プレートテクトニクスの基本

プレートテクトニクスは、1960年代後半に進化した地球科学の理論だ。

この理論によれば、地球の表面は複数の固い岩のプレートから成り立っており、これらのプレートが互いに動くことで大陸の移動などが引き起こされると説明されている。

この概念は、従来の大陸移動説、マントル対流説、海洋底拡大説などの基本理論に加え、プレートという要素を取り入れて、地球科学に革命をもたらした。この理論は一般にプレート理論とも呼ばれている。

ここではそのプレートテクトニクスの概要をみていく。

プレートとは

プレートとは、地球の表面を覆う厚さ約100キロメートル程度の岩盤のこと。

これは岩石圏を指すリソスフェアとほぼ同じ意味であり、地殻とマントルの最上部を含む領域になっている。

地球内部の構造

地球はその半径が約6,400キロメートルに及ぶが、物質的な分類に基づく内部構造は外側から以下のようになる。

深さ約5 – 40kmまで : 地殻
深さ約670kmまで : 上部マントル –
最上層
低速度層（アセノスフェア、岩流圏）
遷移層

深さ約2,900kmまで : 下部マントル – メソスフェア（固い岩石の層）
深さ約5,100kmまで : 外核（外部コア）
中心 : 内核（内部コア）

地殻とマントルは、岩石でできており、核は金属から成り立っている。マントルの岩石は、地震波に対して固体の性質を示すが、長い時間スケールでは流動性を持つことがある。

この流動性は深さによって変化する、深さ約100キロメートルまでの上部マントルは固く、流れにくい一方、100から400キロメートルの範囲では比較的流動性が高まる。

地殻と上部マントルの上端の硬い部分を合わせてリソスフェア（岩石圏）と呼び、その下にある流動性のある領域をアセノスフェア（岩流圏）と呼ぶ。この厚さ約100キロメートルの固いリソスフェアが地球の表面を覆っており、リソスフェアはいくつかの大きな「プレート」と呼ばれる板に分かれている。

地球の表面は、1,500メートルから深度500メートルの範囲が大陸大陸棚
深度2,000メートルから6,000メートルの海洋底で覆われている。
その間の深度500メートルから2,000メートルの範囲にある海底は比較的少ない。
地球表面の高度や深度の分布の割合をみると、地球表面が2種類のプレート群から形成されていることがわかる。

プレートの種類

これらのプレートは、大まかに数十枚に分けられ、それぞれが独自の方向に年にわずか数センチメートルの速さで移動している。

大規模なプレートには、

大規模なプレート
ユーラシアプレート	ユーラシア大陸の主要部分と西日本を含む
北アメリカプレート	北アメリカ大陸、グリーンランド、東日本など
太平洋プレート	太平洋底の大部分
インド・オーストラリアプレート	インドとオーストラリア大陸を含む
アフリカプレート	アフリカ大陸を中心とする
南アメリカプレート	南アメリカ大陸
南極プレート	南極大陸と周辺海域

がある。小規模なプレートには以下のものがある。

小規模なプレート
アラビアプレート	アラビア半島
ファンデフカプレート	アメリカ・カリフォルニア沖
ココスプレート	中米の太平洋側
カリブプレート	カリブ海
ナスカプレート	ペルー沖
フィリピン海プレート	フィリピン海を中心に伊豆諸島、小笠原諸島、伊豆半島まで
スコシアプレート	南米大陸と南極海の間のスコシア海に広がる

などが存在している。

プレートは通常、陸地と海洋の両方の領域を含むことがある。プレートは陸地または海洋の一方を主に占めている。

プレートの動き

プレートには、大陸プレートと海洋プレートがある。

海洋プレートは大陸プレートより強固で密度が高い。これらのプレートが衝突すると、比重の軽い大陸部分が上昇し、比重の重い海洋部分が沈み込む現象が起こる。

地下のマグマが上昇して、プレートに亀裂ができ、継続してマグマが上昇し続け、プレートが分断されて両側に分かれることもある。

プレートの起源

プレートの起源は非常に古く、少なくとも38億年前からプレートテクトニクスが存在していたと考えられている。プレートテクトニクスの進化に伴い、造山帯が形成され、小規模な地域が衝突し、大陸規模の土地が形成された。

プレートは海洋の中で生まれ、ゆっくりと移動して海溝に沈み込む。大陸はプレートの運動に合わせて分離や収束を繰り返し、時折、地球上の全ての大陸が一つの超大陸を形成することがある。

ツゾー・ウィルソンは、この大陸の収束と離散が約3億年ごとにサイクルを形成すると提唱した。これはウィルソンサイクルとして知られている。

プレートが移動する原因

プレートが移動する原因については、プレートが自身の重さによって海溝に沈み込む説と、下のマントルの運動に従ってプレートも動く説の2つの説が存在する。

以前は前者の説が主流だったが、2014年に日本の海洋研究開発機構の調査によって、マントルの運動に連動して地殻が動く証拠が見つかり、後者の説も支持されるようになった。

プレートの消失

プレートは新たに形成されることもありますが、古いプレートは海溝の下に沈み込んで消失することもある。

例えば、かつて存在した北西太平洋のイザナギプレートは約2500万年前に消滅した。プレートの内部、特にマントル部分を直接観察することは難しいが、過去の海洋プレートの一部であるオフィオライトが世界中に存在し、そこから研究が行われています。オマーン北部のハジャル山地には、世界最大のオフィオライトが広がっており、積極的な調査が行われている。

プレートテクトニクスは、地球内部の温度が低下する過程でいずれ終了すると考えられていますが、その時期については異なる意見が存在している。

プレートの動き

プレートは、アセノスフェアと呼ばれる地球の下部マントルの流動によって運動している。このアセノスフェアは常に熱の循環をしており、上昇、移動、沈降を繰り返している。

プレートは、このアセノスフェアの流れに乗って移動する。プレート同士が接する境界では、さまざまな地殻変動が発生する。これにより、山脈の形成、火山の噴火、地震などが引き起こされる。

幾何学的なアプローチによる説明

大規模なプレートの運動は、球面上で簡単な幾何学的な方法で表現できるが、プレートの局所的な運動も、平面上の幾何学的な方法で説明できる。

プレート境界で3つのプレートが交差する三重会合点は、それらのプレート境界のタイプ（分散型、収束型、変形型）に応じて16種類に分類される。

これらは初等幾何学で説明可能で、その安定性、移動速度、方向などを完全に記述できるものだ。

通常、プレートの運動は隣接する2つのプレートの相対運動として示される。しかし、隣接するプレートの相対運動を計算し、次々に求めることで、地球上の任意の2つのプレートの相対運動を詳細に記述することができる。

最近では、超長基線電波干渉法（VLBI）などの観測方法や、グローバル・ポジショニング・システム（GPS）などの衛星測位技術によって、プレートの絶対運動を直接観測できるようになった。