我們將通過高溫高壓實驗再現深震現場的環境來闡明地震的產生過程

研究大綱

覆蓋我們生活的地球表面的數十個板塊（約60公里厚）正與下面的熱地幔一起移動。 當板塊相互碰撞並且板塊沉入地下深處時，就會發生地震。

地震根據震中位置的深度和位置進行分類（圖1）。 發生在地表附近（地下10~50公里）的淺層地震往往發生在板塊邊界或陸地正下方，引起地震，並伴有海嘯和直接地震。 另一方面，「深層地震」是發生在俯衝板塊內300公里或更深的地震，但它們發生的頻率較低。

然而，當它發生時，它通常達到7級，並以其獨特的特性而聞名，例如伴隨著「異常地震帶」。（即使遠離震中也能觀察到強烈震動的地方）。 此外，眾所周知，在400~600 km的深度，深地震的頻率異常高，儘管地震通常隨著深度的增加而降低。 因此，人們認為橄欖石（板塊和上地幔中最豐富的礦物）的晶體結構會因壓力而發生變化，從而引發深地震。 然而，由於400~600 km的深度對應於13~200,000個大氣壓的高壓環境，因此證明這一假設的實驗在技術上是困難的。

研究的特點

證明這一假設的最有效方法是在實驗室中通過實驗再現聲發射（AE），即小型深地震。 我的課題組在大型同步輻射設施SPring-8，在390~470 km深度的板塊內部對應的溫度和壓力條件下（600~1100°C，13~160,000個大氣壓）進行了橄欖石的變形實驗，並成功探測到AE。 這證明在實驗過程中樣品中形成了斷層，即實驗中地震的發生是在實際發生深地震的溫度條件下人為實現的。

對實驗樣品的同步輻射X射線觀察證實，橄欖石在一定溫度（約850°C）下，當晶體結構因壓力效應而發生變化時，會形成脆弱的納米顆粒層。 結果表明，變形的能量局部集中在脆弱層中，當該部分瞬間達到2400°C的極高溫度時，橄欖石熔化，導致斷層的形成和地震的發生，這是橄欖石強度下降的結果（圖2）。

本研究的結果與之前使用橄欖石類比材料的研究所做的預測一致，並暗示深層地震的發生僅限於板塊深處的特定位置（靠近稱為“亞穩態橄欖石楔形（MOW）”的區域表面：圖3）。 由於地震觀測網可以探測到MOW的存在，因此對該地區的密集監測有望為未來深地震的位置、頻率和震級建模提供線索。

研究的吸引力

不僅是深地震，還有發生在較淺地方的深地震，“它們發生的過程是什麼？”以及“是什麼觸發了它們？” 這樣的謎團還沒有完全解開。 由於引起地震的破壞過程是在亞秒~秒的短時間尺度上進行的，因此很難在實驗室中“沒有監督”地觀察到它。 此外，由於斷裂過程是在產生高溫高壓的壓力容器中進行的，因此不容易在沒有監督的情況下觀察到。 這種觀測技術一直被認為是不可行的，但將SPring-8的超強同步輻射X射線與專用高速相機相結合的技術創新使它成為現實。 如果闡明瞭地震發生過程的細節，我們也許能夠找到導致地震發生預測的線索。

給那些希望進行這項研究的人的資訊

每次地震發生時，您可能會在電視節目或雜誌文章中看到或聽到專家的評論，稱“地震預測不可行”。 但是，作為地震發生領域材料科學的專家，我認為現實情況是，我們甚至不知道地震的發生是否可以在目前的學術水平上預測。 該領域仍在發展中，有許多問題需要澄清。 乍一看似乎無法解決的難題，可以通過相關研究和技術開發的不斷積累來解決。 雖然需要毅力，但地震現場的材料科學是一個有益的研究領域。