上地幔石墨含量被認(rèn)為不超過1 wt.%，這一含量的石墨是否足以引起上地幔頂部的高導(dǎo)異常在學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論已久。受制于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法在礦物微觀排列、幾何形態(tài)、連通性等方面的不可控性以及顯微觀測(cè)手段的局限性，上地幔石墨高導(dǎo)模型在實(shí)驗(yàn)研究中存在多種困難。數(shù)值計(jì)算方法對(duì)于礦物定量化控制等方面具有顯著的優(yōu)越性，可以很容易的解決諸如礦物排列方式、幾何形狀、比例含量等方面的問題，在探討模型電導(dǎo)率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

本研究利用三維有限元數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)上地幔含石墨礦物模型進(jìn)行電導(dǎo)率的定量化模擬計(jì)算，按照石墨的形成原因及富集環(huán)境，將石墨設(shè)置為粉末狀、薄片狀、以及這兩種形態(tài)共存的情況。計(jì)算了石墨的含量、排列方式、薄片狀石墨直徑與厚度的比值對(duì)聚合物模型電導(dǎo)率的影響。給出了石墨地幔巖模型電導(dǎo)率突然增大時(shí)所需要的石墨含量閾值分別為：粉末狀石墨約為4.5-5.5 vol.%；盤狀石墨直徑/厚度=10時(shí)，約為4.3-5 vol.%；粉末狀和盤狀石墨共存時(shí)約為3.97-6.8 vol.%；這幾種情況下，石墨含量閾值均超出上地幔的石墨含量。如果石墨模型能夠解釋上地幔高導(dǎo)異常，則需要滿足的石墨形態(tài)為：盤狀石墨隨機(jī)分布且直徑/厚度大于30或石墨表面沿電流方向排列且直徑/厚度大于25。前人研究認(rèn)為地幔中石墨的直徑/厚度約為25，但相對(duì)較高的地幔氧逸度阻止了石墨在上地幔中廣泛地存在，石墨引起的高導(dǎo)異?？赡苤辉诘蒯＞植繀^(qū)域起作用。

圖1石墨-橄欖石-斜方輝石混合物三維有限元網(wǎng)格模型橫切面。 (a)為粉狀石墨，(b)-(d)為圓盤狀石墨，(e)為兩種石墨的組合形式。石墨平面與電流方向?yàn)殡S機(jī)(b)、垂直(c)和平行(d)。

圖2 數(shù)值計(jì)算、理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電導(dǎo)率的對(duì)比

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)如下：1.上地幔高導(dǎo)異常及各向異性成因是地學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，而主要的高導(dǎo)理論——流體、熔體及石墨膜模型在解釋高導(dǎo)時(shí)存在局限性。本文利用數(shù)值模擬方法，在地幔石墨含量的限定下，探討了石墨高導(dǎo)成因理論的可行性；2.本文采用的數(shù)值模擬方法，規(guī)避了地幔高導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法中雜質(zhì)、孔隙及環(huán)境等的影響，在規(guī)律性探討方面更為精確；3.本文不僅考慮了石墨的含量對(duì)上地幔電導(dǎo)率的影響，還充分探討了石墨的形態(tài)、排列及連通性等因素的影響。

電導(dǎo)率是地學(xué)研究中主要的物理屬性之一，項(xiàng)目的研究結(jié)果可為大地電磁電阻率觀測(cè)資料的解釋提供有益的幫助，也可以為巖石、礦物的室內(nèi)電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供參考。

研究成果2022年發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Geophysical Journal International》（citation：Yingxing Guo, Jun Zheng, Aiyu Zhu, Tao Zhu. 2022. Numerical simulation of the graphite effect on the electrical conductivity of the upper mantle. Geophysical Journal International, 229: 1122-1132.）。研究受國(guó)家自然科學(xué)基金（41804087）、中國(guó)地震局地球物理研究所基本業(yè)務(wù)專項(xiàng)（DQJB21X26)）和科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（017YFC1500205）項(xiàng)目共同資助。

【作者簡(jiǎn)介】

郭穎星，女，博士。固體地球物理學(xué)專業(yè)，研究方向?yàn)椋簬r石、礦物的電學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究、地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算。