Slow地震と巨大地震の関係の解明に期待

2026年1月21日
早稲田大学
東京大学
東京学芸大学

蛇紋岩は「非地震性すべり」を暗示 Slow地震と巨大地震の関係の解明に期待

詳細は早稲田大学HPをご覧ください。

【発表のポイント】

●四国の別子・白髪山地域から採取された蛇紋岩※1を使って、地球内部のプレート境界での蛇紋岩の変形機構の解明を試みました。

●蛇紋岩の主要構成鉱物であるアンチゴライト※2が粒界すべり※3と呼ばれる変形機構で変形していることを明らかにしました。これは、プレート境界で蛇紋岩の変形が、地震波をほとんど発生せず有感地震を伴わない「非地震性すべり」※4の挙動であることを示唆します。

●近年、巨大地震との関連が期待されるSlow地震※5を物質科学的な側面からよく理解するために、本研究成果が貢献する可能性があります。

早稲田大学教育・総合科学学術院准教授 兼 東京大学大学院理学系研究科客員共同研究員（本論文執筆開始時：東京学芸大学教育学部講師、現在：同学部非常勤講師）の永冶 方敬（ながや たかよし）と、東京大学大学院理学系研究科教授のウォリス サイモンの研究グループは、沈み込み帯※6のプレート境界から上昇してきた蛇紋岩を解析し、蛇紋岩の主要な構成鉱物であるアンチゴライトが、その結晶粒子の形を大きく変えることなく、粒子の境界（粒界）ですべりながら回転することで、蛇紋岩全体が変形することを明らかにしました。

本研究により明らかになった変形様式（アンチゴライトの粒界すべり）による蛇紋岩の変形は、これまで提案されてきた転位クリープ※7と呼ばれる変形機構と同様に、沈み込み帯の「非地震性すべり」と整合的な振る舞いをすることが予想されます。これは、プレート境界で蛇紋岩がいずれの深さにおいても「非地震性すべり」の挙動をすることを示唆しており、Slow地震と巨大地震の関係理解において、重要な前提情報となります。

本研究成果は国際学術誌「Progress in Earth and Planetary Science」に2026年1月21日（水）に掲載されました。 論文名： Grain boundary sliding as a formation mechanism for the crystal preferred orientation of antigorite: the formation and development of B-type antigorite CPO patterns 

図１：沈み込み帯プレート境界において大陸プレート側の上部マントル(ウェッジマントル)に分布する蛇紋岩について、本研究により明らかになった変形の概要図（アンチゴライトの変形機構とつくられる結晶軸の配列パターン）

（１）これまでの研究で分かっていたこと

地球の表層は十数枚のプレートで覆われています。中でも日本列島を含む世界中の沈み込み帯と呼ばれる地域では、プレートが互いに近づき、重い海洋プレートが地球内部へ沈み込んでいます。これらの2つのプレートが接するプレート境界をはじめ、沈み込み帯は地震が頻発する地域と知られています。沈み込み帯の地震現象では特に近年、水が重要な役割を果たしていることが強調されており、地震発生領域における各諸現象に水が与える影響の調査が続けられています。

ウェッジマントル※8と呼ばれる、沈み込む海洋プレートの上盤側のマントル上部は、一般的にかんらん岩※9で構成されますが、かんらん岩に水が供給されることで、ウェッジマントルでは蛇紋岩への変化が広く生じていると考えられています。

かんらん岩から蛇紋岩への変化の実態は、化学反応によって岩石を構成する鉱物の種類が変わることを意味します。鉱物は変形のしやすさなど物理的性質（物性）がそれぞれ異なるため、蛇紋岩への変化によって岩石の物性も大きく変わると予想されます。しかし、かんらん岩の変形機構については長い研究の歴史がある一方、蛇紋岩の変形機構については研究途上です。そのため現在、蛇紋岩は沈み込み帯のプレート境界での地震発生帯の物性を理解する上で、重要な研究対象の一つになっています。

地表より地球内部にある沈み込み帯のプレート境界は比較的高温下にあります。一般的に高温下では鉱物は競合する変形機構の中で、転位クリープと呼ばれる変形機構が卓越する傾向があり、蛇紋岩の主要鉱物であるアンチゴライトでも同様に転位クリープによる変形が支配的であることが提案されています。この転位クリープでは、鉱物のような結晶粒子は形を変えながら、割れずにゆっくり変形します。また変形が進行するにつれて鉱物の粒子形状やサイズの変化に加えて、結晶の向きがそろう結晶軸定向配列（CPO）※10が生じることが知られています。

転位クリープによるアンチゴライトの変形では、剪断される方向に結晶軸のa軸が並行に配列したAタイプと呼ばれるCPOパターン（図１）が形成されることが報告されています。しかし、自然界ではAタイプの他にも複数のアンチゴライトのCPOパターンが形成することが知られており、アンチゴライトCPOの各タイプがどのようにできるのか、その形成機構は解明されていません。

（２）新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、そのために新しく開発した手法

本研究では、蛇紋岩中の主要鉱物のアンチゴライトが沈み込み帯のプレート境界で、どのようにCPOを形成するのかを明らかにすることを目的としました。

四国・三波川変成帯に分布するウェッジマントル由来の蛇紋岩中に発達する小規模な剪断帯※11に着目しました。剪断帯では、外側から中心部に向かって変形の程度が連続的に変化するため、単一の変形過程に伴う組織変化を詳細に追跡することが可能です。

このアンチゴライトの剪断帯の微細組織を電子後方散乱回折法（EBSD）※12によって解析した結果、剪断帯の内外で粒子形状やサイズに大きな変化は生じていないことが分かりました。これは転位クリープの特徴とは合致しません。そのため、転位クリープ以外の変形機構の存在を検討するため、変形した岩石の中の鉱物の向きを説明するモデルの一つであるMarchモデル [1] の改良版 [2] を理論的に補強し、剪断帯での変形に拡張して適用しました。これらの機能拡張によって、Marchモデルから理論的に予測される粒子の向きを、実際に観察される剪断帯のアンチゴライト粒子の向きと比較することが可能になりました。これによって今回、アンチゴライトの変形機構を決定することができました。

最終的に、剪断帯の微細な変形組織の解析や理論モデルとの比較から、アンチゴライトでは粒子の形状やサイズは変わらずに、互いに粒子の境界ですべりながら回転し配列していく、「粒界すべりと機械的回転」が剪断帯で生じていたことが明らかになりました。この変形機構による剪断帯の形成過程を、岩石全体として見ると、破壊が生じることなく、岩石にかかっていた応力が緩和されていったことになります。

さらに、アンチゴライトの結晶の向きを解析した結果、剪断帯の中心に向かって変形の程度が強くなるにつれて、剪断される方向に結晶軸のb軸が並行に配列したBタイプと呼ばれるCPOパターン（図１）が、形成・強化されていることも明らかになりました。これまでの先行研究から、このBタイプのCPOパターンは世界中の多くの地域の蛇紋岩から報告される最も一般的なタイプであることがわかっています。そのため、粒界すべりと粒子の回転は、本研究と同様に、世界中の沈み込み帯でBタイプのCPOパターンを生じている、アンチゴライトの主要な変形機構であること示唆しています。また、この変形機構ではアンチゴライトで最も摩擦係数の低い結晶軸のb軸が剪断の方向に並ぶため、剪断変形が生じているプレート境界において地震波をほとんど伴わずに進行する「非地震性すべり」の挙動と整合的です。

（３）研究の波及効果や社会的影響

沈み込み帯では、各地で通常の有感地震に加えて、ゆっくりすべる「Slow地震」が観測されています。これらの地震現象やその相互関連を理解するためには、地震断層やその周辺の応力の蓄積・解放など地震の発生過程における物理的背景の解明が不可欠です。一方で、現在活動している地球内部の地震断層を直接観察することは困難です。しかし、かつて地球内部で実際に変形した岩石試料を手にすることで、地震現象解明の手がかりを物質科学的なアプローチから得られるかもしれません。

本研究は、かつてプレート境界で変形した蛇紋岩に見られる微細な組織から、地震発生領域で起きている断層すべりの様子を捉え、地下で進行する「静かなすべり」に迫った点に意義があると考えています。これは将来的に地震現象を解明するための基盤情報を提供しています。また地震波観測から推定される地球内部構造の解釈に新たな制約を与えるとともに、沈み込み帯の力学モデルの高度化に貢献します。

（４）課題、今後の展望

地球深部になるにつれて、粒界すべりによるBタイプから転位クリープによるAタイプへのアンチゴライトのCPOパターンの変化が予想されますが、この変形機構が切り替わる条件を明らかにするには、他地域の沈み込み帯も含め、さらなる蛇紋岩試料の比較と普遍性の検討を進める必要があります。

また、地球深部では高圧であるため粒子同士は強く密着しています。そのため、沈み込み帯で粒界すべりによる粒子の回転を可能にするには、かみ合って接している粒子の形状変化や、粒子同士のすべりで生じる空隙を埋めるプロセスといった補助的な変形過程の役割が、必要となる可能性があります。今後も、沈み込み帯での粒界すべりのメカニズムを完全に理解するために、さらなる検討を行います。

さらにSlow地震や、これに対比され基本的に有感地震となる通常の地震（Fast地震）、とりわけ巨大地震との関連を探るには、流体の移動や応力の状態など、アンチゴライトの変形以外の要素も含めた総合的な議論を慎重に進める必要があります。

（５）研究者のコメント

26年前の1999年にウォリスの指導学生がMarchモデルの改良を発表 [2] してから綿々と関連研究が引き継がれ、今回の研究テーマに永冶が加わったのが13年前の2012年、今回の研究の根幹となる結果を初めて学会で発表したのが8年前の2017年でした。それから検討・修正を重ね、今回の最終的な研究成果を論文として公表するに至るまで、他の基礎研究の例に漏れず長い年月を必要としましたが、これまでアメリカやヨーロッパでの学会をはじめ多くの機会で、分析結果とその解釈をめぐって世界中の研究者と幾度となく議論を交わしてきた思い入れのある研究です。

（６）用語解説

※1 蛇紋岩

主に地下深くのマントル上部を構成するかんらん岩が水と反応すること（蛇紋岩化）によってできる岩石。蛇紋岩化の過程では、かんらん岩を構成する鉱物と水が化学反応することによって蛇紋石と呼ばれる鉱物が生成されます。地表で蛇紋岩は崩れやすい岩石として知られ、地形に大きな影響を与えます。

※2 アンチゴライト

蛇紋石鉱物の一種で、マグネシウムを多く含む含水ケイ酸塩鉱物。蛇紋石鉱物の中でも、高温下で安定に存在できると考えられているため、地球内部では比較的深部の蛇紋岩を構成する主要な鉱物とされています。特徴的な波打つ層状の結晶構造を有しています。

※3 粒界すべり

鉱物粒子同士の境界で相対的なずれが生じることで、変形が進行するメカニズム。この過程では、鉱物粒子が回転したり、鉱物粒子の位置が再配置されたりすることで、岩石全体として破壊を伴わずに変形することがあります。変形の結果、岩石にかかる応力が緩和される場合があります。

※4 非地震性すべり

地震波の発生をほとんど伴わずに断層がすべる現象。有感地震のような強い揺れを引き起こしません。

※5 Slow地震

断層が長い時間をかけて（場合によっては数年にわたり）、ゆっくりとすべる地震現象の総称。人が地表で揺れを感じる通常の地震（有感地震）とは異なり、Slow地震による揺れは非常に弱く、体感することはほとんどありませんが、精密な地震計やGPS観測によって検出されます。沈み込み帯のプレート境界では、Slow地震の発生域が通常の有感地震の発生域に隣接して分布することが知られており、巨大地震との関係が注目されています。

※6 沈み込み帯

地球表層を覆う複数のプレートが互いに近づき、海洋プレートが地球内部へ沈み込む場所が帯状に連なった地域。

※7 転位クリープ

高温の地下深部で、結晶の内部の転位が少しずつずれ動くことで起こる、ゆっくりとした変形の仕組み。結晶の内部にある、転位と呼ばれる微小な欠陥が少しずつずれて移動することで、結晶粒子そのものが歪みます。岩石中の鉱物粒子でこのような転位よる粒子の歪みによって岩石全体として応力に対応した変形を生じさせます。この変形は比較的高温な条件で起こりやすく、岩石がゆっくり流れるように変形が進行するのが特徴です。

※8 ウェッジマントル

沈み込む海洋プレートの上側に位置するマントルの領域。一般的にはかんらん岩で構成されるが、かんらん岩に水が供給されることで蛇紋岩に変化すると考えられています。

※9 かんらん岩

主にかんらん石や直方輝石、単斜輝石から構成される超苦鉄質の岩石。地球内部のマントル上部を構成する主要な岩石とされています。地球表層の地殻を構成する火成岩類と比較して、マグネシウムや鉄に富み、ケイ素に乏しい化学組成の特徴を有しています。

※10 結晶軸定向配列（Crystal Preferred Orientation）

岩石中の鉱物でみられる結晶軸の特定の向きへの選択的な配列やそのパターン。岩石の物性に異方性(方向による違い)を生じさせることがあります。

※11 剪断帯

剪断変形が集中して起こった帯状の領域。剪断帯は、周辺の剪断変形が弱いあるいはほとんど生じていない領域から剪断帯中心に向かって変形の程度が強まっていく。これを利用して、物質の変形の進行過程を明らかにすることができます。

※12 電子後方散乱回折法（Electron Backscattered Diffraction）

電子線が試料に照射された際に、反射した散乱電子の回折パターンを用いて、結晶の種類や向きを同定・測定する手法。岩石中の鉱物微細組織の解析も可能にします。

（７）文献情報

[1] March A (1932) Mathematische Theorie der Regelung nach Korngestalt bei affiner Deformation. Zeitschrift für Kristallographie 81:285-297.

doi: 10.1524/zkri.1932.81.1.285.

[2] Makino T (1999) Structural analysis of deformation fabrics in rocks of the Sulu UHP metamorphic belt, Shandong peninsula, China. MSc thesis, Graduate School of Science, Kyoto University (in Japanese).

（８）論文情報

雑誌名：Progress in Earth and Planetary Science

論文名：Grain boundary sliding as a formation mechanism for the crystal preferred orientation of antigorite: the formation and development of B-type antigorite CPO patterns

執筆者名（所属機関名）：Takayoshi Nagaya*（早稲田大学／東京学芸大学／東京大学）、

Simon R. Wallis（東京大学）

掲載日時（日本時間）：2026年1月21日（水）

DOI：https://doi.org/10.1186/s40645-025-00790-8

（９）研究助成

研究費名：JSPS KAKENHI

研究課題名 (Grant Number)：

20K14575（研究代表者：永冶 方敬）、24K07187（研究代表者：永冶 方敬）、

20KK0079（研究代表者：Simon R. Wallis, 研究分担者 永冶 方敬）、

21H05202（研究代表者：山口 飛鳥 (東京大学), 研究分担者Simon R. Wallis, 研究協力者 永冶 方敬）