GeoAnisoLab：一种基于矿物物理数据评估地球深部各向异性导电异常的数值模拟方法

《Minerals》：GeoAnisoLab: A Numerical Modeling Method for Assessing Anisotropic Conductivity Anomalies in the Deep Earth’s Interior Based on Mineral Physics Data

　　

野外磁大地电流测深(Magnetotelluric, MT)观测数据证实了中下地壳及上地幔区域电各向异性的广泛存在。矿物组构、岩性分层、流体或熔体择优定向排列等几种潜在的电传输机制已被提出以合理解释各向异性电导率。然而，利用基于实验室的电导率测量难以量化每种机制对岩石尺度电各向异性的详细贡献。研究人员在此开发了GeoAnisoLab，这是一种全新的数值模拟程序，用于表征高温高压下岩石的各向异性电导率。它集成了晶体学优选取向(Crystallographic Preferred Orientations, CPO)、矿物电导率数据和电阻网络建模，构建了五种典型的岩石学模型（即随机分布岩石模型、两种岩性分层模型、含流体分层模型和含熔体分层模型）。综合考虑先前可用的高温高压实验和野外MT结果，GeoAnisoLab数值模拟方法能够系统评估地球深部的各向异性导电异常。

研究背景方面，地球深部中下地壳及上地幔区域的电各向异性已通过磁大地电流测深(MT)结果被广泛探测到，通常归因于矿物组构、岩性分层、流体或熔体择优定向排列等机制。先前实验研究表明单晶石英和斜长石在中下地壳区域可表现出显著的各向异性电导率，但从矿物单晶转换到多晶集合体时强烈依赖于晶体学优选取向(CPO)，且岩石学电各向异性幅度大幅降低，因此矿物单晶电各向异性不能直接解释地球物理观测的各向异性异常。另一方面，利用高温高压下基于实验室的电导率测量难以量化岩石各电各向异性机制的详细贡献，且高温高压实验不易获得能系统表征地球深部各向异性机制的真实样品成分。传统理论模型如Hashin-Shtrikman界限(HS)、串并联模型和几何平均模型被用于计算地质材料体电导率，结合实验数据与SIGMELTS等工具可评估高温高压各向同性电导率，但现有计算工具未设计用于评估岩石尺度电各向异性。近期基于网络的模型为模拟岩石各向异性电导率及识别合理解释地球物理观测各向异性的机制提供了有效途径，但尚未整合进专用程序平台，因此需要可直接计算岩石电各异性的软件工具使模拟结果更易被地球物理界获取。该研究发表在《Minerals》。研究人员开发了交互式软件GeoAnisoLab用于计算地壳和上地幔条件下岩石电导率各向异性，集成矿物学电导率数据、晶体学取向、矿物组合及择优定向流体或熔体，定量评估不同机制对岩石电各向异性的影响，允许构建随机分布、岩性分层、含流体和含熔体岩石模型，输入参数包括温度、矿物学、晶体组构及流体或熔体组成与丰度，输出包括电各向异性比和模拟电阻网络可视化，通过比较模拟电各向异性与MT数据推断值可评估何种地质机制能重现观测各向异性。

关键技术方法方面，研究人员采用随机电阻网络方法开发GeoAnisoLab软件，基于TypeScript、React和Electron构建用户界面，计算组件集成Python，打包为独立可执行文件。软件框架包含参数输入、数据检索、电阻网络构建及计算输出可视化四大模块。参数输入模块定义温度、矿物组合、模态比例、晶体组构及流体或熔体参数；数据检索模块读取内置数据库或用户上传文件的矿物电导率数据与CPO信息；电阻网络构建模块根据模拟选项确定矿物相、岩性层及导电流体或熔体排列；计算输出模块模拟两正交方向电流，计算电各向异性比并可视化电路结构。提供方位各向异性与横向各向异性两种计算模式，通过施加相同电压模拟两方向电导，由模拟电流比获得电各向异性，因电阻对随机分布需多次计算取平均以减少变异。

研究结果方面，随机分布岩石模型的电各向异性，在固态岩石中电各向异性主要受矿物本征电导率、晶体学优选取向(CPO)及矿物模态比例控制，随机分布模型用于评估这些因素贡献。以橄榄岩为例，考虑单斜橄榄石集合体(Ol₁₀₀)、两相橄榄石-斜方辉石集合体(Ol₆₀+Opx₄₀)和三相交橄榄石-斜方辉石-单斜辉石集合体(Ol₆₀+Opx₂₅+Cpx₁₅)，橄榄石单晶具极高电各向异性(10–40)但转换至多晶集合体后各向异性幅度降为2–3，加入弱各向异性矿物进一步降低各向异性，计算值低于Simpson和Tommasi报道结果，因后者以氢扩散系数代理单晶电导率可能高估各向异性，而GeoAnisoLab采用实验测量电导率更直接约束岩石电各向异性。温度是重要影响因子但晶体学取向仍是主控因素，强晶轴排列保留单晶各向异性，分散取向通过方向平均削弱效应，矿物比例增加削弱橄榄石贡献从而降低集合体各向异性。岩性分层模型的电各向异性，岩性分层是地壳地球物理观测电各向异性可能来源，提供两种几何配置分层模型。Lithologic Layering—1代表富石英层状岩，由单矿物石英层与复矿石英-斜长石层交替组成，总成分Qtz₄₀+Plag₆₀，600 K时各向异性约8，700 K急剧下降高温维持低值，源于石英CPO随温度变化及高导晶向排列改变层间电导率对比度。Lithologic Layering—2代表斜长石-辉石分层，由斜长石-rich(Cpx₂₀+Plag₈₀)与辉石-rich(Cpx₈₀+Plag₂₀)层交替，低温各向异性约10，随温度下降因层间电导率对比度减小，表明中下部地壳中等电各向异性可由岩性分层解释但深层难重现，加第三相矿物进一步降低各向异性。含流体分层模型的电向异性，盐流体是壳幔高导异常主因，择优定向分布可致电各向异性但实验量化困难。流体仅赋存于奇数或偶数矿物层，默认NaCl流体，以辉长岩组合为例，固定1 wt.% NaCl盐度时流体体积分数从1增至3 vol.%各向异性显著增大，1100 K时从约32增至87，固定1 vol.%流体分数增加盐度也增强各向异性，但随温度升各向异性下降因含流体与无流体层电导率对比度减小。含熔体分层模型的电各向异性，部分熔融是构造活跃区高导异常 plausible 原因，地球物理推断电各向异性归因具定向结构特征的熔体。采用橄榄石-玄武质熔体配置，交替各向异性橄榄石层与含5 vol.%玄武质熔体各向同性橄榄石层，熔H₂O含量0、3、6 wt.%，计算各向异性随温度与熔H₂O含量增加而增加。无水玄武质熔体1473 K各向异性近1，1773 K增至约3–4；含3 wt.% H₂O熔体1473 K约5，1773 K超10；含6 wt.% H₂O熔体全温域超10，1773 K近20。模拟值低于Pommier等人的串联平行模型结果，因建模方法与电导率数据差异，后者未纳入CPO而GeoAnisoLab用电阻网络模型纳入橄榄石基质微结构及CPO差异影响层间电导率对比度。

讨论部分总结，GeoAnisoLab为链接岩石尺度电各向异性与地球物理观测提供定量框架，通过交互可复现平台衔接矿物物理约束与MT解释。MT探测到大陆地壳、上地幔及岩石圈-软流圈边界多各向异性导电结构但解释常具非唯一性，GeoAnisoLab通过计算候选岩石模型模拟电各向异性并检验能否重现地球物理推断各向异性幅度以解决此问题。可用于岩石尺度电各向异性正演模拟，给定区域温度与地质背景约束构建合理岩石模型，比较计算各向异性与观测推断值；随机分布矿物集合体评估矿物电导率、CPO及矿物比例效应；岩性分层模型适用于有地质或岩石学证据支持成分分层区域；若固态模型各向异性小于观测值可测试含流体或熔体分层模型变动成分与体积分数，若固态模型能重现则无需导电流体或熔体，比较计算与观测各向异性可约束流体或熔体分数范围，为地球深部物质组成与电传输行为提供独特地球物理视角。

结论部分翻译，研究人员在本研究中设计开发了GeoAnisoLab软件，作为一种全新程序，可通过基于电阻网络的电路模拟定量评估岩石电各向异性。GeoAnisoLab程序将可用矿物学电导率数据、晶体学取向、矿物比例、岩性分层及导电流体或熔体相集成于单一计算框架内，允许用户构建不同岩石模型、计算其电各向异性并可视化相应电阻网络。若干代表性计算展示了GeoAnisoLab如何应用于量化五种典型岩石学模型产生的电各向异性（即随机分布岩石模型、两种岩性分层模型、含流体分层模型及含熔体分层模型）。总体而言，GeoAnisoLab提供了一个可及的正演模拟工具，用于链接矿物物理数据与基于MT的各向异性导电异常解释，有助于评估包括矿物组构、岩性分层及择优定向流体或熔体在内的何种机制能解释地球内部观测到的电各向异性。