波のはるか下、日本海溝の深部——海面下7キロメートル——には、地球上で最も強力な地震と津波に関する隠された手がかりがある。
2024年9月から12月にかけて、国際深海科学掘削計画（IODP）の第405次航海は、日本沖への4か月間のミッションに乗り出した。世界最大の科学掘削船「ちきゅう」に乗船した60名の科学者たちは、経験豊富な掘削技術者と協力して、海底下から深海堆積物コアを採取した。
科学者チームには、私のような堆積学者のほか、地球化学者、微古生物学者、構造地質学者、地球物理学者、古地磁気学者が含まれていた。私たちは、これまでに1回の航海だけが直接掘削したことのある断層帯を掘削した。IODP第405次航海——日本海溝における津波発生すべりの追跡（JTRACK）とも呼ばれる——は、この地域にアクセスする2回目の深部掘削ミッションである。
今回、私たちは壊滅的な2011年東北巨大地震の際に破壊された断層のデコルマ、つまり基底剥離面に到達し、サンプルを採取した。私たちは、このような強力な地震がどのように引き起こされるかを科学者がより良く理解するのに役立つコアを収集した。
国際深海科学掘削計画の第405次航海は、「ちきゅう」に乗船して日本沖への4か月間のミッションに乗り出した。
予想外のすべり
2011年3月11日、東北巨大地震が日本の北東沖で発生し、破滅的な津波を引き起こした。マグニチュード9.1のこの地震は、これまでに記録された最も強力な地震の一つであり、日本の近代史上最も死者数の多い自然災害となった。
18,000人以上が死亡した。地震は福島原子力発電所に深刻な被害を与え、推定2,350億米ドルの損害が発生した。科学者たちが驚いたのは地震の規模ではなく、それを引き起こした最大のプレートすべりの位置だった。それは地下深くではなく、海底直下の、プレート境界の最も浅い部分で起きていたのである。
破壊は日本海溝に沿って発生した。ここは太平洋プレートがオホーツクプレートの下に沈み込む場所である。それまで、沈み込み帯のこの浅い部分は、ゆっくりと静かにすべると考えられていた。
しかし東北地震では、海底を破壊する断層で50メートル以上のすべりが発生し、大量の水を移動させ、壊滅的な津波を発生させた。
断層への掘削
IODP 405次航海では、このような津波を可能にする条件を理解することを目指した。
日本海溝は、巨大な津波を引き起こす津波発生地震の基本的なプロセスを調査するための自然の実験室を提供している。
そのため、私たちは2011年地震の際に破壊されたまさにその領域であるプレート境界断層の深部まで掘削した。これは海底下800メートル以上を掘削し、断層自体に到達して岩石と堆積物のサンプルを回収することを意味した。
また、地震源での温度と流体圧力を監視するための長期観測装置を設置し、かつて歴史上最も強力な地震の一つを解き放った物質に閉じ込められた微細な信号を検出することを期待した。
コアの回収
「ちきゅう」船上では、24時間体制で作業が行われた。3時間ごとに新しいコアがデッキに到着した——地球の記憶の長い円筒形のアーカイブである。堆積学者として、私たちはすぐに作業に取りかかり、透明なライナーを懐中電灯で照らしながら、砂、火山灰、過去の地質学的イベントを示唆するものの痕跡を探した。
それぞれのコアは、何百万年にもわたって書かれた物語の一章を語っていた。層ごとに、断層、破砕、または変形した堆積物と岩石の連続が明らかになった。いくつかにはスメクタイト——断層に沿った摩擦を減少させることが知られている滑りやすい粘土鉱物——が含まれていた。これらはまさに、海底近くの浅い深さでもテクトニックプレートを容易にすべらせることができる種類の物質である——まさに津波を発生させる地震を引き起こす可能性のある環境である。
最もスリリングな瞬間の一つは、チャート層——深海堆積物から海洋地殻への移行を示す硬いガラス質の岩石——に到達したときだった。私たちはデコルマゾーン、つまり一つのテクトニックプレートが別のプレートの下に潜り込むまさにその境界に到達したのである。
実験室でコアを切り開くと、別のものが現れた。チョコレート、バニラ、キャラメルの豊かな色合いに彩られた、美しく帯状になったカラフルな粘土——地球深部での地質学的プロセスから作られた自然のパレットである。
新しいコアはそれぞれ、綿密に調整されたワークフローに入った。高解像度X線コンピュータ断層撮影でスキャンされ、物理的・化学的特性がテストされ、その後半分に分割された。片方は恒久的なアーカイブとして慎重に保存され、もう片方はさまざまな国や分野の科学者によって徹底的に調査され、サンプリングされた。
私の研究は、過去の地震と津波の堆積物シグネチャーに焦点を当てている。「ちきゅう」では、ホモゲナイト・タービダイトシーケンスと呼ばれる堆積物を探した。これらは地震が海底を揺さぶり、海底地すべり（タービダイト）を引き起こし、その後津波によってかき混ぜられた細かい粒子がゆっくりと降り積もる（ホモゲナイト）ときに形成される。これらのシーケンスは地質学的タイムカプセルであり、過去に巨大地震がどのくらいの頻度で発生したかを推定するのに役立つ。
断層の進化
「ちきゅう」は2011年地震直後に掘削された元のサイトに戻った。これにより、地球科学では稀なものが得られた。10年以上にわたって断層がどのように進化したかを観察する機会である。私たちは、この地域のこれまでのどれよりも深く、より高度な孔内観測装置を設置した。
JTRACK研究航海での観測装置の設置。
今後数年間、この装置は温度と流体の流れをリアルタイムで監視し、巨大逆断層の生きた動的な様子を見る窓を提供する。
このデータを使用して、科学者たちは数値モデルや実験を使用して地震条件をシミュレートし、これらの岩石が圧力下でどのように反応するかをテストする。彼らは断層内に閉じ込められた流体の化学を分析し、高度な検層ツールを使用して断層の内部構造の詳細な画像を構築する。
私のような他の研究者は、堆積記録に焦点を当て、過去のイベントを解読して地震と津波の頻度をよりよく理解する。
理解から備えへ
日本海溝は孤立したケースではない。チリからアラスカ、インドネシアまで、世界中の沈み込み帯は同様のリスクを抱えており、しばしば人口密集地域のすぐ沖合にある。そこでも浅いすべりが起こり得るなら、私たちの現在のモデルと準備戦略はそれに応じて進化しなければならない。
私たちの目標は、2011年東北地震がなぜ起きたかを理解するだけでなく、次の地震に備えるのを助けることだった。津波ハザード評価を改善し、巨大地震断層の挙動についての理解を深めることで、私たちは世界的なレジリエンスの構築に貢献している。
IODP第405次航海は、地震と津波科学にとって大きなマイルストーンとなる。今後数年間、新しい孔内観測装置からのデータは、実験室実験や堆積物分析とともに、これらの断層がどのように進化するか、そして将来の巨大逆断層地震の影響をどのようによりよく予測し軽減できるかについて、前例のない洞察を提供するだろう。