えることができるようになることで, 過去の経験が現在と未来にプラスの結果をもたらしました.
地球を通過する地震波の伝播を示す計算モデル.
地球の地震活動の理解を助ける歴史的経験, 調査, 理論のいくつかの層を探ってみましょう.
経験: 1906年カリフォルニア地震
1906年の地震は確かに, にぎやかな都市部を襲った最初の地震イベントではありませんでしたが, 事実上, 全世界で写真が撮られ, その他の方法で目撃された最初の地震でした. パノラマ画像は, 当時, 米国西部で最大の40万人の都市だったサンフランシスコでの地震とその後の火災の影響を示しています.
パノラマ画像は, 地震とその後の火災の最中とその後のサンフランシスコの荒廃を示しています. 上の画像は Pillsbury Picture Co. による提供, および Wikimedia Commons により公知. 下の画像は Lester C. Guernsey による提供, および Wikimedia Commons により公知.
その恐ろしい人的損失を超えて, 米国地質学調査で 「地震は, その大きな水平方向の変位と大きな破壊の長さで現代の地質学者を混乱させました.」 と記されています. 最近発明された地震計は, 地震のエネルギーが地球全体にどのように分散したかの貴重な記録を提供しました. その衝撃は遠くドイツのゲッティンゲン大学で, 以下のように記録されました:
9100 km 離れたゲッティンゲン大学で記録された1906年カリフォルニア地震の地震記録. 画像は米国地質学調査により公知.
自然への問: 1908年の Lawson 報告書
自然災害の後, 人々は自然に次のように尋ねます. 歴史のほとんどにおいて, このような質問への答えは純粋に憶測でした. しかし, 20世紀初頭までに, 地震やその他の自然現象の実証研究は重要な進歩を遂げました. 1700年代半ばにポルトガルで地震が発生した後, 地震活動の観測はより客観的かつ体系的なものになりました. 1906年までに, 確立された大学と天文台が20人以上の地球科学者をカリフォルニア州の調査に提供しました. これは州地震調査委員会として知られています. そこで見つかったことは, 地震学者のチームリーダー, A.C. Lawson の名前をとって1908 報告書に公開されています.
Lawson 報告書の観察の中で2つのことが特に重要なことを証明しています:
- 軟弱地盤の建物は, 岩盤の上に建てられた建物よりも多くの被害を受けていた
- 地面は, サンフランシスコ近くの地震の震源地だけでなく, 目に見える継ぎ目に沿って明らかに反対方向に移動していた
実際, その継ぎ目は300マイル近くの長さであり, 現在サンアンドレアス断層として知られているものの両側で地面が劇的に移動していました.
サンアンドレアス断層を横切るフェンスは, 1906年の地震によって8フィート以上移動し, 写真の中央に示されているギャップが生じました. 画像は米国地質学調査を通して公知.
最初の発見は, 地震エネルギーが異なる材料を介してどのように異なる方法で伝播するかを示唆しました. 二番目はジョンズホプキンス大学教授および委員会メンバーの Harry Fielding Reid による弾性反発理論につながりました.
理論: 弾性反発, プレートテクトニクス, 地震波の振舞い
1908年の Lawson 報告書で最初に提案され, 1910年の論文で形式化された Harry Fielding Reid の弾性反発理論は, 地震の原因についての新しい概念を私たちに与えました. この概念は今では非常によく知られているため, かつてそれがどれほど画期的であったかを想像するのは難しいかもしれません (しゃれが意図されています).
Harry Fielding Reid の写真. 画像は Charles Will Wright より提供され, Wikimedia Commons を通して公知.
上記のように, 委員会は4月18日に地面がどのように割れたかについての詳細な観測結果をまとめました. これらの割れ目は地震の原因でしょうか, それとも結果でしょうか? 断層線は地震活動の結果であると長い間信じられていました. 地震のエネルギー波が固い地面を分割したのです. しかし, 地面が私たちが思っていたほど固くなかったらどうなるでしょうか?
写真と移動した地面の調査によって裏付けられた Reid の理論は, 露出した断層線が地震の結果だけでなく, 地震の原因を明らかにしているというものでした.
米国地質調査によると:
[弾性反発理論] は地球の地殻が, プレート運動の蓄積によって徐々に弾性的にゆがみ, 断層に沿って急速にすべり, 何年にもわたって蓄積された歪みが解放され, その過程で揺れを引き起こす地震波が発生して, 突然歪みのない状態に戻る様子を説明しています.
この理論の説明は, Lawson 報告書の説明ではなく, 私たちの時代のものです. その現代性を感じさせる手がかりは, プレート運動の蓄積という言葉です. リードは, 断層線に沿った激しい動きによって地震がどのように発生したかを明確に説明できましたが, 断層が地表を横切って移動する岩石のプレート間の分割であるとは誰もまだ考えていませんでした.
現代のプレートテクトニクスの理論は何十年にもわたるさらなる調査が行われるまで, 明らかになることはありませんでした. 地球の地殻の下にあるものもほとんど知られていませんでしたが, すぐに別の偉大な理論家がその質問に答えるのに役立ちました.
弾性反発理論により, Reid は実証研究から慎重に外挿して, 一般的な誤解に反論しました. 1936年, デンマークの地球物理学者で地震学者の Inge Lehmann は, 地震波の振る舞いの研究を通じて地球の固い核を発見することで, 同様の飛躍を遂げました.
1932年の Inge Lehmann. 画像はデンマーク国立図書館およびコペンハーゲン大学図書館による提供で CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons によるライセンス供与を受けています.
地震波は以下のように分類されます:
- P 波
- 第一波または圧力波とも呼ばれています
- 地震後に最初に検知されます
- 気体, 液体, 固体を伝搬することが可能
- S 波
- 第二波またはせん断波とも呼ばれています
- 遅く伝搬するため, P 波の後に検出されます
- 伝搬方向に垂直に振動 (そのためせん断的)
Inge Lehmann の研究で最も重要なことは, S 波が非常に低い粘度の液体を伝搬しないことです.
1920年代後半には, 地球の固体地殻とマントルが完全に液体の核を取り囲んでいるという広範な合意がありました. しかし, P 波と S 波の挙動には矛盾があり, そうではないことが示唆されました. リーマンの調査は, “P” というタイトルの1936年の論文で最高潮に達しました. 彼女の論文では, 地球の構造の不連続性が, 観測された地震波活動のパターンを説明できると提案しました.
地表での波の活動は, 地球の中心にあるものを Lehmann にどのように伝えることができるでしょうか? 彼女が地震記録を注意深く調べたところ, P 波のシャドウゾーンの存在が示されました. これは, 地球の固体コアの存在を示唆していました.
シミュレーションで地震学の基礎を築く
苦労して得た科学史の教訓は, さらなる探求を後押しします. たとえば, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアの音響モジュールには, 波の挙動に関する私たちの理解が組み込まれています. 地球を通過する地震波の伝搬チュートリアルモデルは, 地球の内部構造でのさまざまな圧力波とせん断波の生成と伝播を可視化します. このモデルは, 表面波や界面波など, 他のすべてのタイプの弾性波も捉えます.
新しいモデルのジオメトリに基づいたこのビデオを見て, P 波のシャドウゾーンが地球の固体コアを見つけるのにどのように役立つかを確認してください.
ここで取り上げるモデルは, 弾性波 (陽的時間発展) インターフェースの 2D 軸対称定式化と, 圧力音響 (陽的時間発展) 定式化を使用して, 地震波が地球をどのように伝搬するかを解析します.
このモデルは, 流体と固体を簡単に連成し, 深さに依存する材料特性を実装できます. これは大規模なモデルでもあり, 1,720万の自由度を求解します!
次のステップ
地震波の伝播チュートリアルモデルをダウンロードして, 下のボタンから自分で試してみてください (PDF ドキュメントにステップバイステップインストラクションが含まれています):
NASA Goddard 宇宙飛行センターの Reto Stöckli 氏による画像 (地表, 浅瀬, 雲). Robert Simmon 氏による機能強化 (海の色, 合成, 3D 地球儀, アニメーション). データおよび技術サポート: MODIS 陸地グループ; MODIS 科学データサポートチーム; MODIS 大気グループ; MODIS 海洋グループ追加データ: USGS EROS データセンター (地形). USGS 地上リモートセンシングフラッグスタッフフィールドセンター (南極); 防衛気象衛星プログラム (街の明かり).
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