Plate tectonics

Japanese: プレートテクトニクス - ぷれーとてくとにくす（英語表記）plate tectonics

The idea of dividing the lithosphere, which covers the Earth's surface and is about 100 kilometers thick, into several plates and explaining various geological phenomena observed on Earth as a result of their movements and interactions. It became extremely popular in the late 1960s and was even called a revolution in earth science. It is an extension of the continental drift theory, mantle convection theory, and ocean floor spreading theory, and is often confused with them, but compared to these, it is much more geometrically rigorous in its treatment of plate movement. The researchers who contributed to its establishment, such as Dan P. Mckenzie (1942- ), Robert L. Parker (1942- ), W. Jason Morgan (1935- ), and Xavier Le Pichon (1937- ), were all young researchers around 30 years old at the time.

[Yoshii Toshiaki]

Geometry of Plate Tectonics

The basic framework of plate tectonics is extremely simple, and is more geometric than geological. First, the lithosphere, the hard layer that covers the Earth's surface, is divided into several plates by three types of boundaries. Mid-ocean ridges are boundaries where plates are produced and expand on both sides, ocean trenches are boundaries where one plate sinks under the other and disappears, and transform faults are boundaries where two plates pass each other. These are determined based on geology, topography, seismic activity, etc. The number of plates that cover the entire Earth varies depending on the researcher and the topic of research, but it is usually around 10 to 20.

Plate tectonics assumes that the plates divided in this way do not deform significantly internally, but move independently as rigid bodies. With this assumption, the movement of the plates, which are spherical shells bound to the Earth's surface, can be expressed as a rotational movement around a single axis that passes through the center of the Earth. Therefore, the relative movement of the two plates is also a rotational movement around a single axis. This rotational movement is expressed by a rotation vector, that is, the direction of the rotation axis and the rotation speed.

[Yoshii Toshiaki]

Relative plate motion

The observational values necessary to calculate plate motion are mainly obtained near plate boundaries, so the first thing we can learn is the relative motion between plates. There is a lot of observational data to determine the relative motion of plates near mid-ocean ridges, where the axis of rotation can be determined from the strike of transform faults and the focal mechanisms of earthquakes, and the rotation speed can be determined from the striped pattern of geomagnetic anomalies, which can be considered fossils of the history of reversals of the Earth's magnetic field. In contrast, there is little information available to determine the rotation speed at subduction boundaries such as ocean trenches.

Let us express the relative motion of plate A with respect to plate B as the rotation vector ω _AB . Now, if the plates A to N each move rigidly, the loop of the rotation vector of the relative motion is closed, and the relationship ω _AB + ω _BC + ... + ω _NA = 0 holds. In other words, even in the case of a boundary such as a subduction type where the relative motion is difficult to determine, if a loop can be created using a plate whose relative motion is well understood as an intermediate, the relative motion can be known using this relationship. It is said that the Pacific Plate is subducting under the Japanese Archipelago at a speed of about 10 centimeters per year, but this was also calculated using the North American Plate as an intermediate. In plate tectonics, which explains various geological phenomena through plate interactions, plate boundaries are nothing but active mobile zones. Therefore, correctly determining the relative motion there is extremely important for the study of mobile zones.

[Yoshii Toshiaki]

Plate substance

If we consider plates to be rigid spherical shells and only deal with their relative motion geometrically, it doesn't matter what the plates are made of. However, as discussions of plate tectonics became broader and deeper in the 1970s, research into the substance of plates became more active. Since plates are divisions of the lithosphere, they are ultimately the substance of the lithosphere.

The current definition of the lithosphere is that above the low-velocity layer of the upper mantle. This low-velocity layer is thought to be a partially molten layer of rock that constitutes the mantle, and corresponds to the so-called asthenosphere. There are considerable regional differences in the depth to the low-velocity layer, i.e., the thickness of the plates. In particular, oceanic plates have a notable characteristic of increasing in thickness with age. They are thought to be extremely thin when formed at mid-ocean ridges, and grow to about 100 kilometers in 100 million years. In oceanic regions, phenomena that indicate the cooling process of the upper mantle, such as an increase in water depth and a decrease in crustal heat flow, have been observed as the seafloor ages increase. On the other hand, in continental regions, the low-velocity layer is often not clear, and the actual nature of the plates is somewhat ambiguous. It is said that a cooling process similar to that in oceanic regions is observed, but the time scale is about one order of magnitude longer.

[Yoshii Toshiaki]

What drives plate movement?

Why and what forces cause plates to move is a major problem that has yet to be fully solved. During the era of the ocean-floor spreading theory, the so-called mantle convection was often considered to be the driving force, but this had the drawback of having to consider an extremely unnatural form of convection in order to explain the actual movement of plates. Currently, the most likely driving force is a gravitational imbalance caused by the plates having a density slightly greater than that of the asthenosphere below them. This could also be considered a type of convection, but the very existence of the plates is the cause of the convection, and it is quite different from the classical mantle convection, in which plates are thought to move along with the convection currents.

[Yoshii Toshiaki]

The Japanese Archipelago and Plate Tectonics

In Japan, when people talk about plate tectonics, they tend to emphasize the subduction of plates in ocean trenches and the resulting earthquakes, but it is important to note that it is actually a much larger concept that takes into account the entire Earth.

Since the end of the 20th century, the idea that the western coast of North America and the eastern coast of Asia are drifts of land masses carried by plates has attracted attention, and is known as accretionary tectonics. According to this idea, most of the Japanese archipelago is also made up of these accreted land masses. This idea, along with the theory that the Sea of Japan was formed by the movement of the Japanese archipelago, will have a major impact on future research into the formation of the Japanese archipelago.

New space-based geodetic technologies, such as Very Long Baseline Interferometry (VLBI) and the Global Positioning System (GPS), have made it possible to directly measure plate movement in a short period of time.

Plate tectonics explains geological phenomena in terms of the movement of the crust and mantle close to the Earth's surface, down to depths of several hundred kilometers. In addition, since the early 1990s, the idea of "plume tectonics" has emerged, which explains larger-scale, long-term changes in the Earth through large-scale upward and downward currents (plumes) that extend throughout the entire mantle.

[Yoshii Toshiaki]

"Introduction to Earth Sciences - Plate Tectonics" by Nagao Kono (1986, Iwanami Shoten)" ▽ "Plate Tectonics" by Seiya Ueda (1989, Iwanami Shoten)" ▽ "The Basics of Plate Tectonics" and "Continued Basics of Plate Tectonics" by Tetsuzo Seno (1995, 2001, Asakura Shoten)"

Three types of plate boundaries
©Shogakukan ">

Three types of plate boundaries

Relationship between various observational data in marine regions and seafloor ages
Residual gravity anomalies are gravity anomalies caused by the structure of the upper mantle. The group velocity of Rayleigh waves with a period of 70 seconds was used as the velocity of the surface waves. Both observational values indicate that the oceanic plates are gradually cooling with age .

Various observations in the ocean and seafloor ages…

Distribution of the world's tectonic belts (plate boundaries) and major plates
Plate boundaries are estimated from various observational data. This diagram, created based on earthquake distribution maps and other sources, shows only the names of the main plates. Areas close to the axis of rotation of the relative motion between plates have low crustal activity, and the boundaries are often unclear. The boundary between the North American Plate and the Eurasian Plate, which stretches from Siberia to Japan, is one such example, but here it is assumed to run along the eastern edge of the Sea of Japan .

The world's tectonic belts (plate boundaries) and major plates…

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

地球表面を覆う厚さ100キロメートル程度のリソスフェアをいくつかのプレートに分割し、それらの運動や相互作用の結果として、地球上にみられるさまざまな地学現象を説明する考え。1960年代後半から爆発的に流行し、地球科学における革命とさえいわれた。大陸移動説、マントル対流説、海洋底拡大説の延長上に位置する考えで、しばしば混同もされるが、これらに比べるとプレートの運動の扱いが幾何学的にはるかに厳密である。その成立に貢献したマッケンジーDan P. Mckenzie（1942―　）、パーカーRobert L. Parker（1942―　）、モーガンW. Jason Morgan（1935―　）、ル・ピションXavier Le Pichon（1937―　）などは、いずれも当時30歳前後の若手研究者であった。

［吉井敏尅］

プレートテクトニクスの幾何学

プレートテクトニクスの基本的な枠組みはきわめて単純で、地学的というよりはむしろ幾何学的である。まず、地球表面を覆う硬い層のリソスフェアを、3種類の境界によって、いくつかのプレートに分割する。中央海嶺(かいれい)はプレートが生産されて両側に拡大する形の境界、海溝は一方のプレートが他方の下に沈み込み消滅する形の境界、トランスフォーム断層は二つのプレートがすれ違う形の境界であり、これらは、地質・地形・地震活動などをもとに決められる。地球全体を何枚のプレートで覆うかは研究者によっても研究内容によっても異なるが、10枚から20枚程度が普通である。

　プレートテクトニクスでは、このようにして分割されたプレートがそれぞれの内部では大きく変形せず、剛体的に独立に運動するものと仮定する。この仮定により、地球表面に拘束された球殻であるプレートの運動は、地球の中心を通る一つの軸の周りの回転運動で表すことができる。したがって、二つのプレートの相対運動も、一つの軸の周りの回転運動となる。こうした回転運動は、回転ベクトル、すなわち回転軸の向きと回転速度によって表される。

［吉井敏尅］

プレートの相対運動

プレートの運動を計算するのに必要な観測値は、主としてプレートの境界付近で得られるので、われわれがまず知ることができるのは、プレート間の相対運動である。プレートの相対運動を決めるための観測データは、中央海嶺付近でとくに多く、トランスフォーム断層の走向や地震の発震機構からは回転軸が、地球磁場の反転の歴史の化石ともいえる地磁気異常の縞(しま)模様からは回転速度が決まる。これに対し、海溝のような沈み込み型の境界では、とくに回転速度を決めるための情報が少ない。

　プレートAのプレートBに対する相対運動を、回転ベクトルω_ABで表すことにしよう。いま、AからNまであるプレートがそれぞれ剛体的に運動するならば、相対運動の回転ベクトルのループは閉じており、ω_AB＋ω_BC＋……＋ω_NA＝0という関係が成り立つ。すなわち、相対運動を決めにくい沈み込み型のような境界でも、相対運動のよくわかるプレートを中継ぎにしてループをつくることができれば、この関係を用いて相対運動を知ることができる。日本列島の下には太平洋プレートが年10センチメートル程度の速度で沈み込んでいるとされているが、これも北アメリカプレートなどを中継ぎにして計算されたものである。プレートの相互作用によりさまざまな地学現象を説明するプレートテクトニクスにおいては、プレートの境界は活発な変動帯にほかならない。したがって、そこでの相対運動を正しく決めることは、変動帯の研究にとってきわめて重要である。

［吉井敏尅］

プレートの実体

プレートを剛体の球殻と考え、その相対運動を幾何学的に扱うだけなら、プレートが何でできているかは問題にならない。しかし、1970年代になってプレートテクトニクスの議論がより広く深くなるにしたがい、プレートの実体についての研究が盛んになった。プレートはリソスフェアを分割したものであるから、結局はリソスフェアの実体ということになる。

　リソスフェアの定義としては、地震波の上部マントル低速度層より上の部分とするのが、現在では一般的である。この低速度層は、マントルを構成する岩石が部分溶融していると考えられており、いわゆるアセノスフェアに相当する。低速度層までの深さ、すなわちプレートの厚さにはかなりの地域差がある。とくに、海洋地域のプレートには年代とともにその厚さを増すという著しい特徴があり、中央海嶺で形成されたときはきわめて薄く、1億年後には100キロメートル程度にまで成長すると考えられている。海洋地域では海底年代の増加に伴って、水深の増加や地殻熱流量の減少など、上部マントルが冷却していく過程を表す現象が観測されている。一方、大陸地域においては、低速度層が明瞭(めいりょう)でないことも多く、プレートの実体はややあいまいである。海洋地域と同じような冷却の過程が認められるとされているが、その時間スケールはほぼ一桁(けた)長い。

［吉井敏尅］

プレート運動の原動力

プレートがなぜどのような力により動くのかは、まだ完全には解決されていない大問題である。海洋底拡大説の時代には、いわゆるマントル対流が原動力とされることが多かったが、実際のプレートの動きを説明するためには、きわめて不自然な形の対流を考えなければならないという欠点があった。現在では、プレートがその下のアセノスフェアよりわずかに大きな密度をもつことによる重力的な不均衡が、原動力としてもっとも有力視されている。これも一種の対流と考えられなくもないが、プレートの存在そのものが対流の原因となっており、対流に乗ってプレートが移動すると考える古典的なマントル対流とはかなり異なった形のものである。

［吉井敏尅］

日本列島とプレートテクトニクス

日本ではプレートテクトニクスというと、海溝でのプレートの沈み込みとそれに伴う地震が強調されがちだが、本来は全地球を考えたより大きな考えであることに注意しなければならない。

　20世紀末ごろより、北アメリカ大陸西岸やアジア大陸東岸が、プレートによって運ばれた地塊の吹きだまりであるとする考えが注目され、付加テクトニクスなどとよばれている。この考えによれば、日本列島の大部分もこうした付加地塊により成り立っているという。日本列島の移動により日本海が形成されたとする説とともに、日本列島形成に関する今後の研究に大きな影響を及ぼすことになろう。

　超長基線電波干渉計（VLBI）や全地球測位システム（GPS、汎(はん)地球測位システム）など新しい宇宙測地技術により、プレートの運動が短時間で直接実測できるようになった。

　プレートテクトニクスは地球の表面に近い深さ数百キロメートルまでの地殻やマントルの運動によって地学現象を説明するものであるが、これに加えて1990年代初めごろより、マントル全体に及ぶ大規模な上昇・下降の流れ（プリューム）によってより大規模で長い年代にわたる地球の変動を説明する「プリュームテクトニクス」という考えが登場してきた。

［吉井敏尅］

『河野長著『地球科学入門――プレート・テクトニクス』（1986・岩波書店）』▽『上田誠也著『プレート・テクトニクス』（1989・岩波書店）』▽『瀬野徹三著『プレートテクトニクスの基礎』『続　プレートテクトニクスの基礎』（1995、2001・朝倉書店）』

3種類のプレート境界

海洋地域でのさまざまな観測値と海底年代との関係
残留重力異常とは、上部マントルの構造に起因する重力異常である。表面波の速度としては、周期70秒のレーリー波の群速度を用いた。いずれの観測値も、海洋地域のプレートが年代とともにしだいに冷却していくことを示している©Shogakukan">

海洋地域でのさまざまな観測値と海底年代…

世界の変動帯（プレート境界）と主要なプレートの分布
プレートの境界は、さまざまな観測データから推定される。震源分布図などをもとにつくったこの図には、おもなプレートの名前のみが示されている。プレート間の相対運動の回転軸に近い地域は地殻活動が不活発で、境界も不明瞭なことが多い。シベリアから日本に延びる北アメリカプレートとユーラシアプレートの境界もそうした例であるが、ここでは、日本海の東縁を通ると考えた©Shogakukan">

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出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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