ロウソナイト・ブルーシュト域にある冷たいマントルウェッジの角での大型メガスラスト地震

深発地震が重要な理由

多くの人は地震を足元の浅い地殻破壊として想像します。しかし、地球上で最も強力な地震のいくつかは、深さ30マイル（約50キロメートル）以上の、温度と圧力が極端な領域で岩石が破壊されて発生します。本稿では、なぜ特定の沈み込み帯で異常に大きな地震が深部で起き得るのかを探り、海底堆積物が変成してできるある種類の岩相が鍵を握る可能性を示します。

大地震が通常止まる場所

日本沿岸や米国太平洋北西部など、多くのよく研究された沈み込み帯では、大型の「メガスラスト」地震はある深さまでにしか起きない傾向があります。おおむね350°C付近、あるいは地殻とマントルの境界あたりより深くなると、岩石は通常、大きな破壊を起こすほど脆くならず、滑らかに変形します。急激な破壊の代わりに、ゆっくりとしたクリープやスロースリップ、トレマーと呼ばれる弱い揺れが発生します。この深さの限界は、将来の地震や津波の規模を評価する際に重要な指標となってきました。

冷たい沈み込み帯での謎

ところが、いくつかの最近の地震はこの法則に反します。2021年のケルマデック（M8.1）地震や、チリ北部や日本海溝の深発M7クラスの地震は、通常の停止深度を大きく下回る場所、いわゆるマントルウェッジの角内で破壊しました。これらの領域は、下盤が上位のマントルの下に曲がり込む場所に位置し、比較的冷たい沈み込み帯で岩石が低温の「ブルーシュト」類に変成する環境です。そこで頻発する深発地震は、適切な条件下では深部のプレート境界の一部が意外に脆く、地震を起こしやすく振る舞えることを示唆しています。

変成した海底堆積物の詳細検討

この挙動を詳しく調べるために、著者らはメタグレイワックと呼ばれる岩石を試験しました。これは沈み込んだ海底堆積物が圧縮・加熱されてロウソナイト・ブルーシュト相になった一般的なタイプです。試料は古い沈み込み作用で地表に露出したカリフォルニアのサンタカタリナ島から採取されました。顕微鏡観察では、石英や長石に加え、ロウソナイト、クロライト、角閃石などを豊富に含む破片が混在しており、おおむね330°C、冷たい沈み込み環境で深さ約37キロメートルに相当する条件と一致しました。これにより、この試料は現在ケルマデックや日本海溝のような冷たいスラブで運ばれている物質の現実的な代替物といえます。

応力下での岩石の破壊様式

実験室では、研究チームはメタグレイワックを細粉にし、より強い岩塊の間に挟んで、温度・圧力・水分条件を制御した下でせん断しました。滑り速度を急に変化させ、そのときの抵抗の変化を追跡することで、材料が滑らかに滑る傾向があるか、あるいは不安定になって破壊に至りやすいかを判別しました。低温では、速度を上げると抵抗が増す「速度強化」的な挙動が主で、安定した挙動を示しました。温度がロウソナイト・ブルーシュト域に入ると、適度な法線応力下で「速度低下」領域に移行し、速度が増すほど抵抗が減って暴走的な滑りを促します。さらに高い圧力・温度では、材料はより延性に流れ始め、脆性破壊を起こしにくくなりました。

実際の断層との結びつけ

これらの測定結果を用いて、著者らはこの堆積岩が深さ・温度・滑り速度の広い範囲でどう応答するかをとらえる摩擦モデルを構築しました。次にそのモデルをケルマデック沈み込み帯と日本海溝の現実的な温度・圧力プロファイルに適用しました。計算結果は、ロウソナイトを含むメタ堆積物がプレート界面に存在する場所では、地殻・マントル境界の下にあっても広い深さ帯が不安定な速度低下状態のまま残ることを示唆します。この岩石挙動を用いた数値的な地震サイクルシミュレーションは、日本やケルマデックで観測されたような深部で繰り返す破壊を、類似の規模と深さで再現し、こうした岩相がマントルウェッジの角で大型メガスラスト地震を起こし得ることを示しています。

地震リスクへの含意

専門外の読者向けに言えば、重要なメッセージは、大型沈み込み帯地震の深さ限界は温度やマントルへの到達だけで一義的に決まるわけではないということです。プレート境界を取り巻く岩石の種類と、それらが沈み込み過程でどのように変質したかが強く影響します。ロウソナイトに富むメタ堆積物が界面に連続して形成される冷たい帯では、はるかに深い範囲にわたって脆性的で不安定な滑りが起こりやすくなります。これは、一部の海溝が予期せぬ深さと強さの地震を生む可能性があること、そしてプレート境界下に埋もれた岩石種類の把握がより正確な震災評価に不可欠であることを意味します。

引用: Zhang, H., Barbot, S., Yang, Z. et al. Large megathrust earthquakes in cold mantle wedge corners under lawsonite blueschist facies. Nat Commun 17, 4007 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70315-4

キーワード: 沈み込み帯メガスラスト, 深部地震, ロウソナイト・ブルーシュト, マントルウェッジ, 断層摩擦