爱宕川断层系统中的超低摩擦氧化石墨烯

为何超光滑岩石重要

地震发生在地下深处的岩石相互碾滑并突然失稳、释放能量时。但有些断层以安静的方式移动，缓慢爬滑而几乎不产生震动。本研究探讨了日本中部一条主要断层系统为何如此表现，并揭示了一个令人惊讶的原因：一种被称为氧化石墨烯的超光滑碳材料，可能让断层某些部分像冰上之冰一样容易滑动。

一条安静滑动的断层

爱宕川断层系统是日本最活跃的断层网络之一，沿本州中部山地绵延约60公里。它在历史上曾造成破坏性地震，但现代观测显示出令人费解的现象。监测地面运动和小型地震的仪器指出，断层中段的一段在深度约7到8公里处异常安静，并表现为缓慢爬滑。该带不像积累应变以致大震，而是随时间逐渐滑动，这表明断层深部有某种因素使其比普通岩石弱得多。

对断层中碳的近距离观察

为弄清使断层变弱的原因，研究者采集了软且粉碎的断层蚀变物（fault gouge）以及周围的砂岩，来自沿断层系统的多个位置，包括一条直接穿过活动断层的地下隧道。在显微镜下，这些蚀变物呈暗色，富含含碳颗粒并与石英和黏土等常见矿物混杂。通过先进的拉曼光谱技术，团队能够区分不同形态的碳，发现某些样品，尤其是断层带内的样品，含有一种与氧化石墨烯特征相似的特殊碳材料信号。

发现超低摩擦的氧化石墨烯

氧化石墨烯是化学改性的石墨烯表亲，因其强度与电学性质而闻名。材料科学的实验室测试表明，氧化石墨烯的摩擦系数可低至约0.01，远低于典型岩石，甚至低于常见石墨润滑剂。利用X射线光电子能谱（XPS），研究者证明选定断层蚀变物中的碳具有与氧化石墨烯相同类型的化学键和含氧基团，表面富含羟基。透射电子显微镜（TEM）进一步显示，该材料以单层片状粒子的形式存在，尺寸仅为数纳米（数十亿分之一米）量级，集中分布在蚀变物的微裂隙和薄劈理面内。这些薄片形成近于二维的膜状结构而非堆叠层，这种结构特别利于滑动。

超滑碳如何改变断层行为

团队提出，在断层运动过程中，剪切和摩擦反应将含有机质的碳转化为氧化石墨烯，并将其扫入蚀变物颗粒之间的微裂隙。一旦存在，这些纳米薄片便像润滑膜一样阻止直接的岩石—岩石接触，显著降低关键滑移面的摩擦。由于氧化石墨烯富含羟基并能保持薄层水膜，它在促进表面相互滑动方面更为有效。计算表明，该材料在约200摄氏度以下保持稳定，这与低地震性、爬滑断层段的深度范围相符。在更热或受强烈震动的地壳部分，氧化石墨烯可能分解，因此这种超低摩擦行为或局限于较冷、变形较温和的断层区域。

断层运动的一条安静路径

本研究表明，自然断层岩中可以存在具有极低摩擦的氧化石墨烯，为为何爱宕川断层系统的某些区段爬滑而非频繁产生大地震提供了具体解释。微裂隙内的这些纳米级碳片可大幅削弱断层，使其以缓慢、稳定的方式移动而非突然破裂。随着时间推移，氧化石墨烯的生成、保存或破坏程度发生变化，可能会驱动地球动力学与地震观测中所见的爬滑与锁死模式的转变，为将深部矿物过程与地表地震表现联系起来提供了新的途径。

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

关键词: 氧化石墨烯, 断层爬滑, 地震, 断层摩擦, 爱宕川断层