地層圧縮で発生する「巨大なしわ」が地殻強度高めることを実験で実証

─地殻強度の定量化や地震リスク評価の有用な指標に─

【注目の成果：共同研究・産学連携のためのチェックポイント】

地層中にキロメートルスケールの大規模なキンク構造が形成されると周辺の強度を高め、地震の発生地点・規模にも影響を及ぼす可能性

【産学連携対象全学共通分野 Discovery Saga】

情報学環境学数物系科学工学

【Sagaキーワード】

オープンアクセス/地球科学/幾何学/火山活動/大陸地殻/地質学/材料科学/地震リスク/リスク評価

2025年9月29日 11:00

研究者情報

〇大学院理学研究科　地学専攻
教授　長濱裕幸（ながはまひろゆき）
大学院生　横山裕晃（よこやまひろあき）
研究所ウェブサイト

発表のポイント

地層が圧縮された時に形成されるしわ（キンク^（注¹^））が地殻^（注²^）の強度を高めることを初めて実験的に実証した。
強度を高めるキンクは、キンク境界がrank-1接続^（注^3）という幾何学的条件を満たす。
地層中にキロメートルスケールの大規模なキンク構造が形成されると周辺の強度を高め、地震の発生地点・規模にも影響を及ぼす可能性がある。

発表概要

フランス菓子ミルフィーユのような層状構造をもつ地層では、圧縮を受けると褶曲（しゅうきょく）と呼ばれるしわが形成されます。中でも局所的に折れ曲がる、キンクと呼ばれる構造が現れることがあります（図1）。近年、材料科学の分野では、層状構造を持つ材料が変形する過程で、キンク強化^（注4）と呼ばれる現象が生じることが報告されています。これは、キンクが形成されることで材料の強度が上昇する現象です。しかしながら、地質学の分野ではこれまでキンクの形成と強度に関して一貫した知見は得られておらず、キンクが形成されると地殻の強度は低下するという逆の考え方もありました。
東北大学大学院理学研究科地学専攻の長濱裕幸教授、武藤潤教授、横山裕晃大学院生、大船十夢学部生（研究当時）をはじめとする研究グループは、実験を通じて、強度の上昇をもたらすキンクは、左右対称な対称傾角^（注⁵^）の形状（rank-1接続の条件）を満たすことを実証しました。自然界でもこのようなキンク構造が存在することから、地殻の強度上昇をもたらし、さらには地震の発生にも影響を及ぼしている可能性があることを示唆しています。
本成果は9月26日、オープンアクセスの科学誌Scientific Reportsに掲載されました。

図1. （左）キンク構造の模式図。（真ん中）ロードアイランド州フォートアイランド近郊の泥質岩中にみられるキンク。（右）アメリカ・南カリフォルニアにみられる大規模なキンク構造。Davis and Namson (1994) Nature を修正加筆。

【用語説明】
注1. キンク構造：層状な物質が圧縮を受けたときにできる、局所的に折れ曲がった構造のこと（図1参照）。
注2. 地殻：地球の最も外側にある岩石の層で、内陸（大陸地殻）では地表から数十キロメートルの厚さを持つ。地震や火山活動など、地質現象の多くはこの層で起こる。
注3. rank-1接続：相異なる均一な変形が発生した2つの領域を、変形の連続性を損なうことなく(物体が破壊しないために)接続するための幾何学的な必要十分条件のこと。左右対称なキンク（対称角：注５）は、rank-1接続を満たす。
注4. キンク強化：キンク構造が形成されることで、材料の強度が増す現象。材料工学で、新たな材料強化メカニズムとして注目されている。
注5. 対称傾角：キンク構造の両側で、層の傾きが左右対称になっている状態を示す角度関係。

論文情報

タイトル：Kink strengthening and rank-1 connection of crustal rocks
著者：Hiroaki Yokoyama¹*, Tomu Ofune^1,2, Eranga Jayawickrama^1,3, Mitsuhiro Hirano^1,4, Sando Sawa¹, Jun Muto¹, Hiroyuki Nagahama¹*
1 東北大学大学院理学研究科地学専攻
2 株式会社シグマクシス・ホールディングス
3 独アーヘン工科大学地球科学・地理学科応用構造地質研究ユニット
4 宇都宮大学工学部
*責任著者　東北大学大学院理学研究科教授長濱裕幸
東北大学大学院理学研究科大学院生横山裕晃
掲載誌：Scientific Reports
DOI：10.1038/s41598-025-17812-6

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学大学院理学研究科地学専攻
教授長濱裕幸（ながはまひろゆき）
Email：hiroyuki.nagahama.c7*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
東北大学大学院理学研究科地学専攻
大学院生横山裕晃（よこやまひろあき）
Email：hiroaki.yokoyama.r2*dc.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科広報・アウトリーチ支援室
TEL：022-795-6708
Email：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）