Ультранизкое трение оксида графена в системе разломов Атоцугава

Почему важны сверхскользкие породы

Землетрясения происходят, когда глубоко под землей породы трутся друг о друга и внезапно соскальзывают, высвобождая энергию. Но некоторые разломы движутся спокойно, медленно ползучи, почти не вызывая толчков. В этом исследовании изучается, почему крупная система разломов в центральной Японии ведёт себя таким образом, и выявляется неожиданный виновник: ультраскользкая форма углерода — оксид графена, который может позволять частям разлома скользить почти так же легко, как лёд по льду.

Разлом, который скользит тихо

Система разломов Атоцугава — одна из самых активных в Японии, протяжённостью около 60 километров через горы центрального Хонсю. В прошлом она вызывала разрушительные землетрясения, но современные измерения показывают нечто удивительное. Приборы, отслеживающие движение грунта и малые землетрясения, указывают, что длинный центральный участок разлома необычно тих и, по-видимому, медленно ползёт на глубинах около 7–8 километров. Вместо накопления напряжения для крупных толчков эта зона, кажется, постепенно сдвигается со временем, что говорит о том, что нечто глубоко в толще делает её гораздо слабее, чем обычные породы.

Внимательный взгляд на углерод разлома

Чтобы выяснить, что делает этот разлом таким слабым, исследователи собрали мягкий, раздробленный материал — густ (fault gouge), а также окружающий песчаник с нескольких участков вдоль системы разломов, включая подземный тоннель, пересекающий активный разлом. Под микроскопом эти густы тёмные и богаты углеродсодержащими зернами, смешанными с обычными минералами, такими как кварц и глина. С помощью продвинутой рамановской спектроскопии команда смогла различить разные формы углерода и обнаружила, что в некоторых образцах, особенно в пределах разломных зон, содержится особый тип углеродного материала с характеристикой, похожей на оксид графена.

Обнаружение оксида графена с ультранизким трением

Оксид графена — химически модифицированный родственник графена, знаменитый своей прочностью и электронными свойствами. Лабораторные тесты в материаловедении показывают, что коэффициент трения оксида графена может быть около 0,01, что намного ниже, чем у типичных пород, и даже ниже, чем у обычной графитовой смазки. С помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии исследователи показали, что углерод в выбранных образцах густа имеет такие же типы химических связей и содержащие кислород группы, как у оксида графена, с множеством гидроксильных групп на поверхностях. Просвечивающая электронная микроскопия затем выявила, что этот материал встречается в виде отдельных листообразных частиц размером всего в несколько миллиардных долей метра, концентрированных внутри крошечных трещин и вдоль тонких плоскостей расщепления в густе. Эти листы формируют почти двумерные пленки, а не стопки слоёв — структуру, идеальную для скольжения.

Как скользкий углерод меняет поведение разлома

Команда предполагает, что в ходе движения разлома сдвиговые процессы и трение превращают органически богатый углерод в материнских породах в оксид графена и втягивают его в микротрещины между зернами густа. Оказавшись там, нанолисты действуют как смазочная пленка, предотвращающая прямой контакт «камень о камень», что резко снижает трение вдоль ключевых поверхностей скольжения. Поскольку оксид графена богат гидроксильными группами и может удерживать тонкие слои воды, он становится ещё более эффективным в облегчении скольжения поверхностей друг относительно друга. Расчёты показывают, что этот материал остаётся стабильным при температурах ниже примерно 200 °C, что соответствует глубинному диапазону с низкой сейсмичностью и ползучим участком разлома. В более тёплых или сильнее деформируемых частях коры оксид графена, вероятно, разрушается, поэтому ультраскользкое поведение может ограничиваться более прохладными, мягко деформирующимися участками разлома.

Тихий путь для движения разлома

Показав, что природные разломные породы могут содержать оксид графена с чрезвычайно низким трением, это исследование даёт конкретное объяснение тому, почему некоторые сегменты системы разломов Атоцугава ползут вместо того, чтобы вызывать частые крупные землетрясения. Наличие этих наноскопических углеродных листов в микротрещинах может сильно ослаблять разлом, позволяя медленное, устойчивое движение вместо внезапного разрыва. Со временем изменения в том, насколько оксид графена образуется, сохраняется или разрушается, могут определять смещения в картинах ползучести и заклинивания, фиксируемых геодезическими и сейсмологическими данными, давая учёным новый способ связать глубокие минералогические процессы с поверхностными проявлениями землетрясений.

Цитирование: 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

Ключевые слова: оксид графена, скольжение разлома, землетрясения, трение разлома, разлом Атоцугава