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
理学府博士課程３年（研究当時）／理学研究院
本田陸人／久保友明教授
ポイント
・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つの謎だった
・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見
・地球独自のプレート運動とマントル対流の理解に貢献
概要
地球深部に沈み込む海洋プレートでは、深さ400～700 km付近で「深発地震」と「プレートの弱化」という２つの相反する現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組みや、同時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つの現象が、鉱物の相転移に伴って形成されるナノ粒子の面状構造とその変形によって統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、広島大学大学院先進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600 kmに相当する約20 GPa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。
本田博士からひとこと
初めてAEと応力降下を同時に観測した瞬間は、本当に深発地震を実験室で再現できたのではないかと大きな驚きと興奮がありました。今後は、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詳しく調べていきたいと考えています。
用語解説
(※1) 深発地震
沈み込んだプレートの内部、深さ約400～700 km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クラスの大規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（AE）
物質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電素子によって検出し、オシロスコープで記録することで、試料内部で起こる微小破壊や地震性すべりを調べた。
(※3) リングウッダイト
地下約520～660 kmの高圧環境で安定な、カンラン石の高圧相鉱物。沈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。
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