日本の古代の岩石から、強い地震が津波を引き起こす潜在的なメカニズムが明らかに 地震の断層は一瞬で水のように流動化

要約:

地震が発生すると、地下の岩石層の間に大きな摩擦と応力変化が発生します。科学者たちは長い間、不可解な現象を説明しようとしてきました。なぜ特定の大地震が発生すると、海底断層が非常に短時間で数十メートルも滑り、さらには非常に破壊的な津波を引き起こす可能性があるのでしょうか?

日本の大阪公立大学の研究チームによる最新の研究は、この問題について新たな説明を提供する可能性があります。研究者らは、日本の房総半島で約1500万年前に形成された、珍しい地質構造を保存する古代断層岩を発見した。分析の結果、強い地震の際に、断層内の粘土が急激な変化を経験した可能性があり、その粘度はかつては水のレベルに近かったため、もともとしっかりと絡み合っていた岩層が突然、液体潤滑に似た状態を形成したことが示された。

これは、地震断層が固体同士の摩擦によって常に動くわけではないことを意味します。特定の条件下では、断層内の物質が急速に流動化し、滑りに対する抵抗が大幅に低下する可能性があります。

この研究は、大阪公立大学の広野哲郎教授が主導しました。研究チームは房総半島に露出した古代の岩石を詳しく調査した。これらの岩石は、約 1,500 万年前に海底環境で形成されました。古代の地震断層の 1 つは、異常に明白な波状で湾曲した岩層と、流体の渦に似た複雑な構造を保存しています。

研究者らは、これらの構造は乱流のような特徴を持っていると説明しています。通常、岩石断層内の物質は長期間の地質過程で比較的安定した配列を形成しますが、今回発見された岩石層には、あたかも狭い空間で液体が急速に移動したかのような、明らかな流動の痕跡が見られます。

これらの構造がどのように形成されたかを解明するために、研究チームは流体力学の手法を使用して岩石層の形態を分析し、最終的には「熱加圧」と呼ばれる地質学的プロセスと関連付けました。

熱圧力は、地震断層の急速な滑りの際によく発生します。断層の両側の岩石が互いに相対的に突然移動すると、大きな摩擦により非常に短時間に大量の熱が発生します。岩石の内部には小さな穴がたくさんあり、そこには水分が含まれていることがよくあります。この水が摩擦熱により急速に加熱されると、細孔内の流体圧力が急激に上昇します。

水は岩石の内側に閉じ込められているため、圧力が時間内に解放されず、断層の両側の岩石間の摩擦抵抗が弱まります。摩擦抵抗が減少すると、断層の滑りがさらに加速し、より多くの熱が発生し、間隙圧力が上昇し続ける可能性があります。

このプロセスは正のフィードバックを形成する可能性があります。断層の滑りが速くなると、より多くの熱が発生します。水圧が高くなるほど、岩の間の摩擦抵抗は低くなります。抵抗が減少すると、断層はより大きな規模でスライドする可能性があります。

研究者らは、房総半島の古代の岩石に保存されている特別な構造は、この熱加圧プロセスによって残された地質学的証拠であると考えています。

広野哲郎教授は、研究チームの分析により、断層内部の物質の粘度が水位に近い可能性があることが示されたと述べた。この変化の大きさは驚くべきもので、もともと摩擦抵抗が高かった粘土材料が地震時に液体に近い状態に変化し、動的潤滑層として機能する可能性があることを意味します。

この現象が海底に近い浅い断層領域で発生すると、特に深刻な結果をもたらす可能性があります。断層抵抗の突然の低下により、岩石層は従来の予想をはるかに超えて大規模な変位を受ける可能性があり、その結果、海底全体の隆起または沈下が促進され、大量の海水が撹乱され、津波が形成されます。

2011 年 3 月、日本の東北地方でマグニチュード 9.1 の大地震が発生しました。地震は6分近く続いた。海底断層の大規模な滑りが発生し、最終的に壊滅的な津波を引き起こしました。この災害により多くの死傷者が発生し、福島第一原子力発電所での原子力事故が発生しました。

研究者らは、熱による過給が断層の摩擦抵抗の急激な減少を引き起こすメカニズムが、一部の大地震でこれほど巨大な海底変位が生じる理由を説明するのに役立つのではないかと考えている。しかし、これまでに発見された1,500万年前の岩石は、2011年の日本の東北地方太平洋沖地震でも同じ過程が起こったに違いないことを証明するものではない。それは、現代の地震の直接的な縮小ではなく、物理的証拠によって裏付けられた考えられるメカニズムを提供します。

この研究には、将来の地震と津波のリスク評価に潜在的な価値があります。

現在、地震リスク評価では通常、断層の位置、岩石構造、過去の地震記録、プレートの移動速度などの要素を総合的に考慮する必要があります。しかし、地震の瞬間に断層内の物質に起こる可能性のある物性変化を、必ずしも正確に予測モデルに組み込むことができるとは限りません。

科学者が、高温、高圧、および急速な滑り条件下でのさまざまな断層物質の粘性変化をより深く理解できれば、地震が発生したときに断層がどこまで移動する可能性があるか、また海底の変位がどのくらいの大きさになるかをより正確に推定できる可能性があります。

研究チームは、今回確立した解析手法を現代の活断層、特に大規模な津波を引き起こす可能性のある沈み込み帯の浅い断層に適用したいと考えている。

このタイプの断層は、あるプレートが別のプレートの下に潜り込む領域に位置し、世界最大級の地震や津波の多くが発生します。浅い断層は海底に直接近いため、そこで発生する大規模な滑りは海水により直接的な影響を与える可能性があります。

関連する研究結果は、2026 年 6 月 27 日にジャーナル「Scientific Reports」に掲載されました。論文のタイトルは「沈み込み帯の浅い断層物質は、地震中に乱流のような流れを示します」です。

この研究は、地震の物理的メカニズムにおける見落とされがちな関連性を明らかにしました。それは、断層が常に一定の摩擦特性を維持しているわけではないということです。極端な条件下では、内部材料が非常に短時間で急激に変化し、硬い固体の摩擦界面から液体潤滑に近い状態に変化することがあります。

この発見は、大地震が突然予期せぬ変位を引き起こす理由と、その結果生じる津波のリスクを評価する方法を理解するための新しい研究の方向性を提供します。