Experimental constraints on the distribution and migration of C-H-O-Cl-S fluids in the mantle wedge of the subduction zone

俯冲带地幔楔中流体的连通性是控制壳幔物质循环与元素迁移的关键。橄榄石作为上地幔中最主要的矿物，其矿物-流体间二面角（θ）影响着地幔楔内流体的分布特征和迁移机制。硫（S）作为俯冲带流体中重要的组成部分，对流体在橄榄岩中连通性的影响尚不明确。为此，本研究旨在通过高温高压实验，系统探究多组分（C-H-O-Cl-S）流体-橄榄石间θ，以揭示S在俯冲带流体迁移中的影响。研究采用活塞圆筒压机，在1～3 GPa、600～1100 ℃条件下，对橄榄石-H₂O-NaCl-Na₂SO₄-CO₂体系开展实验，系统限定了矿物-流体间θ。实验结果显示，Na₂SO₄的加入显著降低橄榄石-流体间θ。在3 GPa、800 ℃和w(Na₂SO₄)为5%时，θ达最小值36.2°，显著增强流体连通性，表明Na₂SO₄与NaCl对体系θ具有同等的降低效应；相反，CO₂则表现为抑制连通性，即θ随流体中CO₂浓度增加而增大。在多组分流体中（H₂O-NaCl-Na₂SO₄-CO₂），由于NaCl和Na₂SO₄的叠加效应，流体中CO₂对体系θ的影响较小。流体中SO42-可能通过增加橄榄石的溶解度，降低固-液界面能，从而使得体系θ减小。可见，矿物-流体间θ受控于体系的温度-压力、流体组分、矿物组分等因素协同控制。结合前人橄榄石-流体间的实验数据，本研究拟合了包含温度-压力与流体组分（NaCl、Na₂SO₄、CO₂）的θ经验公式，该经验公式可有效预测橄榄石-多组分流体间的θ。本研究系统揭示了C-H-O-Cl-S流体对地幔楔流体连通性的影响，为理解俯冲带中C-H-O-Cl-S流体的迁移、高电导率异常成因及流体循环模型提供了关键实验依据，对深化壳-幔物质循环认识具有重要科学意义。