シャドウゾーン

地震影帯とは、地震計が地震の直接的なP 波やS 波を検出できない地球表面の領域です。これは、地球表面内の液体の層または構造によるものです。最もよく知られている影帯は、P 波が屈折し、S 波が液体の外核で止まる核マントル境界によるものですが、液体の境界または物体であればどこでも影帯が発生する可能性があります。たとえば、十分に高い融解率を持つ マグマ溜りは、地震影帯を形成する可能性があります。

地球は、地殻、マントル、内核、外核という異なる構造で構成されています。地殻、マントル、内核は通常固体ですが、外核は完全に液体です。^{[1]液体の外核は、1906年に}地質学者 リチャード・オールダムによって初めて示されました。^{[2]オールダムはさまざまな地震の}地震記録を観察し、いくつかの地震観測所では直接S波が記録されていないことを発見しました。特に、地震の震源から120°離れた場所では記録されていました。^[3]

1913年、ベノ・グーテンベルクは、核とマントルの境界でP波の地震速度が急激に変化し、S波が消失することに気づきました。グーテンベルクはこれを固体のマントルと液体の外核によるものとし、グーテンベルク不連続面と呼びました。^[4]

地球内部の液体層や構造を特定する上での主な観測的制約は、地震学に由来する。地震が発生すると、地震波は地震の震源から球状に放射される。^[5]地球には2種類の実体波が伝わる。一次地震波（P波）と二次地震波（S波）である。P波は波の伝播方向と同じ方向に動きながら伝わり、S波は波の伝播方向と垂直（横方向）に動きながら伝わる。^[6]

P波は地球の液体の外核によって屈折し、震源から104°～140°（約11,570～15,570 kmまたは7,190～9,670 mi）の間では検出されません。 ^{[7] [8]これは}スネルの法則によるもので、地震波は境界に遭遇すると屈折または反射します。この場合、P波は密度の違いにより屈折し、速度が大幅に低下します。^{[7] [9]}これはP波シャドウゾーンと考えられています。^[10]

S波は液体の外核を通過できず、震源から104°（約11,570 kmまたは7,190マイル）以上離れた場所では検出されません。^{[7] [11] [12]}これはS波シャドウゾーンと見なされます。^[10]ただし、外核を通過して屈折し、外核を離れるときに別のP波（PKP波）に屈折するP波は、シャドウゾーン内で検出されます。さらに、外核に入るとP波に屈折し、外核を離れるときにS波に屈折するS波もシャドウゾーン（SKS波）で検出されます。^{[7] [13]}

その理由は、P波とS波の速度は、それらが伝わる物質の異なる特性と、それぞれの場合で共有する異なる数学的関係によって支配されるからです。3つの特性とは、非圧縮性（）、密度（）、剛性（）です。^{[11] [14]}${\displaystyle k}$${\displaystyle p}$${\displaystyle u}$

P波の速度は次の式に等しくなります。

${\displaystyle {\sqrt {(k+{\tfrac {4}{3}}u)/p}}}$

S波の速度は次の式に等しくなります。

${\displaystyle {\sqrt {u/p}}}$

S波の速度は、それが伝わる物質の剛性に完全に依存します。液体は剛性がゼロであるため、液体中を伝わるS波の速度はゼロになります。全体的に、S波はせん断波であり、せん断応力は液体では発生しない変形の一種です。 ^{[11] [12] [14]}逆に、P波は圧縮波であり、剛性に部分的にのみ依存します。P波は液体中を伝わるとき、依然としてある程度の速度を維持します（大幅に低下する場合があります）。^{[7] [8] [14] [15]}

核マントル境界は最も大きな影の領域を形成しますが、マグマ体などのより小さな構造も影の領域を形成することがあります。たとえば、1981 年に Páll Einarsson はアイスランド北東部のKraflaカルデラで地震調査を実施しました。 ^[16]この研究では、Einarsson はカルデラ上に地震計を密集させて配置し、発生した地震を記録しました。結果として得られた地震記録は、S 波が欠如しているか、S 波の振幅が小さいか、またはその両方を示していました。Einarsson は、これらの結果がマグマ溜まりによって生じたものであるとしました。この場合、マグマ溜まりは S 波が直接影響を受けるほど十分に溶融しています。^[16] S 波が記録されていない領域では、S 波が十分な液体に遭遇しており、固体粒子が接触していません。^{[17] S波の}減衰が大きい（適性が小さい）地域では、溶融した岩石がまだあるが、マグマ溜まりの一部をS波が通過できるほどの固体粒子が接触している。^{[12] [15] [18]}

2014年から2018年にかけて、台湾の地球物理学者、林正宏氏は台湾の大屯火山群の下にあるマグマ溜まりを調査した。 ^{[19] [20]}林氏の研究グループは、大屯火山群上またはその付近で発生した深発地震と地震計を用いて、P波とS波の波形の変化を特定した。その結果、様々な場所でP波が遅れ、S波が欠如していることが示された。林氏はこの発見が、少なくとも40%が溶融したマグマ溜まりがS波シャドウゾーンを形成するためであるとした。^{[19] [20]}しかし、国立中正大学による最近の研究では、地震計の密集したアレイを使用して、マグマ溜まりに関連するS波の減衰のみを確認した。^{[21]この研究では、林氏が観測したS波シャドウゾーンの原因を調査し、沈み込む}フィリピン海プレートの上にあるマグマダイアピルに起因するものとした。マグマ溜まりではなかったものの、S波シャドウゾーンを引き起こすのに十分な溶融/液体を含む構造が存在していました。^[21]

シャドウゾーン、より具体的にはS波シャドウゾーンの存在は、世界中の火山の噴火可能性に影響を及ぼす可能性があります。火山の溶融率がレオロジーロックアップ（火山が噴火しているときと噴火していないときの結晶分率）を下回ると、火山は噴火可能になります。^{[22] [23]}火山の溶融率を決定することは、予測モデリングや現在および将来の危険の評価に役立ちます。活発に噴火している火山、イタリアのエトナ山では、2021年に行われた研究で、マグマ溜まりの上の受信機の位置に応じて、一部の地域でS波が欠如し、他の地域ではS波が大幅に減衰していることが示されました。^[24]以前、2014年には、2014年12月28日の噴火につながるメカニズムをモデル化する研究が行われました。この研究では、30～70%の溶融で噴火が誘発される可能性があることが示された。^[25]

• 地震波
• レイトレーシング（物理学）
• P波
• S波
• スネルの法則
• 地球の構造
• 核マントル境界