地震学
2004年のインド洋地震によって引き起こされた津波のアニメーション

地震学（/ s aɪ z ˈ m ɒ l ə dʒ i , s aɪ s - / ;古代ギリシャ語のσεισμός ( seismós ) は「地震」を意味し、-λογία ( -logía ) は「〜の研究」を意味する）は、地震（または一般的には地震動）および惑星を通じた弾性波の発生と伝播の科学的研究である。また、津波などの地震の環境影響、火山、プレートテクトニクス、氷河、河川、海洋微小地震、大気などの他の地震源、および爆発などの 人為的プロセスの研究も含まれます。

古地震学は、地質学を用いて過去の地震に関する情報を推測する関連分野です。地震計によって記録された、時間の関数としての地球の運動の記録は、地震記録と呼ばれます。地震学者とは、基礎地震学または応用地震学を研究する科学者です。

歴史

古代と古典時代

地震に対する学術的な関心は古代にまで遡ります。地震の自然的原因に関する初期の考察は、ミレトスのタレス（紀元前 585年頃）、ミレトスのアナクシメネス（紀元前 550年頃）、アリストテレス（紀元前 340年頃）、そして張衡（紀元132年）の著作に含まれています。

西暦132年、中国漢王朝の張衡は、世界初の地震計を設計した。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

近代科学の始まり

17世紀、アタナシウス・キルヒャーは、地震は地球内部の火道系における火の動きによって引き起こされると主張した。マーティン・リスター（1638–1712）とニコラ・レメリー（1645–1715）は、地震は地球内部の化学爆発によって引き起こされると主張した。[ 4 ]

1755年のリスボン地震は、ヨーロッパにおける科学の開花期と重なり、地震の挙動と原因を解明するための科学的研究が活発化するきっかけとなりました。初期の研究としては、ジョン・ビーヴィス（1757年）とジョン・ミッチェル（1761年）の研究が挙げられます。ミッチェルは、地震は地球内部で発生し、「地表から何マイルも下にある岩石の塊の移動」によって引き起こされる波動であると結論づけました。[ 5 ]

1839年、スコットランドのコムリー近郊で発生した一連の地震を受けて、英国では地震のより優れた検知方法を開発するための委員会が結成されました。その成果として、ジェームズ・デイビッド・フォーブスによる近代的な地震計の先駆けの一つが開発され、 1842年にデイビッド・ミルン＝ホームの報告書で初めて発表されました。 [ 6 ]この地震計は倒立振り子式で、振り子の上の紙に鉛筆を置いて地震活動の測定値を記録しました。ミルンの報告書によると、提案された設計は効果がありませんでした。[ 6 ]

ロバート・マレットは1857年から現代の機器地震学の基礎を築き、爆薬を用いた地震学実験を行いました。また、「地震学（seismology）」という言葉の造語者でもあります。[ 7 ]彼は広く「地震学の父」とみなされています。

1889年、エルンスト・フォン・レーボア・パシュヴィッツは最初の遠地地震信号（ドイツのポッツダムで記録された日本の地震）を記録した。[ 8 ]

1897年、エミール・ヴィーヒャートは理論的計算により、地球内部は鉄の核を囲むケイ酸塩のマントルで構成されているという結論に至った。 [ 9 ]

1906年、リチャード・ディクソン・オールダムは地震記録においてP波、S波、表面波が別々に到着することを確認し、地球に中心核があるという最初の明確な証拠を発見した。[ 10 ]

1909年、近代地震学の創始者の一人であるアンドリヤ・モホロヴィチッチ[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]は、モホロヴィチッチ不連続面を発見し、定義しました。[ 14 ]一般的に「モホ不連続面」または「モホ」と呼ばれるこの不連続面は、地殻とマントルの境界です。これは、地震波が岩石の密度変化を通過する際に、その速度が明確に変化することで定義されます。[ 15 ]

1910年、ハリー・フィールディング・リードは1906年4月のサンフランシスコ地震を研究した後、 「弾性反発理論」を提唱しました。この理論は、現在も現代のテクトニクス研究の基礎となっています。この理論の発展は、弾性体の挙動と数学に関する、それ以前の独立した研究の流れの大きな進歩に依存していました。[ 16 ]

破壊的な地震の余震に関する初期の科学的研究は、1920年1月のハラパ地震の後に行われました。地震後、重さ80kg（180ポンド）のヴィーヘルト地震計が鉄道でメキシコの都市ハラパに運ばれました。この機器は余震を記録するために使用されました。この地震計のデータにより、最終的に本震は地殻の浅い断層に沿って発生したことが判明しました。[ 17 ]

1926年、ハロルド・ジェフリーズは地震波の研究に基づいて、マントルの下の地球の中心核は液体であると初めて主張した。[ 18 ]

1937年、インゲ・レーマンは地球の液体の外核の中に固体の内核があることを突き止めました。[ 19 ]

1950年、マイケル・S・ロンゲット・ヒギンズは、地球規模の背景地震微小地震の原因となる海洋プロセスを解明した。[ 20 ]

1960年代までに地球科学は発展し、地震や測地運動の原因に関する包括的な理論が、現在では確立されたプレートテクトニクス理論にまとめられました。[ 21 ]

地震波の種類

頻繁に垂直方向に逸脱する 3 つの線。
地震記録は地震動の3つの成分を示しています。赤い線はP波の最初の到達を示し、緑の線はS波の後の到達を示しています。

地震波は、固体または流体材料中を伝播する弾性波です。地震波は、材料内部を伝わる実体波、表面または材料間の界面に沿って伝わる表面波、そして定在波の一種である固有モード波に分類できます。

実体波

実体波には、圧力波または一次波（P波）と剪断波または二次波（S波）の2種類があります。P波は圧縮と膨張に関連する縦波で、波の伝播方向と平行な粒子の運動を伴います。P波は固体中を最も速く伝わる波であるため、地震記録に常に最初に現れます。S波は剪断に関連する横波で、波の伝播方向と垂直な粒子の運動を伴います。S波はP波よりも遅く伝わるため、地震記録ではP波よりも遅く現れます。剪断強度が低いため、流体は横方向の弾性波を支えることができず、S波は固体中のみを伝わります。[ 22 ]

表面波

表面波は、P 波と S 波が地球の表面と相互作用することによって発生します。これらの波は分散性があり、異なる周波数には異なる速度があります。主な 2 つの表面波の種類は、圧縮運動と剪断運動の両方を持つレイリー波と、純粋に剪断運動であるラブ波です。レイリー波は、P 波と垂直に偏波した S 波が表面と相互作用することによって発生し、どの固体媒体でも存在できます。ラブ波は、水平に偏波した S 波が表面と相互作用することによって形成され、固体媒体の深さによって弾性特性が変化する場合にのみ存在できます。これは、地震学の分野では常に当てはまります。表面波は、P 波や S 波が地球の表面と相互作用するために間接的な経路に沿って移動することによって発生するため、P 波や S 波よりも遅く伝わります。表面波は地球の表面に沿って伝播するため、実体波よりもエネルギーの減衰が緩やかである（1/距離2対 1/距離3）。そのため、表面波によって引き起こされる揺れは一般に実体波よりも強く、主要な表面波は地震記録において最も大きな信号となることが多い。表面波は、浅い地震や地表付近の爆発のように、震源が地表に近い場合に強く励起され、深い震源の場合ははるかに弱い。[ 22 ]

通常モード

実体波と表面波はどちらも進行波ですが、大地震が発生すると地球全体が共鳴ベルのように「鳴る」こともあります。この鳴らし方は、離散的な周波数と約1時間かそれ以下の周期を持つ通常モードの混合です。非常に大きな地震によって引き起こされる通常モードの動きは、地震発生後最大1か月間観測されます。[ 22 ]通常モードの最初の観測は1960年代に行われました。これは、より高精度の機器の登場と、20世紀最大の地震である1960年のバルディビア地震と1964年のアラスカ地震が重なったためです。それ以来、地球の通常モードは、地球深部構造に関する最も強力な制約のいくつかを与えてきました。

地震

地震の科学的研究への最初の試みの一つは、1755年のリスボン地震でした。地震学の科学に大きな進歩を促した他の地震としては、 1857年のバジリカータ地震、1906年のサンフランシスコ地震、1964年のアラスカ地震、2004年のスマトラ・アンダマン地震、そして2011年の東日本大震災などが挙げられます。

制御された地震源

爆発や制御された振動源によって発生する地震波は、地球物理学における地下探査の主要な方法の1つです（誘導分極やマグネトテルリック法などのさまざまな電磁気学的方法に加えて）。制御された震源地震学は、石油を含む岩石、断層、岩石の種類、および長い間埋もれていた巨大な隕石クレーター内の岩塩ドーム、背斜、その他の地質学的トラップをマッピングするために使用されました。たとえば、恐竜の絶滅に関連するとされている衝突によって形成されたチクシュルーブクレーターは、白亜紀-古第三紀境界の噴出物を分析することで中央アメリカに特定され、その後、石油探査の地震地図を使用して物理的に存在が証明されました。[ 23 ]

地震波の検出

アイスランド北部高地の臨時地震観測所の設置。

地震計は、弾性波によって生じる地球の運動を検知し記録するセンサーです。地震計は、地表、浅い地下、掘削孔、あるいは水中に設置されます。地震信号を記録する機器一式は地震計と呼ばれます。地震計ネットワークは、世界中の地盤の動きを継続的に記録し、世界的な地震やその他の地震活動の監視と分析を容易にしています。地震波は津波よりもかなり速く伝播するため、 地震の迅速な位置特定によって津波警報が可能になります。

地震計は、地震以外の発生源からの信号も記録します。これには、爆発（核爆発や化学爆発）から風[ 24 ]や人為的活動による局所的なノイズ、海洋の波によって海底や海岸で生成される絶え間ない信号（全球微小地震）、大きな氷山や氷河に関連する氷圏現象まで、多岐にわたります。地震計では、4.2 × 10 13 Jものエネルギー（TNT 火薬 10 キロトンの爆発で放出されるエネルギーに相当）を持つ海上隕石の衝突が記録されているほか、多くの産業事故やテロリストによる爆弾や事件も記録されています（法医学地震学と呼ばれる研究分野）。全球地震監視の主な長期的な目的は、核実験の検出と研究です。

地球内部の地図作成

同心円状のシェルと曲線のパスを含む図
地震波によって採取された地球内部の地震速度と境界

地震波は地球の内部構造と相互作用しながら効率的に伝播するため、地球内部を研究するための高解像度かつ非侵襲的な手法となります。初期の重要な発見の一つ（ 1906年にリチャード・ディクソン・オールダムによって提唱され、1926年にハロルド・ジェフリーズによって決定的に証明された）は、地球の外核が液体であるというものでした。S波は液体を透過しないため、液体の核は地震発生地点の反対側に「影」を作り出し、直接S波が観測されません。さらに、P波はマントルよりも外核をはるかに遅く伝播します。

地震学者は、多数の地震計からの読み取り値を地震トモグラフィーを用いて処理することで、地球のマントルを数百キロメートルの解像度で地図化しました。これにより、対流細胞や、核とマントルの境界付近の大規模な低剪断速度領域などの大規模な特徴を特定することが可能になりました。[ 25 ]

地震学と社会

地震予知

今後起こる地震の起こりそうな時期、場所、規模などの重要な特徴を予測することを地震予知といいます。地震学者などによって、VAN 法など、正確な地震予知のための効果的なシステムを作るためのさまざまな試みがなされてきました。ほとんどの地震学者は、個々の地震に対してタイムリーな警報を発するシステムはまだ開発されていないと考えており、そうしたシステムが差し迫った地震の有用な警報を発する可能性は低いと考える人も多くいます。しかし、より一般的な予報では、地震の危険性を日常的に予測しています。こうした予報は、特定の期間内に特定の場所に影響を及ぼす特定の規模の地震の発生確率を推定するものであり、地震工学で日常的に使用されています。

2009年4月5日、イタリアのラクイラで発生したマグニチュード6.3の地震に関連して、イタリア当局が地震学者6人と政府職員1人を過失致死で起訴したことから、地震予知をめぐる世論の論争が勃発した。[ 26 ]ネイチャー誌の記事によると、起訴状は地震を予知できなかったことに対するものとイタリア国内外で広く受け止められており、アメリカ科学振興協会とアメリカ地球物理学連合から非難を浴びた。[ 26 ]しかし、同誌は、アクイラの住民は地震を予知できなかったことが起訴の理由ではなく、科学者がリスクを評価して伝えることができなかったことが起訴の理由だと考えているとも指摘している。[ 26 ]起訴状によると、地震発生の1週間前にラクイラで行われた特別会議で、科学者や当局は地震の危険性や備えに関する適切な情報を提供するよりも住民をなだめることに関心があったという。[ 26 ]

歴史的記録が存在する場所では、将来の地震の時期、場所、マグニチュードを推定するためにそれを使用できる場合があります。考慮すべきいくつかの解釈要素があります。歴史的地震の震源地または震源とマグニチュードは解釈の対象であり、つまり、歴史的記録に記載されているMw5～6の地震は、記録が残っている人口密集地域で中程度の揺れを感じた、他の場所で発生したより大きな地震である可能性があります。歴史的期間の文書はまばらまたは不完全で、地震の地理的範囲の全体像を示していない可能性があり、歴史的記録には地震サイクルの中で非常に短い期間である数世紀にわたる地震記録しかない可能性があります。[ 27 ] [ 28 ]

工学地震学

工学地震学は、工学目的のための地震学の研究と応用である。[ 29 ]一般的には、地震工学の目的で場所または地域の地震災害の評価を扱う地震学の分野に適用される。したがって、地球科学と土木工学を結びつけるものである。[ 30 ]工学地震学には、2つの主要な要素がある。第1に、地震の歴史（例：地震活動の歴史的[ 30 ]および機器カタログ[ 31 ]）とテクトニクス[ 32 ]を研究して、ある地域で発生する可能性のある地震とその特徴および発生頻度を評価する。第2に、地震によって生成される強い地盤動を研究して、同様の特徴を持つ将来の地震による予想される揺れを評価する。これらの強い地動は、加速度計や地震計による観測結果か、様々な技術を用いてコンピュータでシミュレートされたもので、[ 33 ] 、地動予測式[ 34 ]（または地動モデル）[1] の開発によく使用されます。

ツール

地震計は大量のデータを生成します。このようなデータを処理するシステムには、以下のようなものがあります。

地震学者のリスト

参照

注記

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参考文献

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