K海溝・海嶺・海山・断裂帯

2009年10月22日 (木)

太平洋だけマグマオーシャン-3 断裂帯・海膨の成因

 3日前に、「隕石衝突も無くて、ゆっくりと静かに全球面に均一にあるマグマオーシャンが冷え固まった場合」に関して検討しました。その条件の下では、「玉ねぎ構造」が出来るという結論でした。
 昨日、「東京ドーム天井(アーチ構造)と似たような巨大な建造物が地殻冷却過程で出来るのだ」というお話をしました。

 東京ドーム天井は大きさをイメージして頂くために挙げましたが、実際の「海膨」は数万倍以上の大きさなのです。 石を積み上げた構築物という意味では(アーチ構造)を例示すべきでしょう。

 石を積み上げて造ったアーチ橋をイメージして頂いて、そのアーチ円弧の半径を数Km⇒数十Km⇒数百Km⇒数千Kmと大きくしてみて下さい。(アーチの高さは元のままですよ)。

 崩落事故は何時起こっても不思議はないでしょう?

4000Km x 1万Kmの東太平洋【マグマオーシャン域】の何処から、崩落事故は起きるでしょうか?
答え : 「周辺部から起きる。特に±2000Kmの両側から崩落事故は起きる」のです。

 何故か?
「±2000Kmの両側は100℃の地殻岩石で仕切られ、それに1001℃のマグマが接触していて、熱を奪い取られているからです(中央部では、上下方向(球面半径方向)にしか熱は奪われようがない)。」

 仕切られた場所での温度差は(1000-100)=900度(初期条件差)もあるのですからね。

 マグマが冷える(熱が伝搬する)スピードを検討してみましょう。
まず上下方向(球面半径方向)に関してですが、ちょうど良い概略計算式がありました。
d(Km)=9.5√(age:m.y)  という式です。
参考図書は「重力からみる地球(藤本博巳、友田好文)[東京大学出版]P104」です。
(age:m.y.) というのは、百万年単位での経過時間という意味で、[d]は、熱伝導で熱が伝わる距離(Km)です。

 まあ、ややこしいことは抜きにして、計算結果も転記させて頂きましょう。
1秒で1mm、 1日で0.2m、 1年で5.6m、 1万年で、560m、
1千万年で 1.12Km、 百万年で 5.6Km、 1億年で56Km
という計算結果になるそうです。
 太平洋の年齢は2億年程度ですから、これで我々の検討には十分!です。

 熱の伝わる速度は、温度勾配に比例して起こります。
先日の深さ方向の検討の時、『1001℃⇒1000℃の1度で【地殻層1】が出来る。』と仮定していました。これは地球半径方向の話でした。
 横方向(仕切られた場所)での最初の温度差は、(1000-100)=900度(初期条件)ですので、横方向の熱伝導速度は、上記の900倍と見積もれます。

 即ち、1千万年で、1120Kmの所まで熱が伝わる計算になります。
2千万年では、√2倍して、1584≒1600Kmの所まで熱が伝わるのです。
 逆に±2000Kmの場所まで中心部の熱が伝搬するにかかる年数はというと、4千万年あれば十分という計算結果になります。

 私もこの4千万年と出て来たことに少なからずびっくりしたのですが、東太平洋の大断裂帯はハワイ島近くまで伸びていて、それが「4千万年前」とは少々出来過ぎの見積もりでしょう?

 ではこれから、東太平洋海膨の構造が出来る過程を展開しましょう。

[1]、4千万年前に(何らかの原因によって)、東太平洋の左右巾±2千Km内が1300℃程度以上に加熱され、マグマオーシャンが出来た。 周辺部分は特に冷却速度が速くて、じきに1001℃になり、更に1000℃となって周辺部分は固化し始めした。

[2]、3千万年前に至るまでの1千万年の期間内に、4分の1巾(500Km巾)が固化すると共に、細かな亀裂が深さ方向にも縦横方向にも発生しています。
(縦方向は断裂帯に発展していくのですが、その長さは200Kmとして置きましょう)。
横方向の亀裂の内には、応力集中が起きて、熔融マグマ領域に達するものも出て来ます。その大亀裂溝に沿ってマグマは上昇してきて冷やされ固まります。また、大亀裂に沿って上下ズレ段差が発生することもあるでしょう。

[3]、2千万年前に至るまでの2千万年間に、2分の1巾(1000Km巾)まで固化が進みます。勿論、マグマオーシャンの極薄い表層は、4千万年前から固化が始まっており玉ねぎ構造はどんどん進行していますし、縦横深さの3方向亀裂はどんどん生産されています。

[4]、1千万年前に至るまでの3千万年間に、4分の3巾(1500Km巾)が固化が進みます。極薄い表層玉ねぎ構造も既に何層かが成長しています。その層の間にもマグマが進入していますし、一番上の層の上にまでマグマが火山噴火の如くに出て来ることもあるでしょう。

[5]、近年に至るまでの4千万年間に、地下数キロまでの地殻層の固化が完了します。
その構造は、膨大な角材を数層に積み上げつつ左右巾4000Kmという巨大アーチ構造が出来上がることになります。

 以上は±2000Kmの左右方向に関して注目しながら、大きな崩落事故が起こらない場合のストーリー展開をしました。
現実には、数十万年に1回位の割合で、大規模な上下ズレ段差(崩落事故)は発生するし、発生後直ちにマグマが割れ目・崩れ目を通して上昇・固定化するということになります。
 しかしこの崩落事故現場も、年代時間経過とともに、中央部(最終的に中央海嶺になるであろう箇所)へと左右から移動して来ます。

 最後に陥没・隆起した場所が「中央海嶺であった」というストーリーです。

 現代の我々が東太平洋の海底の地質年代を調べ地図に描き現わしてみたら、中央海嶺の両側に略左右対称に見える地層年代図が現れていた。という訳です。
明日は、170回とか300回以上とか叫ばれている「磁気異常」に関して論を展開しましょう。

  大山宏

Photo_2
太平洋の海底地形図ばかり載せていると、応用・発展性を疑われますので、北大西洋中央海嶺の海底地形図例を添付しました。

 地球儀イメージでまとめられたものです。
この図では、中央海嶺が意識的に(?)強調表示されている模様ですが、それにも関らず、横方向に何十本も走っている断裂帯の方が、遥かに重要な「深い溝」という印象が現れていますね。

 断裂帯の長さは、北アメリカ西岸(東太平洋)大断裂帯長さの[3分の1]の規模です。

 出来ましたら、Google地図検索でも確認してみて下さい。

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2009年10月21日 (水)

太平洋だけマグマオーシャン-2

 昨日の続きです。今日はイースター近辺の「巾4000Km x 1万Km」マグマオーシャンの横巾方向の冷却に関して構造分析を”頭の体操”でやってみましょう。

 条件を再録しておきます。
(1)、【マグマオーシャン域】
  イースター島近辺に左右幅 : 4000Km、南北幅 : 1万Kmの領域。
   表面温度 : 1001℃、 数百キロ深い所の温度 : 1300℃程度
(2)、【その他の場所】
   表面温度 : 100℃程度、数百キロ深い所の温度 : 1100℃程度

 【マグマオーシャン域】の表面温度が1001℃⇒1000℃に1度だけ下がると、6.37Km深さの【地殻層1】が固化します。
更に1度温度が下がると、【地殻層1】は999℃になり、その下の【地殻層2】は、1001℃⇒1000℃になって、固化します。
順次、1度下がる毎に、【地殻層1】⇒998℃、【地殻層2】⇒999℃、【地殻層3】⇒1000℃になって固化。・・・となって行きます。

 【マグマオーシャン域】の横巾は4000Kmですので、わずか1度冷えただけで、
4000Km x 0.000009=0.036Km縮みます。1000℃⇒100℃程度まで温度降下すると、0.036Km x (1000-100)≒32Kmどなりますが、この32Kmの縮みが±2000Kmの両端でのみ発生するのではないことは、昨日の縦方向縮みの場合と同じです。

 最終的には、32Kmの縮みが「地殻のしわ」となって現れてくるはずです。そのしわのピッチ、現実の海底地形から逆に推測しましょう。
Photo
 大断裂帯のピッチは、約1000Kmでした。小断裂帯のピッチは200Km(±100Km)程度でした。
 これを尺度として「しわピッチ」をエイやッで計ると、最小断裂帯の約半分とみて、「50Km」というところでしょう。

 即ち、全巾4000Kmに対して、50Km毎に小さい断裂が起こり、80本の亀裂の総計が、32Kmになるという計算です。
 これだと、1本当りの亀裂巾が、32Km÷80本=0.4Kmとなります。

 「50Km毎に、400メートル巾の亀裂が走る」・・・現実的に起こりえる範囲ではありますが、もう少し分析的に考えるなら以下のストーリーになるでしょう。

 『50Kmの10分の1の5Km毎に40メートル巾の亀裂が走るような環境に海底の広いがなっていて、その近辺で最も弱い箇所に応力が集中し、その結果、集中した亀裂巾が400メートルになる。』
 わずか1度冷えただけの話に置き換えると、以下のようになります。
 『5Km毎に、40m÷(1000℃-100℃)=0.044mの亀裂が走るという冷却環境下に海底の広い範囲が置かれていて、その近辺で最も弱い箇所に応力が集中した結果、応力集中箇所の亀裂巾が、0.44m=44㎝ になる。』

 50Kmの長さは、ちょっとした「島」のサイズ、5Kmの長さとは、小さな「島」のサイズと考えられますので、頃合いの「ギャップ」の推測値と思われますね?

 何が言いたかったか?

 海底が冷却(固化)する段階では、深さ方向(数キロ)と同程度の巾毎に、縦横方向に亀裂が走る可能性が十分にあり、深さ方向厚さ(数キロ)と同程度の亀裂ピッチになりそうである事。

 誤解を恐れず結論を先に言って置きましょう。

 太平洋の東半分だけマグマオーシャン化していて静かに冷却固化した場合、最初の段階で出来る【地殻層1】は、厚さが5Km程度ありますが、
その内部は、縦横方向に5Km程度毎に縦割れの亀裂が発生している可能性があり、亀裂の大きなものは、およそ50Km毎に発生していて、未凝固層のマグマが地表に噴出して来れる状態にある事。

 【地殻層2】【地殻層3】・・も同様であり、その全体像は、東京ドーム天井(アーチ構造)を角材の積み上げによって造り上げた状態となっている事。
 その天井高さは1000mもあり、ちょっとしたきっかけで、崩落事故に繋がる(繋がった)。
 崩落を繰り返しつつ(マグマ噴出を繰り返しつつ)海膨(海嶺)構造は出来上がった。

続きはまた明日 大山宏

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2009年10月20日 (火)

太平洋だけマグマオーシャン-1

 昨日の頭の体操で、「隕石衝突も無くゆっくりとマグマオーシャンが冷却すれば、地球地殻は玉ねぎ構造になる。」という結論が得られました。
 今日は その続きですが、太平洋の東半分だけマグマオーシャン状態であって、[ 他のプレート地殻は既にかなりの温度にまで冷えていた ] という条件で考えてみましょう。

 暗算がし易いように、条件をもう少し絞りましょう。
(1)、【マグマオーシャン地域】 :
  イースター島近辺に左右幅 : 4000Km、南北幅 : 1万Kmの領域。
   表面温度 : 1001℃、 数百キロ深い所の温度 : 1300℃程度
(2)、【その他の場所】 :
   表面温度 : 100℃程度、数百キロ深い所の温度 : 1100℃程度

 この条件でスタートしましょう。
その他の場所】 では既に地殻が冷え固まっており、イースター島付近の「4000Km x 1万Km」領域だけ、(何らかの理由で)マグマオーシャン化していた。とします。

 マグマオーシャン表面温度が1001℃⇒1000℃に1度下がると、(昨日同様に)6.37Km(地球半径の1000分の1)の【地殻層1】が固化します。
その後更に、1度温度が下がると、【地殻層1】は999℃になり、その下の【地殻層2】は、1001℃⇒1000℃になって、固化します。
順次、1度下がる毎に、【地殻層1】⇒998℃、【地殻層2】⇒999℃、【地殻層3】⇒1000℃になり固化。・・・となって行くのは、昨日と同様です。

 【その他の場所】に関しては、既に地下数十キロ範囲は固化していて、温度もそれほど高くないので伸び縮みは無視しましょう。その「4000Km x 1万Km」の凹地の中で、マグマオーシャンが冷え固まって行く過程を考えるのです。

 【マグマオーシャン地域】の縦幅は1万Km(緯度で言えば±45°巾)ですので、わずか1度冷えただけで、1万Km x 0.000009=0.09Km も縮むのです。1000℃⇒100℃程度まで温度降下すると、0.09Km x (1000-100)=81Km だけ南北方向に縮まる事になります。

 長さ1万Kmの凹地の中で、両端だけに81Kmの半分ずつの「(40Km巾の)深い溝」が出来るでしょうか?

 まあ、常識的に考えても、数Km巾の「深い溝」が10本程度出来て、短冊状になるという所でしょう。
この短冊状地殻の巾は、1万Km÷10=1000Kmです。 果してこの1000Kmという数値は、現実的な値なのでしょうか?( 地図で調べてみましょう。)
Photo
 この地図は、北米大陸の西岸沖(東北太平洋)の海底地形図です。大きな横筋(断裂帯)が数本目立っています。
北から、
1【メンドーシノ断裂帯】
2【マレイ断裂帯】
3【モロカイ断裂帯】
4【クラリオン断裂帯】
5【クリッパートン断裂帯】
6【名無しの権兵衛断裂帯】

この6本の断裂帯の平均間隔は、1000Kmです。
( 1000Km毎に「深い溝」が出来るというのは、無茶苦茶な結論ではないようですね!)
 もう少し詳しく調べてみましょう。

 隣り合う大断裂帯の中には、4本~8本の小断裂線が認められます。これを平均5本とすれば、小断裂線の平均間隔は、200Km(±100Km)ということが分かります。
 南半分を調べて見ましょう。
Photo_2
 一番上の目立つ断裂帯は、6【名無しの権兵衛断裂帯】です。
 左右両側から諸島(海山)群が迫って来ている辺りまでの傾向は、北米西岸沖の傾向とほぼ一致した「小断裂帯の並び」が認められます。

 それ以下に関しては、総巾≒3600Kmの中に、「中位の断裂帯」が 18本程度 等間隔で存在しているようです。平均ピッチは200Km

*1) 北アメリカ西岸沖の断裂帯は、大きな6本の断裂帯と、小さな断裂線が200Km間隔で存在する。
*2)、一方、南米沖では、中規模の断裂帯が、200Km間隔で存在する。
 という差がありますが、「数Km巾の「深い溝:断裂帯」が10本程度出来て、短冊状になるという所でしょう。」という予想はオーダーとして間違っていなかったと判断出来ます。

 南米沖(イースター島以南)海底には、東太平洋海嶺が走っており、太平洋プレートが西に、ナスカプレートが東に向かって移動しているとされる地域です。
 大袈裟に宣伝されてはいますが、その境界(中央海嶺位置)は、明確ではない のが分かります。(まさかと思われる方は最新の海底地形地図をGoogle検索して自らの目で確かめて下さい。遥かに断裂帯の方が支配的と納得されるでしょう。)

 この断裂線に直交する細かい”しわ構造”分析に関しては明日やりましょう。
大山宏

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2009年10月19日 (月)

マグマオーシャンが冷却すると

頭の体操で、地球の地殻の出来方の研究してみましょう。
 地球は40億年前に、マグマオーシャン(熔融マグマ)で被われていました。
それが冷却して地殻が形成され、人が住むに至った訳です。今日は、隕石衝突も無くてゆっくりと静かにマグマオーシャンが冷え固まった場合について、考えてみましょう。

 『 ゆっくりと静かに冷却すれば、ガラス玉みたいな完全球が出来るだろうな。』ということは、誰が考えても容易に想像が付きますね。
隕石衝突も全くなかった場合には、クレーターも出来ません。
数億年かけて非常に静かにゆっくりと冷却させるのですから、完全球の地球型惑星が出来上がります。

 熔融マグマの熱が逃げて行く場所は というと、球表面 しかありません。
この熔融マグマは1000℃位の温度で、冷え固まると言われています。
1300℃では、熔融状態です。

 最初に、マグマオーシャンの表面温度が、1001℃で一定だったとしましょう。
1度冷えて表面層が固まるとすると、極薄い【地殻層1】が まず出来ます。
 更に1度温度が下がると、【地殻層1】の温度は999℃になり、その直下の【地殻層2】の温度が1000度になって、固まります。
 更にもう1度温度が下がると、【地殻層2】の温度が999℃となり、その直下の【地殻層3】の温度が1000度になって、固化します。

 ここで面白い事が起こり始めます。
【地殻層2】の温度が1000℃⇒999℃に変わると、【地殻層1】に圧縮力を与え始めるのです。

 線膨張率とか体膨張率という言葉を聞いたことがありますでしょう?
「金属棒を熱するとその金属棒は伸びる、温度が冷えてくると縮む。」という性質です。その伸び縮みの割合を数値化したものが線膨張率であり、体積膨張率でしたね。
 地殻(岩石)も伸び縮みするのですが、地殻の場合には、線膨張率が0.000009(体膨張率はその3倍の0.000027)程度の小さなものです。

 しかし、地球の大きさは半径が6370Kmもあって、その周囲(円周)は4万Kmの大きさがあるので、わずか1度冷えただけで、4万Km x 0.000009=0.36Km も縮むのです。
 肉厚方向にも同じ割合で縮みますので、
地殻層1,2,3・・の各厚さを6.37Km(地球半径の1000分の1) とすれば、
0.36Km ÷1000=0.36メートルのギャップが発生する事になります。

 1000℃の温度から わずか1度下がっただけで、0.36メートルのギャップが発生するという訳ですが、
我々が暮らしている温度(20℃)にまで下がると、0.36 x (1000-20)≒350メートル!
地殻層が10枚重なっていると、総計約 3Kmのギャップが発生することになります。

 現実には地球には引力がありますし、【地殻層1】と【地殻層2】との間には離れまいとする力もありますので、結果、【地殻層2】が【地殻層1】を圧縮するという力になって働いて来ます。
 但し、これも限度問題であり、10層もの地殻層が重なって押し合い引き合いしていれば、地殻層間の結合力の弱い所に集中して「ギャップ層」が集中発生するという事も起こるでしょう。
高さが1Kmもあるような、広い空間ですよ!東京ドームの1千倍?1万倍? きっとその内に崩落事故が起きるのでしょうね(今後、じっくりと検討して行きましょう)。》

 ただ単にゆっくりと冷えるという条件だけであっても、地球の地殻は”玉ねぎ構造” になってしまうのだという事、納得頂けましたでしょうか?

 「地層間のギャップには、何か詰まっているのか?それとも真空なのか?」

多分、熔融マグマから分離した気体か液体で満ちているのでしょうね。

 大山宏

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