【研究のポイント】
・「深発地震」は多大な被害を引き起こすこともあるが、その発生メカニズムはよくわかっていなかった。
・世界で初めて、深発地震が発生する深さ約580 kmまでの圧力（約20万気圧）条件下でマントル鉱物（カンラン石）が変形・破壊する様子を、X線その場観察と微小破壊に伴って発生する超音波（AE）の測定により捉えた。
・この結果、カンラン石が変形する際に起きる、新鉱物ポワリエライトへの結晶構造変化で断層すべりが引き起こされ、深発地震発生に至ることがわかった。
・地球深部のプレートが激しい変形を被る場所ではカンラン石から新鉱物ポワリエライトへの「地震性の結晶構造変化」が起きやすいために、深発地震が頻発することが明らかとなった。

【研究の概要】
愛媛大学先端研究院地球深部ダイナミクス研究センター大学院生の松田光平（博士後期課程2年）、大内智博准教授と高輝度光科学研究センターの肥後祐司主幹研究員らの研究チームは、今まで不明だった深さ400～600kmで発生する「深発地震」の発生原因の解明につながる実験に成功しました。深発地震が発生する地下条件に相当する高温高圧下での地震発生モデル実験によって、カンラン石が変形する際に起きる、カンラン石特有の結晶構造変化（新鉱物ポワリエライトへの変化）によって断層が形成され、深発地震の発生に至ることを明らかにしました。特に小笠原諸島の地下へと沈み込む太平洋プレートは深部にて激しい変形を被っており、そこでは深発地震が多発していることが知られています。これは、本研究で発見されたカンラン石に特有の「地震性の結晶構造変化」で説明することができます。

私達が住む地表のプレート（厚さ約60km）はゆっくりと流れるマントルに浮いているため、マントルの流れと一緒に移動します。プレート同士が衝突したり、プレートが地下深くへ沈み込む過程で地震が発生します。地震は、その震源位置の深さや場所によって分類されます。地表付近（地下10～40km）で起きる浅い地震はプレートの境目や陸の直下で度々起きるため、津波を伴う地震や直下型地震を引き起こし、時にはマグニチュード8に達することもあるため大きな被害をもたらします。一方、『深発地震』は深さ300km以深の沈み込むプレート内部で起きる地震ですが、その発生頻度は高くはありません。しかし発生した場合にはマグニチュード7クラスに達する場合が多い上、『異常震域』（震源から遠く離れているにもかかわらず強い揺れを観測する場所）を伴うといった特異な性質で知られています。これはプレートは周囲のマントルよりも温度が低いために、地震波が伝わりやすい性質をもつことに由来します。深発地震が起きた場合では、震源に近い側の地表ではそれほど揺れず、震源からより遠い海溝側の地表がよく揺れることとなるためです。

また、深さとともに地震は起きにくくなるのが一般的ですが、深さ400～600kmでは深発地震の発生頻度が例外的に高くなっていることも知られています。そのため、カンラン石（プレートの中で最も多い鉱物）の結晶構造が圧力によって変化することがきっかけとなって、『深発地震』が起きると考えられてきました。これは、カンラン石は特定の圧力に達すると結晶構造を変化させて別の鉱物となる性質をもつためです。マントル遷移層上部（410～470km）ではワズレアイト、マントル遷移層下部（470～660km）ではリングウッダイトとなります。しかしこれらの結晶構造変化は熱エネルギーを要するため、1100℃以上の高温環境下でないと進行しません。よって、1000℃以下の比較的低温環境にあるプレート内部にて、そのようなカンラン石の結晶構造変化が起きるかどうかは自明ではありません。深さ400～600kmは13～21万気圧もの高圧環境下に相当するため、カンラン石を用いた再現実験は技術的に困難であり、深発地震の発生メカニズムは謎に包まれていました。

愛媛大学先端研究院地球深部ダイナミクス研究センター（GRC）大学院生の松田光平（博士後期課程2年）、大内智博准教授（松田の指導教員）と、高輝度光科学研究センターの肥後祐司主幹研究員らの研究グループは、深発地震が多発する深さ400～600kmのプレート内部に相当する温度圧力条件下（600～1050℃、15～20万気圧）でのカンラン石の変形実験を大型放射光施設SPring-8・BL04B1にて行いました。変形実験はマルチアンビル型高圧発生装置の一種である、D-DIA型変形装置を用いて行いました。6つのアンビルを大型のプレスで加圧し、中心に置かれた試料に高圧力を発生させ、その試料を上下方向から押しつぶして変形させた上に、さらに放射光X線を試料にあてることにより、試料にかかっている圧力、差応力、歪を測定することができます。この実験ではGRCで独自に開発した高圧力環境用の測定技術を用い、カンラン石試料を押しつぶした際に発生する『アコースティック・エミッション（AE）』という音波を検出することに成功しました。これは、実験中に試料の中に断層が形成されたこと、すなわち実際の深発地震が発生する温度条件下における実験での地震発生を人工的に達成したことの証明になります。

通常、地球深部では圧力の上昇によって結晶構造を変化させ、ワズレアイトやリングウッダイトになります。しかし比較的温度の低い深部プレート内部ではカンラン石の結晶構造変化は容易に進行しません。しかしそのような深部プレート内部においてカンラン石が変形すると、カンラン石が変形する際にポワリエライトという別の鉱物（海洋開発研究機構の富岡博士によって隕石中から世界で初めて発見され、2021年に新鉱物として認定された）の結晶構造に一旦変化してから、リングウッダイトに変化することが本研究によって明らかとなりました（図1）。この結晶構造変化の際には、結晶の周囲に多量の熱エネルギーが放出される（図2）ため、局所的な強度低下が引き起こされます。その結果、断層形成と地震が引き起こされる（図1）ことも明らかとなりました。なおポワリエライトは、ワズレアイトとリングウッダイトの中間的な結晶構造をもつ鉱物であり、フランスのポアリエ教授らの研究グループによってその存在が理論的に予測されていました。カンラン石からポワリエライトへの結晶構造変化は高圧力だけでは進行せず、14万気圧以上の高圧環境下での「カンラン石の変形」が必要となります。カンラン石からポワリエライトへの結晶構造変化は変形のエネルギーによって進行するため、理論上では室温のような低温環境でも進行しうるといった特異な性質をもっています。

本研究によって世界で初めて確認された『カンラン石からポワリエライトへの結晶構造変化』は変形によって促進されるといった“特異性”をもちます。小笠原諸島の地下へ沈み込むプレートのうち、激しい変形を被る場所では深発地震が頻発していることが知られていますが（図3）、これはカンラン石に特有の性質ともいえる、『地震性の結晶構造変化』が変形によって促進されることに由来します。沈み込んだプレートの形状は地震観測網によって捉えることができるため、プレートの変形が激しい地域を集中的に監視することで、深発地震の発生時期・発生頻度・規模などをモデル化していく上での手掛かりが得られるものと期待されます。

論文情報

掲載誌：Science Advances, 8 Apr 2026 Vol 12, Issue 15
題名：Faulting triggered by a quasi-diffusionless shear transition of olivine in deep subducted slabs
　　　（邦訳：カンラン石の準無拡散相転移によって起きる深部断層すべりを放射光その場観察実験によって再現）
著者：Kohei Matsuda（松田光平），Tomohiro Ohuchi（大内智博）, Sayako Inoué （井上紗綾子），Yuji Higo（肥後祐司）, Noriyoshi Tsujino（辻野典秀）, Sho Kakizawa（柿澤翔）, Takeshi Sakai（境毅）
DOI：10.1126/sciadv.adu5181

助成金等

• 日本学術振興会科学研究費補助金 課題番号：23H00147, 25KJ1894
• 公益財団法人深田地質研究所　深田研究助成
• 一般財団法人せこ記念財団

図表等

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  図1．15.4万気圧、850℃の実験環境下にて上下方向からカンラン石試料を押しつぶした際に形成された断層

  いずれも電子顕微鏡で撮影。左側：試料全体の写真。試料を横断する断層（赤破線）が見られる。右側：カンラン石の結晶構造が変形することで生成したポワリエライト。図右下は当該結晶がポワリエライトであることを示す、電子線回折パターン像。100ミクロンは1ミリの10分の1。100ナノメートルは1ミリの1万分の1。

  credit : 大内智博
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  図2．深発地震の発生メカニズムの概要

  15万気圧程度の高圧力環境下でカンラン石が変形する際に、変形が結晶の一部分に集中する（左図）ことでポワリエライトへと結晶構造が変化する（中央図）。さらにポワリエライトがリングウッダイトへと結晶構造を変化する際に熱が放出される（右図）ことで、断層形成と地震発生に至る。

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  図3．列島下に沈み込むプレートと深発地震の概念図

  マントル深部へと沈み込んだプレートが折れ曲がる場所（激しい変形を被る場所）では、深発地震が多発することが知られている。本研究の結果より、そのような場所では「カンラン石からポワリエライトへの結晶構造変化」が促進されるため、断層形成及び地震発生が多発しているものと考えられる。

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