花崗岩せん断帯の非晶質SiO2中における石英の多孔性

地表下深くに潜む空洞

地表下深く、何百万年もの間ゆっくりと流動する岩石の中で、微小な空隙が地殻の破壊や移動、流体の流路を静かに変えることがあります。本研究はギリシャ・ナクソス島の石英豊富な岩石を詳しく調べ、無数の微細な孔が長年考えられてきた単純な「溶解」によってではなく、より驚くべき経路を通って形成されることを示します。すなわち、応力によって石英の一部がガラス状の非晶質状態に変わり、そこから閉じ込められた流体が後に放出されるという過程です。こうした隠れた空洞は鉱床の濃集や地震の発生場所・様式にまで影響を与える可能性があります。

固い岩石世界の微小空隙

地質学者は1世紀以上にわたり、変形した石英豊富な岩石にはマイクロメートル〜ナノメートルサイズの孔がしばしば含まれ、それらの多くは鋭いピラミッド状の輪郭を持つことを知ってきました。これらの岩石は中〜下部地殻のせん断帯に由来し、そこでは温度が高く岩石は冷たいガラスのように割れるのではなく、温かいプラスチックのように変形します。粒界や微細な内部“サブ構造”に沿って生じた孔は微小な配管の役割を果たし、流体を収容し、岩石の強度に影響を与え、金属の移動を集中させる可能性があります。これまで多くの研究者は、こうした孔は変形中に格子欠陥である転位の跡に沿って反応性流体が石英を溶解することで刻まれたものだと考えてきました。

エーゲ海の天然実験場

著者らは自然が作った実験場に目を向けました：ナクソス西部の中新世花崗岩で、中央キクラデス下降断裂として知られる大規模な伸張断層の下で変形を受けたものです。花崗岩が数キロメートルの深さから引き上げられる過程で、ほぼ融点近くから約350°Cまで冷却されつつせん断を受けました。この履歴は、激しい粒界移動から小さなサブグレインの回転へ、さらに粒界すべりがひずみを受け入れるという進行を記録した、ほぼ純粋な石英帯を生みました。これらの石英豊富なせん断帯は様々な形状・サイズの孔に満ちており、自然下でどのように多孔性が形成されるかを検証するのに理想的な場所です。

三次元かつナノスケールで観る

電子後方散乱回折法を用いて、チームは石英の結晶方位をマッピングし、観察された格子の曲げに必要な転位の数を推定しました。サブグレイン境界に沿って高い転位密度が予測されましたが、多くの孔が2次元では明らかな転位密集構造と交差しない境界上に位置していることも指摘しました。次に、集束イオンビーム技術を使って研究者らはナノメートル解像度で三次元ボリュームを切り出して再構築しました。これらの3D像は、境界痕跡に沿って配列した細長いピラミッド状の穴や、境界に対して対称的な“パンケーキ状”の面を持つ孔の両方を明らかにし、孤立した転位線の単純な腐食とは整合しない形状を示しました。重要なのは透過型電子顕微鏡で、多くの孔を伴う境界が約50ナノメートル厚の非晶質SiO2の被膜で覆われていることが示された点です—化学組成としては石英だが構造的にはガラス状で、その中に角張った孔が凍ったシロップ中の気泡のように存在していました。

結晶をガラス化させる応力

これらの観察は、平衡から大きく外れた攻撃的な流体によって孔が刻まれたという古典的な図式に疑問を投げかけます。代わりに著者らは、石英粒子が塑性変形すると内部から水分やその他の揮発物が粒界やサブグレイン境界へ押し出されると主張します。応力が集中して通常の結晶塑性が追いつかなくなる場所では、石英は局所的に秩序だった構造を失い、非晶質SiO2となります。このガラス状被膜は周囲の結晶よりもはるかに多くの溶存流体を保持できます。応力が後に低下すると—粒界が十分に潤滑されてすべりが始まるか、または石英が再結晶するために—応力を受けた非晶質層は不安定になり、微小な気泡として流体を放出します。これらの気泡は合体・成長し、最終的には結晶内へ押し込み、石英の内部ジオメトリに支配された形状をとるようになり、ピラミッド状や面を持つ孔を生み出します。

これらの微孔が重要な理由

簡潔に言えば、本研究は地殻深部で応力が一時的に石英の薄い層を「溶かして」ガラス状にし、流体を吸収してから応力緩和時に孔として吐き出すことがあり得ることを示します。こうして生まれた応力由来の空洞は連結してネットワークを形成し、岩石を弱め、断層を潤滑し、せん断帯を通して流体をポンプすることができます。非晶質SiO2は比較的軟らかく水の優れた溶媒でもあるため、応力の蓄積・非晶化・流体放出の繰り返しは変形を局在化させ、流動しているはずの地殻で脆性破壊を誘発する助けとなり得ます。したがって本研究は、一見固い石英を動的で部分的にガラス化する材料として再定義し、その隠れた多孔性が深部で変形する地殻の形作りに静かで強力な役割を果たしていることを示しています。

引用: Précigout, J., Prigent, C., McGill, G. et al. Quartz porosity in amorphous SiO₂ of granitic shear bands. Sci Rep 16, 6996 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37576-x

キーワード: 石英の多孔性, 非晶質ケイ素, 深部地殻のせん断帯, 応力誘起の非晶化, 流体—岩石相互作用