地球上部マントルの穏やか〜激しい可塑変形

なぜ地球深部の岩石は常に滑らかに流れないのか

私たちの足元のはるか下、地球のマントルは高温の固体岩石でできており、数百万年にわたってゆっくりとクリープして大陸の移動を駆動しています。この緩やかな流れは通常、冷たいハチミツのように滑らかで安定していると描かれます。本稿で要約する論文はその図式に異議を唱えます。研究者らが実験室でマントル鉱物の極小領域を調べたところ、いかにも固体でゆっくり動いているように見える岩石でさえ、突然の微視的な爆発的変形を伴うことが明らかになりました。こうした隠れた衝撃は、深部地震や内部で起きる予想外の滑りを説明する手がかりになるかもしれません。

穏やかな流れから突然の衝撃へ

数十年にわたり、地球物理学者は上部マントルの変形は主に連続的でほとんど変わらないクリープによると考えてきました。プレート運動や地震後の緩和の大規模測定は滑らかで徐々に進む動きを示し、この見方を支持します。しかし材料科学の研究は、金属や氷、その他の結晶でより多様な挙動が存在することを明らかにしてきました。均一に流れるのではなく、多くの物質は断続的に変形し、内部ひずみの短い急増—転位アバランチと呼ばれる—を伴います。ほぼ安定した「穏やかな（mild）」挙動から非常にぎくしゃくした「激しい（wild）」挙動までの幅を、mild-to-wild plasticity（穏やか〜激しい可塑性）と呼びます。本研究は、地球の主要なマントル鉱物であるオリビンがこのスペクトルのどこに位置するかを問います。

マントル岩の微小領域を突く

著者らはオリビン単結晶に対する一連のナノインデンテーション実験を再検討しました。これらの試験では、非常に小さく丸い先端を持つダイヤモンドチップを結晶に押し当て、器機が試料の反力と表面の沈み込みを記録します。最初は弾性的な応答で、荷重を除けば結晶は元に戻ります。次に、鋭い「ポップイン」が永久変形の開始を示します。その後、インデントは深くなり結晶は塑性変形します。研究チームは、この後半段階に注目し、一見滑らかな塑性流動が本当に小さな突然の変位ジャンプを隠していないかを調べました。

微視的アバランチの検出

何百もの荷重–変位曲線を解析したところ、ほとんどの試験に多くの小さな急増—インデント深さの急速なジャンプが背景ノイズを上回って現れる—が含まれていることが分かりました。これらの急増は典型的には数ナノメートル程度に過ぎませんが、個々の測定区間内で発生しており極めて速い事象であることを示していました。統計解析では、それらの大きさが対数正規分布に従うことが示され、これは多くの転位（結晶内部の線状欠陥）が独立に動くのではなく相関してアバランチを起こす場合に予想されるパターンです。インデンテーションデータを応力–ひずみ推定に変換する手法を用い、著者らは最初のポップイン後にこの実験で生じた総塑性ひずみの約4〜12%がこうした急発によって運ばれたと計算しました。全体として室温のオリビンは主に穏やかに振る舞いますが、測定可能な「激しい」成分を含んでいます。

実験室から地球深部へのスケーリング

これらの発見をマントルに結び付けるため、研究は野生性（wildness）を観測領域の大きさと転位運動への内部抵抗という2つの主要因に関連付ける理論的枠組みを用いています。試料が大きいか転位運動に対する障壁が強い場合、多数の小さなアバランチが混ざり合って一見滑らかな信号—穏やかな可塑性—を作ります。領域が小さいか抵抗が弱い場合、個々のアバランチが支配的になり—激しい可塑性—となります。オリビンの測定値と流動則は、地球の冷たく強いリソスフェリック上部マントルでは抵抗が高く、ほとんどのスケールで可塑性は穏やかに保たれることを示唆します。対照的に、より高温で抵抗が弱い下部のアセノスフェアでは、同じ枠組みは非常に激しい挙動を予測し、粒界スケールまでの変形が連続的なクリープではなく断続的なアバランチによって主に運ばれると示唆します。

隠れた急発と地球の不可解な深部滑り

これらの結果は深さとともに遷移があることを示唆します：浅い上部マントルでは主に滑らかな穏やかな可塑性から、より深部では高度に断続的で激しい可塑性へと変わる、というものです。人工衛星やGPS局から見ると、深部のこの挙動は依然として滑らかに見えます。なぜなら無数の粒界スケールのアバランチが広大な距離と長い時間で平均化されるからです。しかし、収束帯や延性すべり帯など局所的にひずみ速度が高い場所では、転位運動の急発が大規模な不安定化を引き起こしたり増幅したりして、深部地震やスロー・スリップ事象を助長する可能性があります。簡潔に言えば、本研究は一見穏やかでクリープするマントルが実は微視的な「岩石地震」で満ちているかもしれないことを示しており、この隠れた“野生性”が固体地球が静かに流れずに突然破綻する理由の重要な欠落要素である可能性を示しています。

引用: Wallis, D., Kumamoto, K.M. & Breithaupt, T. Mild-to-wild plasticity of Earth’s upper mantle. Nat. Geosci. 19, 339–344 (2026). https://doi.org/10.1038/s41561-026-01920-7

キーワード: 上部マントル, オリビン, 可塑性, 転位アバランチ, アセノスフェア