Внутри активного разлома найдено странное вещество: решает древнюю геологическую загадку

Система разломов Атоцугава проходит через горы центральной Японии. В 1858 году она вызвала землетрясение магнитудой 7 — событие, свидетельствующее о сильном разломе. Однако с тех пор большая часть системы оставалась удивительно спокойной, что делало систему невероятно загадочной, пишет Фокус.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

В прошлом ученые думали, что им уже удалось разгадать, почему один из самых активных разломов Японии почти никогда не вызывает землетрясений. Знаменитый минерал графит, содержащийся в грифеле карандаша, выстилает внутреннюю поверхность разлома и поддерживает низкий уровень трения. Сначала это казалось простым объяснением.

Однако то, что команда обнаружила при более внимательном изучении, полностью изменило картину. Команда обнаружила, что в измельченной породе разлом скрывалось нечто, чего ранее никогда не находили в естественных разломах. Речь о настолько скользком материале, что в сравнении с ним грифель карандаша кажется шероховатым.

По словам ведущего автора исследования Томои Шимады из Университета Тохоку, в новом анализе они с коллегами хотели выяснить, что на самом деле сдерживает ожидаемые колебания. Известно, что разлом смещается постепенно, а не разрывается обычным образом — геологи называют это медленное, устойчивое движение "ползучестью разлома".

В ходе исследования ученые отобрали образцы из шести участков вдоль разлома Атоцугава и связанного с ним разлома Мозуми-Сукэнобэ. В результате им удалось собрать измельченную пасту из дробленой породы, которая выстилает зону разлома — материал, известный как разломная брекчия.

Внутри этой брекчии они провели три высокоточных анализа: химическая дактилоскопия с двумя видами спектроскопии и электронную микроскопию, достаточно тонкую для получения изображений отдельных атомов. Полученные результаты не были близки ни к чему из того, что было обнаружено ранее в активном разломе.

По словам команды, внутри крошечных трещин, проходящих через разлом, исследователи обнаружили однослойные листы оксида графена — атомарно тонкого углеродного материала. Отметим, что ученые часто синтезируют его в лабораториях для создания передовых батарей и покрытий с низким коэффициентом трения.

Авторы отмечают, что до этого момента никто не сообщал о его естественном образовании внутри активного разлома. Листы были крошечными, размером всего от трех до десяти нанометров. Данные также указывают на то, что они располагались в местах, где разлом фактически смещался, вдоль микротрещин, проходящих через частицы разлома и по их краям.

Еще более любопытным оказалось то, что каждый лист имеет толщину примерно в один атом углерода. Именно здесь открытие переходит от любопытства к чему-то, что может изменить поведение разлома. Известно, что оксид графена обладает необычайной скользкостью. Например, в лабораторных исследованиях типичные породы имеют коэффициент трения около 0,6–0,85, что означает, что поверхности сильно сцепляются друг с другом.

При этом коэффициент трения оксида составляет около 0,01. Даже чистый графит, мягкий углерод, используемый в карандашах, обладает коэффициентом трения около 0,1, что в десять раз больше, чем у нового материала.

Авторы считают, что объяснение кроется в химическом составе: на плоских поверхностях этих слоев находятся гидроксильные группы, каждая из которых представляет собой связанную кислородно-водородную метку. Эти группы прикрепляются к молекулам воды, захваченным в породе, и эта связанная вода действует как собственная крошечная смазка. Все это позволяет углеродным слоям легко скользить между более твердыми минеральными зернами. Простыми словами, сольжение происходит на углеродной пленке, а не между самими породами.

Анализ также показал, что оксид графена не выдерживает высоких температур: например, при температуре выше примерно 198 °C эти кислородно-водородные связи разрываются. В результате структура разрушается, а смазывающие свойства исчезают. Таким образом, по словам ученых, существует некий предел глубины, где может существовать спокойный участок разлома. .

До этого исследования основное объяснение ползучести системы Атоцугава было сосредоточено исключительно на графите. Однако теперь ученые выяснили, что графит действительно помогает смазывать дефекты, но его коэфициент трения в десять раз выше, чем у оксида графена, и он так и не смог полностью объяснить, почему дефект не проявлял признаков неисправности.

Но теперь, обнаружение материалы, обычно используемого для высокотехнологичных покрытий, внутри активного разлома открывает новые перспективы. Ученые считают, что обнаружение материала, обычно используемого для высокотехнологичных покрытий, внутри активного разлома открывает новые перспективы.

Напомним, ранее мы писали о том, что бездействовал 40 млн лет, но начал пробуждаться: древний разлом сотрясет Землю.

Ранее Фокус писал о том, что уникальная возможность изучить гигантскую трещину Земли: извлечены редкие образцы керна.

При написании использовались материалы Nature Communications, Earth.com.