太陽系の岩石天体の一つとして地球を理解するには、塵から固体地球が形成されるまでの進化過程(Early Earth)、表層地殻から圧力360万気圧に達する地球中心核までの内部構造(Deep Earth)、そしてプレートテクトニクス型のマントル対流運動(Dynamic Earth)の解明が不可欠です。これらのいずれにも、地球深部の物質科学が深く関わっています。しかし地球深部から得られる直接的な物的証拠は非常に限られているため、深部環境を実験室で再現する高温高圧実験が重要となります。特にプレートテクトニクス型のマントル対流は、地球を特徴づける現象です。化学的不均質を保持した海洋プレートが、地球表層で冷却・含水化されたのちに、地球内部へ直接リサイクルされる点に、この対流モードの大きな特徴があります（図1）。この大規模な物質循環を支配する深部プレートの運動には、なお多くの謎が残されています。私たちの研究室では、その現象を支配する岩石・鉱物の物理過程を明らかにするため、地球深部環境を再現した実験研究を進めています。
そのために、地球下部マントルに相当する超高圧・高温変形場を再現できる特殊な実験装置 (図2)を開発し、深部岩石の反応や変形挙動を明らかにする実験研究を行っています。この装置の大きな特徴は、放射光を利用したその場観察が可能な点です。放射光とは加速器で発生する高輝度かつ指向性に優れた高エネルギーX線であり、高温高圧状態の試料を非破壊で直接観察することができます。極限環境下における岩石の反応や破壊・流動プロセスを理解するためには、九州大学における室内実験に加え、SPring-8などの大型放射光施設においてその場観察実験を行うことが不可欠です。
地球深部に沈み込むプレートに関する最大の謎の一つが、深さ約700kmまで起こる深発地震です(図1)。岩石が塑性流動するような超高圧環境において、なぜ断層運動による地震が発生するのか？ これまで、岩石の脱水反応や非平衡相転移をきっかけとして断層が形成されるという仮説（脱水脆性化や相転移断層形成）が提唱されてきましたが、その直接的な実証は未だ十分ではありません。我々は高圧変形実験装置(図2)に微小地震（アコースティック・エミッション: AE）を検出するシステムを組み込み、岩石反応に伴う破壊現象の発生メカニズムの解明に取り組んでいます(図3)。さらに、次世代放射光の高時空間分解能を活かした新しいその場観察技術を開発し、深発地震だけでなく、メガスラスト地震が発生する脆性―塑性転移領域における地震性すべりの解明にも挑戦しています。
沈み込むプレートは、地表からコアへ向かう過程で複数回の大変形を経験します。冷たくて硬いことが特徴のプレートが、どのように軟化して大変形を起こすのか？ これはマントル対流の様式(全マントル対流か二層マントル対流か)を考える上でも重要です。その鍵の一つが、岩石の細粒化です。岩石の粘性率は粒径に強く依存し、特に非平衡状態で相転移が起こると、粒径が数桁にわたって減少することで、岩石強度が著しく低下する可能性があります(超塑性流動現象)。また、水には岩石を軟化させる働きがあり、沈み込むプレートが運搬する水の影響も重要です（加水軟化現象）。私たちは、放射光を用いた高圧変形その場観察実験により、これらの軟化機構を直接的に実証し、地球深部におけるプレートの大変形とマントル対流を支配する物理過程の解明を目指しています。
我々は、“Dynamic Earth”に関する実験技術や物質科学を応用し、惑星氷のレオロジー(図4)や衝撃変成隕石で起こる非平衡相転移に関する実験研究も行っています。太陽系外縁部に存在する氷天体内部には通常の氷とは異なる結晶構造をもつ高圧氷が存在しますが、我々の研究により、そのような高圧氷は予想以上に流動しやすいことが明らかになってきました。また氷天体にはwater iceに加え、二酸化炭素などのnon water iceも存在していますが、それらがわずかに加わるだけで氷の粘性率が劇的に低下することがわかってきました。これら惑星氷特有のレオロジー的性質が、極低温環境下にある氷天体で活発なテクトニック活動が起こる要因の一つと考えられます。また、隕石中に記録された非平衡相転移挙動を高圧実験によって再現・解読することで、惑星形成初期における天体衝突プロセスの時間スケールや衝突天体の大きさなどの制約にも取り組んでいます。
このように我々の研究室では、独自の高温高圧実験技術を駆使し、惑星深部物質のカイネティクスとレオロジーに着目した研究を進めています。そして、地球をはじめとする惑星内部で起こる様々な動的現象を、物質科学に基づいて解き明かすことを目指しています。