綾津川断層系における超低摩擦の酸化グラフェン

超すべりやすい岩石が重要な理由

地震は地下深部の岩石が互いに擦れ合い、突然滑ることでエネルギーを放出して起きます。しかし一部の断層はほとんど揺れを伴わず静かに移動し、クリープします。本研究は本州中部にある主要な断層系がなぜそのように振る舞うのかを調べ、驚くべき原因を明らかにしました。それは酸化グラフェンと呼ばれる超すべりやすい炭素の一形態で、断層の一部が氷上の氷のようにほぼ滑ることを可能にしている可能性があります。

静かに滑る断層

綾津川断層系は本州中部の山地を約60キロにわたって延びる日本有数の活動的な断層ネットワークです。過去に被害を伴う地震を起こしたこともありますが、現代の観測は一見矛盾する状況を示します。地盤変動や微小地震を追跡する観測機器は、断層の中央部の長い区間が異常に静かであり、深さ7〜8キロ付近でゆっくりとクリープしていることを示しています。大きな地震のために歪を蓄積するのではなく、この領域は時間とともに徐々に滑っているように見え、断層深部の何かが通常の岩石よりもはるかに弱くしていることを示唆しています。

断層の炭素を詳しく見る

断層がこれほど弱い理由を解明するため、研究者らは断層ガウジと呼ばれる軟らかく砕かれた岩石と周辺の砂岩を、活断層を直接横断する地下トンネルを含む複数箇所から採取しました。顕微鏡下でこれらのガウジは暗色で、石英や粘土などの一般的な鉱物と混じった炭素含有粒子が豊富でした。高性能なラマン分光法を用いて炭素の異なる形態を識別したところ、特に断層帯内の試料に酸化グラフェンに類似した特徴を示す特殊な炭素材料が含まれていることがわかりました。

超低摩擦の酸化グラフェンの発見

酸化グラフェンは、強度や電気特性で知られるグラフェンの化学的に修飾された近縁物です。材料科学の実験では、酸化グラフェンの摩擦係数が約0.01と示されており、典型的な岩石よりはるかに低く、一般的な黒鉛系潤滑材よりも低いことがあります。X線光電子分光により、研究者らは選択した断層ガウジ中の炭素が酸化グラフェンと同じ種類の化学結合や酸素含有基、特に表面に多くのヒドロキシル基を持つことを示しました。透過型電子顕微鏡は、この物質が幅数ナノメートル程度ではなく数ナノメートル（10億分の1メートル）単位の非常に薄い単一のシート状粒子として、ガウジ内の微小クラックや薄い割れ面に集中して存在することを明らかにしました。これらのシートは積み重なった層ではなくほぼ二次元の膜を形成しており、滑りに理想的な構造です。

すべりやすい炭素が断層挙動をどう変えるか

研究チームは、断層運動の過程でせん断や摩擦反応により母岩中の有機炭素が酸化グラフェンに変換され、ガウジ粒子間の微小亀裂に掃き寄せられると提案します。そこに到達すると、ナノシートは潤滑膜のように働いて直接的な岩石対岩石の接触を防ぎ、主要な滑り面に沿った摩擦を劇的に低下させます。酸化グラフェンはヒドロキシル基が豊富で薄い水膜を保持し得るため、面が互いに滑りやすくなります。計算では、この物質は摂氏約200度以下で安定に保たれると示されており、これは低地震性でクリープする断層区間の深さ範囲と一致します。より高温または強く揺れる地殻部分では酸化グラフェンは分解しやすく、超低摩擦の挙動はより冷たく穏やかに変形する断層の部分に限られる可能性があります。

断層運動の静かな道筋

天然の断層岩が極めて低い摩擦を持つ酸化グラフェンを含み得ることを示すことで、本研究は綾津川断層系の一部が頻繁に大地震を起こすのではなくクリープする理由に具体的な説明を与えます。微小クラック内に存在するこれらのナノスケール炭素シートは断層を大きく弱め、突然の破壊ではなくゆっくりとした安定した移動を可能にします。時間とともに酸化グラフェンの生成・保存・破壊の度合いが変化することで、測地学的や地震学的記録に現れるクリープやロッキングのパターンが変わり得ることを示唆し、深部の鉱物過程と地表に現れる地震現象とを結び付ける新たな視点を提供します。

引用: Shimada, T., Nagahama, H., Muto, J. et al. Ultra-low friction graphene oxide in the Atotsugawa Fault System. Nat Commun 17, 3861 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72239-5

キーワード: 酸化グラフェン, 断層クリープ, 地震, 断層摩擦, 綾津川断層