科學研究 - 日本東北大學在活斷層中發現潤滑物質「氧化石墨烯」，或與慢地震有關

日本東北大學等研究團隊，在橫跨岐阜縣與富山縣的跡津川斷層系中，發現了潤滑物質「氧化石墨烯」。氧化石墨烯的摩擦係數比普通岩石低一個數規模，更容易滑動。跡津川斷層系屬於活斷層，其淺部區域地震活動較少的原因被認為是氧化石墨烯發揮了作用，能夠使斷層緩慢滑動所致。研究認為，這一機制或許與板塊邊界等處的能量被分階段地釋放的「慢地震」有關。

跡津川斷層系示意圖。圓圈內為氧化石墨烯的結構。（供圖：東北大學島田知彌）

有報告稱，跡津川斷層系地下7～8公里的淺部區域存在地震活動較少、斷層緩慢滑動的「斷層蠕滑」現象。據東北大學研究生院理學研究科地學專業的長濱裕幸教授（斷層力學）介紹，學界長期以來認為，具有碳原子片狀堆疊晶體結構的石墨與地下深部流體發揮了類似潤滑劑的作用，減小了斷層摩擦，從而引發斷層蠕滑。

沿跡津川斷層系的地震震源分佈圖。據信，在地下流體上湧的區域，斷層緩慢滑動使應變無法持續積累，因此地震活動較少。（供圖：東北大學島田知彌）

長濱教授研究室成員、研究生院博士2年級學生島田知彌（構造地質學），著眼於可從石墨中提取的、由單層碳原子構成的二維晶體「石墨烯」，通過組合分析雷射照射的散射光分解析物質結構的拉曼光譜術、通過測量光電子能量分析物質表面元素組成與化學鍵合狀態的X射線光電子能譜法，再結合可在原子層面觀測物質的穿透電子顯微術（TEM）三種方法，最終從斷層滑動面發現了氧化石墨烯。

穿透電子顯微術圖像。將斷層黏土化部分（左圖圓圈區域）放大顯示的右圖中可見，虛線包圍處排列著氧化石墨烯奈米粒子。（供圖：東北大學島田知彌）

氧化石墨烯的摩擦係數在0.01以下，較普通岩石的約0.6，石墨的約0.1相比，低了一個數規模，因此更容易滑動。此次研究調查了跡津川斷層系的地下溫度，結果顯示，氧化石墨烯可穩定存在的溫度區間（200攝氏度以下）與地震較少的區域相吻合。因此，研究團隊認為，具備超低摩擦特性的氧化石墨烯有效使斷層更易滑動，有可能對低地震運動區域產生了影響。