海底に海溝や海嶺があるのは、地球の表面を覆うプレートが動き、場所によって「生まれる」「離れる」「沈み込む」という違う動きをしているからです。海嶺は主にプレート同士が離れていく境界にでき、新しい海洋地殻がつくられる場所です。一方、海溝は海洋プレートが別のプレートの下へ沈み込み始める境界にできる、細長く深い谷です。
つまり、海底の大きな起伏は偶然にできたものではありません。海嶺ではマントルから上昇した物質が新しい海洋プレートをつくり、海溝では古く冷えた海洋プレートが地球内部へ戻っていきます。JAMSTECも、海洋プレートは海嶺で生成され、移動しながら冷却され、やがて海溝で沈み込むと説明しています。
ただし、海底地形は海溝と海嶺だけではありません。海山、海台、深海平原、断裂帯などもあり、プレート運動だけでなく火山活動、断層、堆積物などが組み合わさって複雑な海底地形をつくっています。
海底は平らな「海の底」ではない
海の上から見ると、海面は広く平らに見えます。そのため、海底もなだらかな平面のように想像しやすいかもしれません。
しかし実際の海底には、陸上と同じように山脈、谷、火山、平原があります。USGSは、深海底には中央海嶺、海溝、海山、海台など多様な地形があり、それらの多くがプレートテクトニクスと結びついていると説明しています。
なかでも海嶺と海溝は、地球規模でつながるプレート運動を示す代表的な地形です。海嶺は「新しい海底がつくられる側」、海溝は「古い海底が沈み込む側」と考えると、両者の関係が理解しやすくなります。
海嶺はプレートが離れる場所にできる
海嶺は、海底に連なる大規模な山脈です。代表例には大西洋中央海嶺や東太平洋海膨などがあります。
NOAAによると、中央海嶺はプレート同士が離れていく発散境界にでき、そこでは新しい海洋地殻が形成されています。全球の中央海嶺系は約6万5,000kmにわたって連なり、地球上で最も長大な山脈系です。
プレートが左右へ離れると、そのすき間を埋めるように深部から高温のマントル物質が上昇します。上昇したマントルは圧力が低下することで一部が融け、マグマになります。
このマグマが海底付近まで上がり、冷えて固まると玄武岩質の新しい海洋地殻ができます。その地殻と、その下の上部マントルを合わせた部分が海洋プレートとして海嶺の両側へ広がっていきます。
なぜ海嶺は周囲の海底より高いのか
海嶺が「山脈」になる理由の一つは、その下に高温のマントルが存在することです。
高温の岩石は冷たい岩石より膨張して密度が小さくなります。そのため、海嶺付近の海洋プレートはできたばかりで熱く、周囲の古い海洋プレートより高い位置にあります。
海嶺から離れるにつれて海洋プレートは海水などによって冷やされます。冷えると収縮して密度が大きくなり、海底はしだいに深くなります。
JAMSTECは、海嶺で生成された海洋プレートが海嶺から離れるにつれて冷却され、重くなると説明しています。つまり、海嶺の高さは「火山が積み上がったから」だけではなく、若く熱いプレートそのものが持ち上がっていることにも関係します。
海底は海嶺から左右へ広がっていく
海嶺で新しい地殻がつくられ続けると、先にできた海底は左右へ押し分けられるように移動します。これが海洋底拡大です。
USGSは、大西洋中央海嶺のような場所で、プレートが離れるすき間へマントル物質が上昇し、冷えて新しい岩石となることで海底が拡大すると説明しています。
この仕組みは、海底の岩石の年代からも確認できます。中央海嶺に近い海底ほど若く、海嶺から遠ざかるほど古くなります。また、海底の岩石には地磁気の逆転を記録した縞模様が左右対称に並び、海底が海嶺から両側へ広がってきた証拠となっています。
したがって、海嶺は単なる海底火山列ではなく、地球表面に新しい海洋プレートを供給し続ける場所なのです。
海溝はプレートが沈み込む場所にできる
海嶺で生まれた海洋プレートは、地球表面を永遠に動き続けるわけではありません。長い時間をかけて海嶺から離れ、冷えて密度を増し、やがて別のプレートとぶつかります。
そのとき、密度の大きい海洋プレートが別のプレートの下へ曲がって沈み込む場所があります。この境界にできる細長い深い地形が海溝です。
USGSは、海溝を「一方のプレートが他方の下へ沈み込むことで生じる海底の線状のくぼみ」と定義しています。NOAAも、収束境界では一方のプレートが他方の下へ沈み込むことで深海溝が形成されると説明しています。
日本海溝、千島海溝、マリアナ海溝などは、いずれもこうした沈み込み帯にあります。
なぜ海洋プレートは海溝で下へ曲がるのか
海洋プレートは海嶺で生まれた直後は高温ですが、海嶺から離れるにつれて何千万年、場合によっては1億年以上かけて冷えていきます。
冷えた海洋プレートは熱収縮して密度が増し、周囲のより高温なマントルに比べて沈み込みやすくなります。収束するプレート境界では、その古く冷えた海洋プレートが下向きへ曲げられ、マントル内部へ沈み込んでいきます。
この曲がりによって海底は急激に深くなり、海溝軸ができます。海溝は「地殻にぱっくり開いた穴」ではなく、巨大なプレートが下向きへしなることでできた谷状の地形です。
海溝が非常に深くなるのはなぜか
海溝の水深は数千mに達し、マリアナ海溝では1万mを超える場所もあります。
深くなる理由は、沈み込むプレートが下向きへ大きく曲げられることに加えて、そのプレートがすでに古く冷えていて、海溝へ到達する前から深い位置にあるためです。
さらに、海溝の深さはプレートの年齢、曲がり方、上盤側の地形、堆積物の量などによって変わります。大量の堆積物がたまれば海溝のくぼみは埋められ、比較的浅く見える場合もあります。
したがって、「沈み込み帯ならどこでも同じ深さの海溝になる」わけではありません。
海嶺と海溝は地球の「入口と出口」のような関係
海嶺と海溝を別々の地形として見ると理解しにくいですが、海洋プレートの一生として考えるとつながりが見えてきます。
- 海嶺でマグマが冷えて新しい海洋地殻がつくられる。
- 海洋プレートが海嶺から離れるように移動する。
- 移動する間に冷え、堆積物を載せながら古くなる。
- やがて収束境界に到達し、海溝から地球内部へ沈み込む。
JAMSTECは、この流れを「海洋プレートは海嶺で生まれ、移動し、やがて海溝からマントルへ沈み込む」と説明しています。
この意味で、海嶺は新しい海洋プレートが地表へ現れる「入口」、海溝は古い海洋プレートが地球内部へ戻る「出口」のような場所です。
海嶺で海底がつくられ続けても地球が大きくならないのはなぜか
中央海嶺では今も新しい海底がつくられ続けています。それなら地球の表面積が増え続けるように思えるかもしれません。
しかし、海溝では古い海洋プレートがマントルへ沈み込んでいます。地球全体では、新しいプレートがつくられる場所と、古いプレートが沈み込む場所が同時に存在しています。
もちろん短い期間や地域ごとに見れば、生成量と沈み込み量が完全に同じとは限りません。しかし地質学的な長い時間スケールでは、海洋プレートは生成と消費を繰り返しながら地球表面を更新しています。
この循環があるため、現在の海洋地殻には大陸地殻のように数十億年前の非常に古い岩石がほとんど残っていません。
なぜ海嶺には火山や熱水噴出孔が多いのか
海嶺の下ではマントルが上昇し、部分的に融解してマグマができます。そのため火山活動が活発です。
さらに、海水が海底の割れ目から地下へ入り込み、熱い岩石やマグマによって加熱されると、高温の熱水となって海底から噴き出します。これが熱水噴出孔です。
USGSは、中央海嶺のような地質活動の活発な場所で熱水が噴出し、鉱物を含む物質を海へ供給すると説明しています。
熱水噴出孔の周囲には、太陽光ではなく硫化水素などの化学物質を利用する微生物を基盤とした独特の生態系が形成されます。海嶺は地形だけでなく、地球内部の熱や物質が海へ出てくる場所でもあります。
なぜ海溝の近くでは地震や火山が多いのか
海溝はプレートが沈み込む場所なので、巨大な力が集中します。
沈み込むプレートと上側のプレートの境界が固着すると、プレート運動によるひずみがたまります。それが一気に解放されると大きな地震になります。日本海溝や南海トラフ周辺で巨大地震が繰り返し起こるのは、この沈み込み運動と関係しています。
また、沈み込んだ海洋プレートから水を含む流体が放出されると、上盤側のマントルの融点が下がり、マグマができやすくなります。JAMSTECは、沈み込み帯で放出された水が周囲のマントルの部分融解を促し、火山活動につながると説明しています。
そのため、海溝そのものの真上ではなく、海溝から少し陸側に離れた場所に火山列が並ぶことがあります。日本列島の火山帯も、この沈み込み帯の仕組みと深く関係しています。
海嶺と海溝以外の海底地形はどうできるのか
海底には、プレート境界以外でもさまざまな地形ができます。
たとえば海山は、海底火山が成長してできる山です。ハワイのように、プレート境界から離れたホットスポット上で火山ができる場合もあります。
また、プレート同士が横にずれる境界では断層や断裂帯が発達します。海底へ運ばれた泥や砂が長い時間をかけてたまれば、深海平原のような比較的なだらかな地形になります。
つまり、海底の地形はすべて一つの原因でできるわけではありません。ただし、全球規模の大きな地形の骨格をつくる主役の一つがプレート運動です。
海嶺と海溝の分布を見るとプレート境界がわかる
世界地図で地震、火山、海嶺、海溝の位置を重ねると、それらが帯状に並んでいることがわかります。
海嶺は発散境界に沿ってつながり、海溝は沈み込みを伴う収束境界に沿って並びます。海溝の陸側には地震帯や火山帯が並ぶことが多くあります。
産業技術総合研究所の地質標本館でも、太平洋の海底地形模型上で、プレート拡大部の海嶺とプレート沈み込み部の海溝を対応させて展示しています。
この分布は、海底地形が単なる局地的な凹凸ではなく、地球表面のプレート運動を反映した地形であることを示しています。
「海溝と海嶺は反対の地形」と考えてよいのか
大まかには、海嶺と海溝は反対の役割を持ちます。
海嶺ではプレートが離れ、新しい海洋地殻がつくられます。海溝ではプレートが近づき、海洋プレートが沈み込んで地球内部へ戻ります。
ただし、地形の形そのものが単純な鏡写しというわけではありません。海嶺は高温のマントル上昇や火山活動によって幅広い高まりをつくり、海溝はプレートの曲がりや上盤側の変形によって細長く深い谷をつくります。
そのため、「役割は対照的だが、でき方と形はそれぞれ独自」と考えるのが正確です。
海底地形は今も変わり続けている
海嶺も海溝も、過去に一度できて固定された地形ではありません。
海嶺では今も新しい海洋地殻がつくられています。海溝では今も海洋プレートが沈み込み、地震や断層運動によって地形が変化しています。
プレートの移動速度は人間の感覚では非常に遅く、年間数cm程度ですが、100万年では数十kmになります。何千万年という時間がたてば、海盆の形や大陸の位置そのものが大きく変わります。
現在の大西洋、太平洋、日本列島周辺の海底地形も、そうした長いプレート運動の途中の一場面です。
結局、なぜ海底には海溝や海嶺があるのか
理由を整理すると、次のようになります。
- 地球表面がプレートに分かれて動いている：海底もプレートの一部なので、境界で大きく変形する。
- プレートが離れる場所に海嶺ができる：マントルが上昇し、マグマが冷えて新しい海洋地殻をつくる。
- 若い海洋プレートは熱く高い：海嶺付近は周囲より持ち上がり、海底山脈になる。
- プレートが沈み込む場所に海溝ができる：古く冷えた海洋プレートが下向きへ曲がり、深い谷をつくる。
- 海洋プレートは海嶺から海溝へ移動する：生成と沈み込みを繰り返し、海底を更新する。
- プレート運動以外の作用も地形を修正する：火山、断層、堆積物などが海底の形をさらに複雑にする。
海嶺と海溝は、地球内部の動きが海底に現れた地形です。海嶺では新しい海洋プレートが生まれ、海溝では古い海洋プレートが沈み込みます。海底に大きな山脈と深い谷が並ぶのは、地球の表面が静止しているのではなく、今もプレートが動き続けているからなのです。
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