中央日本の深発地震下にあるスラブの細かな構造と発震メカニズム

破壊が起こるはずのない場所での地震

ほとんどの地震は地表近くで発生し、冷たく脆い岩石が断裂することで起きます。しかし、地球上でも最も強い地震のいくつかは、数百キロメートルもの深さで発生します。そこでは熱や圧力が高く、岩石は破断するのではなく塑性変形して流れるはずです。本研究は中央日本の深部を詳しく調べ、沈み込む海洋プレートの隠れた構造を描き出すことで、鉱物の微妙な変化や水の痕跡がどのようにしてこれら不可解な深発地震を引き起こしているのかを明らかにします。

日本の深部に広がる活発な“近所”

中央日本は複数のプレートが衝突し互いに沈み込む地質学的な交差点に位置します。古く冷たい太平洋の海底が日本の下へと沈み込み、地球マントルへと落ち込む巨大なスラブを形成しています。日本は感度の高い地震計が広く配置され、高品質な地震記録が何十年にもわたって蓄積されているため、この領域は沈み込むスラブ内部で深発地震がどのように、どこで起きるかを研究する理想的な天然実験場です。

沈みゆくプレートの内部をのぞく

著者らは深さ300キロより深い572回の地震を、100を超える地震観測点で記録されたデータから解析しました。ダブルディファレンス・トモグラフィーと呼ばれる高度な画像化手法を用い、スラブを通過するさまざまな地震波の速度の違いを追跡しました。波速の変化は岩石の性質の違いを明らかにし、医療用CTが人体内部を示すように地下構造を浮かび上がらせます。新しい像は、深さおよそ330〜380キロにわたる太平洋スラブ内部に、上下の高速域に挟まれた顕著な低速帯があることを示しています。この三層構造は、従来のモデルが解像できたよりもずっと細かなものです。

遅延した転移の隠れた舌状領域

これらのパターンを解釈するにあたり、研究は上部マントルを支配する一般的な緑色の鉱物であるオリビンに着目します。高圧下ではオリビンはより高密度の相へと変化するはずですが、非常に冷たいスラブ内ではこの変化が遅れ、「平衡を失った」オリビンの核、すなわち準安定ウェッジが残ることがあります。トモグラフィーの結果はこの考えと合致しており、中間の低速層はオリビンが積極的に相変化を起こしている舌状の領域を示している可能性が高く、上下の層はより安定した鉱物相を含んでいます。波速の微妙な差は、この準安定域の周囲に少量の水が存在していることも示唆しており、これが極度の深さでも観察されます。

水、圧縮、そして暴走的破壊

チームは多数の地震の震源メカニズムを解析して、スラブがどのように圧縮や引張を受けているかも調べました。中間の深さではスラブは主に引張状態にあり、そこでの地震が水を含む鉱物の崩壊と関連するという従来の研究と整合します。しかし約300キロより深くなると応力状態は逆転し、スラブは長手方向に圧縮されます。著者らはこの深部で、準安定ウェッジの縁にある小さなオリビン領域が圧縮により突然高密度相へと崩壊し、「反割れ（アンチクラック）」を形成して連結して断層を作ると主張します。小規模な地震はウェッジの縁付近、つまり一部の含水鉱物が脱水してこの相変化を促進する場所で始まると考えられます。こうした破壊が成長すると、ウェッジの乾いた内部やさらに外側へと伝播し、より大きな深発地震を引き起こし得ます。

なぜこれらの深発地震が重要か

本研究は中央日本下の深発地震を、冷たい準安定オリビンウェッジ内での鉱物相変化と深部での脱水作用、そしてスラブにかかる応力状態の相互作用によって最もよく説明できると結論づけます。本成果はその隠れたウェッジと内部の層構造をこれまでで最も明瞭に描き出した例の一つを提供し、鉱物物性学、深部の水の存在、観測される地震パターンを結びつけます。詳細は他の沈み込み帯で異なるかもしれませんが、本研究は通常のルールならば曲がるだけのはずの場所で岩石がどのように破壊するのかという一般的な説明に科学者たちを近づけます。

引用: Zhang, X., Jiang, G., Zhao, D. et al. Fine slab structure and mechanism of deep earthquakes beneath central Japan. Commun Earth Environ 7, 256 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03280-x

キーワード: 深発地震, 沈み込み帯, 日本海溝, 準安定オリビンウェッジ, 地震トモグラフィ