サンアンドレアス断層に埋もれた手がかりにより地震モデルが大きく揺さぶられる

サンアンドレアス断層は、カリフォルニア州の縦横に750マイルにわたって傷跡を残している。そこでは、2つの巨大な地殻プレート、北米プレートと太平洋プレートが互いに押しつぶされている。これらのプレートが崩れてずれると、上層に住む人々は壊滅的な地震に見舞われる可能性がある。

これらの地震を解明する鍵は、断層の危険地帯、サンフランシスコ半島の郊外メンロパークにある目立たないオフィスビルのガラス壁の内側にあるかもしれない。そこには、地震危険度データを保管する米国地質調査所の地方事務所がある。その建物で働く地質学者のおかげで、この断層は地球上で最もよく研​​究されている断層の一つとなっている。

しかし、地球の地下の仕組みに関する私たちの理解は、まだまだ完全ではありません。そのパズルを解くために、科学者たちは何百万年も前の過去を調べています。2つのグループが発見したものは、 Science Advances誌とGeology誌にそれぞれ発表された2つの論文で、地震がどこで発生するかをよりよく知るのに役立つかもしれません。

山の動きをモデル化する

メンロパークはサンタクルーズ山脈の麓にあります。竜の背中のようにギザギザしたこの山々はブドウ園で知られ、シリコンバレーの広大な地域と太平洋を隔てています。

地質学的な時間で見ると、これらの山々はまだ幼児です。地質学者は、これらの山々が隆起し始めたのは約 400 万年前だと考えています。これらの山々は、サンアンドレアス断層が曲がっている「節」の上にあります。地質学者は、この曲がりが、長い一連の地震で山々を押し上げたと考えています。しかし、地震の何がその隆起を引き起こしたのかは、まだはっきりしていません。

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幸いなことに、ベイエリアの科学者たちは何十年も地震の観測と岩石サンプルの収集を続けてきた。データはすべて一致するわけではないが、それでもこの地域は「こうした疑問のいくつかに答えるための最高の自然の実験室の 1 つ」だと、スタンフォード大学の地質学者でScience Advances の論文の著者の 1 人であるジョージ・ヒリー氏は言う。同グループは独自のデータも収集しており、岩石からヘリウムのサンプルを採取した。ヘリウムは、岩石が形成された温度と年代を地質学者に知らせる元素である。

そのデータを使って、ヒリー氏と大学院生のカーティス・バーデン氏、そして同僚たちは、山がどのように形成されたかを示す計算モデルを作成した。これは、動的物理学に頼った最初の地質学的モデルの 1 つである。彼らは、材料がさまざまな負荷にどのように耐えるかを研究するためにエンジニアが使用するソフトウェアを活用した。その結果、彼らのモデルは、地震によって山が隆起したときに岩がどのように曲がり、壊れ、歪むかを示すことができた。

彼らのシミュレーションは驚くべき結果を示した。「少なくともモデルを信じるなら、山の形成の多くは実際には地震の最中ではなく、地震と地震の合間に起きている可能性がある」とヒリー氏は言う。

ほとんどの断層では、移動する地殻プレートが互いに押し合いへし合いしようとします。何年、何十年、あるいは何世紀にもわたり、静かに押し合いを続け、境界にエネルギーを蓄積していきます。

必然的に、何かが壊れます。そのエネルギーはすべて突然の揺れ、つまり地震として放出されます。しかし、シミュレーションによると、地震の合間にそのエネルギーは山の形成にも使われる可能性があります。

そして、これらのシミュレーションから得られるデータは、他の観測結果と一致しないギャップを埋めるのに役立つ可能性があると著者らは述べている。

地震考古学の偉業

ベイエリアから南東に約 100 マイル飛行し、ピナクルズ国立公園付近まで行くと、サンアンドレアス断層の性質が変わります。断層がロサンゼルス、インランド エンパイア、パーム スプリングスを通過する北またはさらに南の地域ほど、ここでは大きな地震は頻繁に発生しません。

それは、サンアンドレアス断層のこの部分が他の部分と異なるためです。ここでは、北米プレートと太平洋プレートが、激しい地震を引き起こすようなストレスを蓄積することなく、絶えず互いに這いながら移動しています。地球物理学者はこれを「這い進む」断層と呼んでいます。

中央サンアンドレアスでは比較的無害な小規模地震が頻発しているが、少なくとも過去 2,000 年間は、歴史上大きな地震は発生していない。しかし、中央サンアンドレアスが現在ゆっくりと動く断層だからといって、昔からそうだったわけではない。科学者たちは岩石を剥がしてその過去を詳しく調べたいと考えていた。

彼らはバイオマーカーに頼りました。バイオマーカーとは、岩石記録に閉じ込められ、高熱によって化学的に変化した生物の残骸です。石油や天然ガスはこのようにして形成され、化石燃料ハンターはバイオマーカーを検索ツールとして使用するというアイデアに非常に精通しています。

「私たちがやったのは、その考えをひっくり返したようなものです」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の地震学者で、地質学論文の著者でもあるヘザー・サベージ氏は言う。「断層帯に有機分子があった場合、地震の際には高熱にさらされるのはおそらく数秒程度でしょうが、非常に高温になることもあるので、こうした反応のいくつかは依然として起こっているはずです。」

科学者たちは地表から約 10,500 フィート (3,200 メートル) 深くまで掘削し、かなり激しい歴史を示すバイオマーカーを発見しました。この穏やかな断層はかつて無数の地震に見舞われていました。科学者たちは少なくとも 100 回の地震の証拠を発見しました。その一部はリヒター スケールでマグニチュード 7 に達する可能性があり、これはカリフォルニアで最近発生した 1989 年のロマ プリータ地震や 1994 年のノースリッジ地震よりも強力です。

「この研究が行われるまで、私たちが知る限り、この地殻変動部分のここまで深いところでこれほど大きな地震が起こるとは知りませんでした」とサベージ氏は言う。

これらの地震は数千年前から320万年前の間に発生した可能性がある。サベージ氏と同僚は現在、これらの地震のより正確な発生時期を特定しようとしている。しかし、これはこの断層が見た目ほど穏やかではないことを示している。過去に激しく破壊できたのであれば、再び激しく破壊できる条件が整っている。

地震学から耐震補強まで

サンアンドレアス断層の歴史を理解するということは、何百万年も前に地上ナマケモノやサーベルタイガーが歩き回っていた頃のカリフォルニアの様子を思い描くということだけではありません。この断層は北米最大の都市部を二つ横切っており、そこで発生する地震は何千万人もの人々を危険にさらしています。

地質学者たちは、米国地質調査所の事務所内での研究が、地震が建物や生命にどのような脅威を与えるかについてのより良い評価に役立つことを期待している。

地質学の専門家が特定の地域の地震の危険性を評価する際、彼らは地球の形状の衛星測定、過去の地震パターン、断層の長期的履歴など、いくつかの異なるタイプのデータを考慮する。現在のサンタクルーズ山脈のように、これらのデータは互いに一致しないことがある。ヒリー氏は、彼のグループのモデルがこれらのデータがどのように同じプロセスに関係しているかを示し、これらの不一致を解決できることを期待している。

また、サンアンドレアス中央部の研究は、中央カリフォルニアのリスクモデルに微妙なニュアンスを加える可能性がある。「私たちの研究によって、実際に地震が発生していること、そしてこの地域で多くの地震が起きている証拠があることが分かるのではないかと思います」とサベージ氏は言う。