【研究成果】深発地震とプレート弱化、2つの謎を世界で初めて統一的に解明 ― 相転移ナノ粒子が支配する地下600kmの岩石変形メカニズム ―

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【研究成果】深発地震とプレート弱化、2つの謎を世界で初めて統一的に解明 ― 相転移ナノ粒子が支配する地下600kmの岩石変形メカニズム ―

【研究成果】深発地震とプレート弱化、2つの謎を世界で初めて統一的に解明 ― 相転移ナノ粒子が支配する地下600kmの岩石変形メカニズム ―

ポイント

①　深発地震(※1)と岩石の弱化は、地球深部プレートにおける相反する2つの谜だった
②　相転移ナノ粒子が温度によって「地震性すべり」と「安定な変形」を切り替えることを発见
③　地球独自のプレート运动とマントル対流の理解に贡献

概要

　地球深部に沉み込む海洋プレートでは、深さ400～700办尘付近で「深発地震」と「プレートの弱化」という2つの相反する现象が起きていることが知られています。しかし、超高圧下の固いプレートが割れて地震を起こす仕组みや、同时に弱くなる理由は十分に解明されていませんでした。本研究は、これら2つの现象が、鉱物の相転移に伴って形成されるナノ粒子の面状构造とその変形によって统一的に説明できることを、世界で初めて実験的に明らかにしました。
　九州大学大学院理学府博士課程(研究当時、現在は京都大学地球熱学研究施設非常勤研究員)の本田陸人氏と理学研究院の久保友明教授らの研究グループは、広島大学大学院先进理工系科学研究科の宮原正明准教授、東北大学大学院理学研究科の鈴木昭夫准教授、高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究所の柴崎裕樹助教らと共同で、地下600kmに相当する約20GPaの高圧条件下でカンラン石の変形実験を行い、放射光その場観察とアコースティック?エミッション(AE)(※2)測定を組み合わせて解析しました。その結果、カンラン石がリングウッダイト(※3)へと相転移する際にナノ粒子の面状構造が形成され、そこに変形が集中することを発見しました。さらに、この相転移ナノ粒子は温度によって性質が変化し、低温では地震性すべりを引き起こし、高温では安定な変形によって岩石を弱化させることを明らかにしました。
　本研究の結果は、深発地震の発生とプレート弱化を統一的に説明するものであり、地球独自のプレートテクトニクス型マントル対流の理解に大きく貢献します。本研究成果は、2026年4月16日に国際学術誌「Nature Communications」に掲載されました。

(図1)深発地震の発生とプレート
の滞留(スタグネーション)
…沉み込んだ海洋プレート内では、深さ约400～700办尘にわたり、冷たい中心部に沿って深発地震が分布する。一方、プレートは约600办尘付近で折れ曲がり、下部マントル上部で滞留する。このように、同じ深さ领域で地震の発生とプレートの弱化?滞留という相反する现象が同时に起こっている。

本田博士からひとこと：
初めて础贰と応力降下を同时に観测した瞬间は、本当に深発地震を実験室で再现できたのではないかと大きな惊きと兴奋がありました。今后は、深さによって深発地震の発生メカニズムがどのように変化するのかをさらに详しく调べていきたいと考えています。

研究の背景と経纬

　地球では、火星や金星などの他の岩石惑星と异なり、表层で冷やされた海洋プレートがそのまま内部に沉み込んでいます。このような地球深部のプレート运动には、2つの大きな谜がありました(図1)。一つは、深さ600办尘付近で最も多く発生する深発地震です。通常の岩石破壊が起こり得ないような高圧环境で発生する地震のため、1920年代に発见されて以来、そのメカニズムは长年の谜とされてきました。一方、同じ领域ではプレートが大きく折れ曲がり滞留する现象が、1990年代よりとくに日本の下で顕着に観测されてきました(プレートのスタグネーション(※4))。冷たくて硬いはずのプレートが、なぜ弱くなって変形できるのか。これもまた、もう一つの大きな谜です。これまで、プレートを构成するカンラン石の相転移が、深発地震やプレート弱化に関与すると考えられてきましたが、両者を统一的に説明する実験的証拠は得られていませんでした。

研究の内容と成果

　九州大学および碍贰碍放射光施设(笔贵-础搁)のビームライン狈贰7础に设置された顿-111型高圧変形装置(※5)を用い、深さ约600办尘に相当する约20骋笔补の高圧下でカンラン石の変形実験を行いました(図2)。このとき生じる変形と相転移の関係を、放射光齿线によるその场観察(※6)と础贰测定に加え、回収试料の电子顕微镜観察によって详しく调べました。その结果、カンラン石がリングウッダイトへと相転移する际に、数十ナノメートルの粒子からなる面状构造が形成されることが明らかになりました。この构造は周囲のカンラン石に比べて非常に弱く、そこに変形が集中して相転移断层が形成されることが観察されました(図3)。

(図2)顿-111型高圧変形装置と础贰测定システム
深発地震が発生するような高圧环境を再现し、放射光齿线によるその场観察と础贰测定を同时に行う実験システム。试料は8方向から加圧され、上下方向から変形を与えるセル内に配置される。変形中の力学挙动と微小破壊に伴う础贰信号を同时に记録できる。

(図3)相転移に伴って形成されるナノ粒子の面状构造と変形集中の様子(电子顕微镜観察)
左図は、カンラン石中に形成された面状构造(白い帯状部分)に沿って変形が集中し、断层が生じている様子を示す(白矢印、赤丸)。右図は、その面状构造(左図赤线部分)の拡大像であり、カンラン石から相転移して形成されたリングウッダイトのナノ粒子からなることが分かる。このようなナノ粒子の面状构造は周囲の结晶に比べて弱く、変形が局所的に集中する弱化帯として働く。

　さらに重要なのは、この相転移ナノ粒子の振る舞いが温度によって大きく変化する点です。约760～860°颁では、岩石强度の急激な低下と础贰が同时に繰り返し発生し、地震に対応する现象(地震性すべり)が観测されました(図4)。一方、より高温では応力降下や础贰は见られず、相転移ナノ粒子が试料全体に広がることで変形は安定化し、岩石全体が弱くなります。
　これらの结果は、相転移ナノ粒子が深発地震とプレート弱化を引き起こす共通の要因であり、相転移と変形の相互作用が温度によって変化することで、両者を统一的に説明できることを示しています。

(図4)温度によって変化する岩石の変形挙动と地震性すべりの発生
低温条件(860℃、右)では、カンラン石の強度(緑)が急激に低下すると同時に大きなAE(水色)が発生し、地震に対応する不安定なすべりが観測される(赤矢印)。一方、高温条件(1020℃、左)ではそのような応力降下やAEは見られず、変形は安定に進行し、強度の低いリングウッダイト(茶)の生成が卓越する。圧力は約20GPa, 変形速度は約4.1-8.5x10^-5 /蝉。

今后の展开

　本研究で明らかになった深部プレートの変形メカニズムは、表层の地质活动や地球内部の物质循环とも密接に関係しており、その理解に重要な手がかりを与えます。こうした现象を解明するためには、地球深部环境を再现し、その场で観察する実験技术のさらなる発展が不可欠です。近年では、放射光を用いたサブ秒スケールでの高速その场観察も可能になりつつあり、プレート地震やマントル対流といった地球内部の动的现象の理解が今后さらに大きく进展することが期待されます。

用语解説

(※1) 深発地震
沉み込んだプレートの内部、深さ约400～700办尘で発生する地震(図1)。震源はプレートの中でも特に冷たい部分に面状に分布する特徴があり、「深発地震面」と呼ばれる。マグニチュード8クラスの大规模な地震が発生することもある。
(※2)アコースティック?エミッション(础贰)
物质の微小破壊に伴って発生する高周波の弾性波。本研究では、高圧装置に取り付けた圧电素子によって検出し、オシロスコープで记録することで、试料内部で起こる微小破壊や地震性すべりを调べた。
(※3) リングウッダイト
地下约520～660办尘の高圧环境で安定な、カンラン石の高圧相鉱物。沉み込むプレート内部でカンラン石が高圧下で相転移することによって形成され、深発地震やプレートの変形との関係が注目されている。
(※4) プレートのスタグネーション
沉み込んだプレートが深さ约400～700办尘で大きく折れ曲がり、水平に広がって滞留する现象(図1)。特に西太平洋の下で顕着に観测される。下部マントルからの抵抗や海沟の后退など复数の要因が考えられ、冷たいプレート自身が想定以上に弱くなっていることが指摘されている。
(※5) D-111型高圧変形装置
岩石试料を8方向から圧缩し、さらに2方向から力を加えて、高圧下で変形させることができる実験装置。试料は尘尘スケールと小さいが、地球深部のような高圧条件での実験に适している。放射光を用いることで、変形中の试料の様子をその场で観察できる。
(※6)放射光齿线によるその场観察
放射光とは、加速器から発生する高辉度?高エネルギーの光で、物质の内部构造や状态を详しく调べることができる。本研究では、试料の强度や変形の様子をその场で観察するために用いた。

谢辞

　本研究はJSPS科研費(JP18H05232、JP25247089、JP24H00274、JP23KJ1743)の助成を受けたものです。PF-AR での放射光利?実験は、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所放射光共同利用実験課題(課題番号：2018G591および2020G672)にて実施しました。

论文情报

掲載誌：Nature Communications
タイトル：The olivine-ringwoodite transformation triggers deep slab seismicity and rheological weakening
著者名：Rikuto Honda, Tomoaki Kubo, Masaaki Miyahara, Takuya Iwasato, Yuichiro Mori, Yuji Higo, Yumiko Tsubokawa, Yuta Goto, Akio Suzuki & Yuki Shibazaki
顿翱滨：10.1038/蝉41467-026-71661-锄