活断層で究極の潤滑物質「酸化グラフェン」を 世界で初めて発見

―跡津川断層系のゆっくりすべる謎を解明―

2026年5月13日 10:00

研究者情報

〇大学院理学研究科地学専攻　教授　長濱裕幸
大学院理学研究科地学専攻　大学院生　島田知弥
研究室ウェブサイト

発表のポイント

活断層中から酸化グラフェン^（注1）の単層ナノシート^（注2）を世界で初めて発見しました。
酸化グラフェンは、摩擦係数^（注3）01以下の超低摩擦であり、従来の粘土鉱物^（注4）やグラファイト^（注5）（摩擦係数0.1程度）よりも驚異的に滑りやすい特性が報告されています。
酸化グラフェンが安定して存在できる温度（200℃以下）が、断層の地震が起きにくい領域と一致することを確認しました。
断層運動が有機物由来のアモルファスカーボン^（注6）を酸化グラフェンへと変えるトライボケミカル反応^（注7）を引き起こした可能性を示しました。

発表概要

岐阜県から富山県にまたがる跡津川断層系では、地下7～8 kmまで地震が少なく、断層がゆっくり滑るクリープ^（注8）が知られています。こうした現象は、これまでグラファイトや流体の潤滑によるものと考えられてきました。近年のラマン分光法^（注9）やXPS^（注10）、TEM^（注11）の分析技術発達により、様々な種類の炭素が分類できるようになりました。特にグラフェンは酸化還元により物性が大きく変化しますが、地学でその特異性は注目されてきませんでした。
東北大学の長濱裕幸 教授、武藤潤 教授、澤燦道 助教、島田知弥 大学院生、東北学院大学の中村教博 教授、東京大学の大藤弘明 教授らの研究グループは、活断層中に単層ナノシートの酸化グラフェンを発見しました。酸化グラフェンはグラファイトよりも一桁小さい摩擦係数0.01以下の超低摩擦であるため、跡津川断層系の特異な地震活動に影響する可能性があります。本成果は日本時間5月12日18時に科学誌Nature Communicationsに掲載されました。



図1. （上）跡津川断層系の地質図。（左下）跡津川断層系に沿った地震の震源分布図。（右下）石英、グラファイト、酸化グラフェンの摩擦係数の比較。

用語解説

注1. 酸化グラフェン：炭素原子が六角形層状の結晶構造を持つ物質であるグラフェンに、ヒドロキシ基などの酸素含有官能基が結合した物質である。
注2. 単層ナノシート：厚さがナノメートル（nm）レベルかつ横方向の長さが厚さの数倍から数千倍の大きさを持つ2次元物質である。
注3. 摩擦係数：物体の滑りにくさを表す数値で、滑る面に垂直にかかる力と水平に滑る力の比(μ=0~1の範囲)で表される。一般的な岩石ではその比がμ=0.6程度である。
注4. 粘土鉱物：いわゆる粘土を構成する鉱物で、層状珪酸塩鉱物である。ヌルヌルと滑りやすい特徴を持つ。
注5. グラファイト：炭素原子が六角形のハニカムのように結合したシート状の結晶構造を持つ物質で、黒鉛と呼ばれる。鉛筆の芯のように層と層の間で剥がれてツルツルと滑りやすい特徴を持つ。
注6. アモルファスカーボン：炭素原子が結晶構造を持たず、ダイヤモンド（sp³）とグラファイト（sp²）の構造が混在して、不規則に結合している物質である。
注7. トライボケミカル反応：物質が摩擦や摩耗する際に、その接触部付近で生じる化学反応である。
注8. クリープ：活断層が地震を伴わずに長時間かけてゆっくりとズレ動く現象である。断層面に含まれる粘土鉱物や水が潤滑剤の役割を果たし、摩擦が小さくなることで発生するとされる。跡津川断層以外にも、米国カリフォルニア州のサンアンドレアス断層の一部の地域等がその一例である。
注9. ラマン分光法：レーザー光線を物質に照射し、そこから散乱した「ラマン散乱光」の波長や強度の変化を分析する手法であり、非破壊・非接触で物質の構造解析を行うことができる。
注10.X線光電子分光法（XPS）：試料表面に弱いX線を照射し、光電効果によって放出される光電子のエネルギーを測定して、物質表面の元素組成や化学結合状態を分析する手法である。
注11.透過型電子顕微鏡（TEM）：高速の電子線を極薄の物質に照射し、透過した電子線を利用して、原子レベルの構造を観察できる高分解能な顕微鏡である。

論文情報

タイトル：Ultra-low friction graphene oxide in the Atotsugawa Fault System
著者　：Tomoya Shimada1*, Hiroyuki Nagahama1, Jun Muto1, Norihiro Nakamura2, Sando Sawa1, Hiroaki Ohfuji3
1. 東北大学大学院理学研究科地学専攻 断層・地殻力学グループ
2. 東北学院大学 高等教育開発室
3. 東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻
*責任著者　東北大学大学院理学研究科 大学院生 島田知弥
掲載誌：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-026-72239-5

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

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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 島田知弥（しまだ ともや）
Email：tomoya.shimada.s2*dc.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
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東北大学大学院理学研究科
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