上地幔石墨含量被认为不超过1 wt.%，这一含量的石墨是否足以引起上地幔顶部的高导异常在学术界争论已久。受制于实验室测量方法在矿物微观排列、几何形态、连通性等方面的不可控性以及显微观测手段的局限性，上地幔石墨高导模型在实验研究中存在多种困难。数值计算方法对于矿物定量化控制等方面具有显著的优越性，可以很容易的解决诸如矿物排列方式、几何形状、比例含量等方面的问题，在探讨模型电导率方面具有明显的优势。

本研究利用三维有限元数值计算方法，对上地幔含石墨矿物模型进行电导率的定量化模拟计算，按照石墨的形成原因及富集环境，将石墨设置为粉末状、薄片状、以及这两种形态共存的情况。计算了石墨的含量、排列方式、薄片状石墨直径与厚度的比值对聚合物模型电导率的影响。给出了石墨地幔岩模型电导率突然增大时所需要的石墨含量阈值分别为：粉末状石墨约为4.5-5.5 vol.%；盘状石墨直径/厚度=10时，约为4.3-5 vol.%；粉末状和盘状石墨共存时约为3.97-6.8 vol.%；这几种情况下，石墨含量阈值均超出上地幔的石墨含量。如果石墨模型能够解释上地幔高导异常，则需要满足的石墨形态为：盘状石墨随机分布且直径/厚度大于30或石墨表面沿电流方向排列且直径/厚度大于25。前人研究认为地幔中石墨的直径/厚度约为25，但相对较高的地幔氧逸度阻止了石墨在上地幔中广泛地存在，石墨引起的高导异?？赡苤辉诘蒯＞植壳蚱鹱饔?。

图1石墨-橄榄石-斜方辉石混合物三维有限元网格模型横切面。 (a)为粉状石墨，(b)-(d)为圆盘状石墨，(e)为两种石墨的组合形式。石墨平面与电流方向为随机(b)、垂直(c)和平行(d)。

图2 数值计算、理论计算和实验测量的电导率的对比

本研究的创新点如下：1.上地幔高导异常及各向异性成因是地学研究的一个热点，而主要的高导理论——流体、熔体及石墨膜模型在解释高导时存在局限性。本文利用数值模拟方法，在地幔石墨含量的限定下，探讨了石墨高导成因理论的可行性；2.本文采用的数值模拟方法，规避了地幔高导实验测量方法中杂质、孔隙及环境等的影响，在规律性探讨方面更为精确；3.本文不仅考虑了石墨的含量对上地幔电导率的影响，还充分探讨了石墨的形态、排列及连通性等因素的影响。

电导率是地学研究中主要的物理属性之一，项目的研究结果可为大地电磁电阻率观测资料的解释提供有益的帮助，也可以为岩石、矿物的室内电导率实验测量提供参考。

研究成果2022年发表于学术期刊《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.）。研究受国家自然科学基金（41804087）、中国地震局地球物理研究所基本业务专项（DQJB21X26)）和科技部国家重点研发计划（017YFC1500205）项目共同资助。

【作者简介】

郭颖星，女，博士。固体地球物理学专业，研究方向为：岩石、矿物的电学性质的实验研究、地球动力学数值模拟计算。