地球の内部構造と地震波の速度

質問

どの本にも地球の地下の密度分布と地震波の速度分布、圧力分布の図が出ていると思います。

１）密度分布
同じ物質が積み重なって圧力が高くなり、だんだん密度が上がっているのでしょうか。
核になると、構成物質が鉄とニッケルの合金になるため、急激に密度が上がり、
さらに、核の中でもどんどん圧力が上がるため、だんだん押しつぶされて、密度が上がっていく・・・？

２）速度分布
同じ物質なら、密度が大きいほうが、媒質が充実しているため、波の伝わる速さが速い？
でも、マントルから外核に入ると、密度が急激に上がるから、波の伝わる速さは密度に反比例？？
でも同じ外核や内核の中では、密度が上がるたびに速度が上がっていく？？？

速度分布と密度分布、圧力分布の3つをきちんとつじつまを合わせることができません。
どういう関係なのでしょうか？

回答No.4

kamobedanjoh

ＮＯ．3．です。結晶構造の変化の意味がご理解頂けませんか？
炭素の場合で説明します。
結晶性の弱い炭素棒は、乾電池の＋極のように導電性もあり、時には黒色ペンの代わりにもなれば燃焼することもあります。
特殊加工された炭素繊維などは相当な強度もあり、絶縁体にもなります。
高温高圧下の特殊環境に置かれた炭素は、ダイアモンドとなり、完全な絶縁体・不燃物・剛性体の性質を獲得します。これが、結晶構造の変化です。
地中での各元素・分子間にも、温度と圧力の条件が結晶構造(結び付き)の状態変化を及ぼしています。その構造変化は、連続的に起こる場合もあれば、不連続な相の変化として表れる場合もあり、相が変われば密度も地震波速度も、それに対応して不連続変化を起こします。
シリコン質についても考えてみて下さい。シリカゲルは乾燥剤として高機能を持ち、一般的には身近なガラスとなり、特殊処理すればシリコンウェハーにもなり、また宝石としては６角結晶構造の水晶となり、生成条件の違いでより高価なアメジスト(紫水晶)にも成ります。
高温高圧条件は、近縁元素同士の結び付きを促進し、さらにはその結合の仕方を飛躍的に変化させ得るということに、思い及んで下さい。

お礼

とりあえず、丁寧にご説明くださり、ありがとうございます。
もう少しよく読んで考えさせていただこうと思います。取り急ぎお礼まで。
（時間が空きすぎたので、ほったらかしになっていると思われているかもしれませんが、読解中です。）

回答No.3

kamobedanjoh

圧力と体積の関係は，中学の理科でも教わります。
密度だけが重要な要素ではありません。温度が下がれば気体→液体→固体という順で相が変化します。圧力が増せば体積が減り，温度が上昇します。密度とは，温度と体積の関係です。
さらに重要なことは，固体であっても一様とは言えず，圧力（密度）が増せば，結晶構造が飛躍的に変化します。密度が大きければ地震波速度も大きくなりますが，速度分布の不連続は，結晶構造の飛躍的変化に相当します。
マントルは圧力の増加によって高温を保っていますが，地表を形成する地殻よりは遙かに堅いにも拘わらず，時間軸を大きく取れば対流している＝「マントル対流」が存在することも，書籍に述べられているはずです。そのマントル内にも幾つもの不連続面が存在することも，分布図から読み取れます。つまり，深さによって圧力の変化があると，ある深さを境界として岩石の結晶構造が飛躍的（不連続）に変化しています。
次に，地震波（弾性体波動）には縦波（P波）と横波（S波）があり，Vp＝√２Vsの関係が有ることも説かれているはずです。さらに，S波は流体中を伝わらないことも知られています。外核でS波が伝わらない事実から，外核は流体であると見られています。内核ではS波の速度が観察されるため，地球の中心部では，堅固な固体の内核を流体の外核が包み込み，さらにその外側にマントルが存在すると見られているわけです。
温度と圧力と体積の関係で密度が変化し，相転換が起こり，地震波速度も不連続に変化することを理解して下さい。

回答No.2

manno1966

> だんだん密度が上がっているのでしょうか
気体については圧力をかけると密度が上がるのが判りますが、固体や液体についてはそこまで大きな変化はありません。
どちらかというと、地球内部は高温高圧の液状なので、密度の大きい物質(重い物＝重い金属)が沈んで中心部に固まっているという理解の方が適切ではないかと思います。

お礼

なるほど、深いほど密度が上がっていくのではなく、重たいものが沈んでいると考えるのですね。ありがとうございます。

回答No.1

Tacosan

1) 「同じ物質」といっていいのかなぁ.... 内部にいくに従って圧力が高くなるので, その結果として密度があがると思っていい. ただ, 温度や圧力が変わるため構成元素は同じだとしても状態は変わる.

で地震波は基本的に密度が高いほど速いと思っていい. ただし, 気体なのか液体なのか固体なのかによっても変わる.

とりあえず
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%83%B3%E3%83%88%E3%83%AB
の絵でも見てみたらどうだろうか.