Abstract The dihedral angle (θ) between olivine and aqueous fluid is a critical parameter in identifying the grain-scale fluid connectivity which controls the distribution and migration of aqueous fluids in subduction zones besides physical properties of mantle wedges. Recent magnetotelluric observations have suggested the occurrence of significant fluid circulation in deep fore-arc regions, which can be explained by infiltration of saline fluid with a low θ in the mantle wedge ( Huang et al., 2019 ). Along with the salt component, non-polarized gas such as CO2, is a crucial constituent of subduction zone fluids. CO2 is known to increase the olivine–fluid θ under conditions in which the olivine does not react with CO2, which is in contrast to the effect of NaCl on θ. For a better understanding of the connectivity of multicomponent fluid in the mantle wedge, we experimentally constrained θ in olivine + H2O–CO2 fluid and olivine + H2O–CO2–NaCl (multicomponent) fluid systems at 1–4 GPa and 800–1100 °C. For the H2O–CO2 system, we found that CO2 tends to increase θ at 1 GPa and 800–1100 °C and at 2 GPa and 1100 °C. In contrast, CO2 reduced θ even below 60° at relatively high-pressure (P) and low-temperature (T) conditions, in which the olivine partly reacts with CO2 to form magnesite and orthopyroxene (opx). The consumption of non-wettable CO2 components in aqueous fluid alone cannot explain θ lower than those in a pure H2O system. Additional experiments on olivine–magnesite + H2O and olivine–opx + H2O systems showed that the presence of magnesite or opx decreased the olivine–fluid θ, which implies that coexisting minerals affect the olivine–fluid interfacial energy by changing the fluid chemistry. The results of the multicomponent system showed that the effect of NaCl on θ is much more significant than that of CO2. Strikingly, θ was smaller than 60° in all the magnesite- and opx-bearing multicomponent systems. Our results suggest that slab-derived fluid can infiltrate into the deep fore-arc mantle wedge through an interconnected network even in a CO2-bearing multicomponent system at pressures above 2 GPa, which facilitates significant fore-arc fluid circulation. The contrasting effects of aqueous fluid and silicate melt on the seismic wave velocity in a wide condition may allow for the possibility of mapping partial melt in the mantle wedge.

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俯冲带颗粒尺度流体连通性的实验约束

摘要 橄榄石与含水流体之间的二面角（θ）是识别颗粒尺度流体连通性的关键参数，除了地幔楔的物理性质外，它控制着俯冲带内含水流体的分布和运移。最近的大地电磁观测表明，弧前深部区域发生了显着的流体环流，这可以通过地幔楔中低θ的盐水流体下渗来解释( Huang等，2019 )。与盐成分一起，非极化气体（如 CO2）是俯冲带流体的重要成分。众所周知，在橄榄石不与 CO2 反应的条件下，CO2 会增加橄榄石流体 θ，这与 NaCl 对 θ 的影响相反。为了更好地理解地幔楔中多组分流体的连通性，我们在 1-4 GPa 和 800-1100 °C 条件下通过实验限制了橄榄石 + H2O-CO2 流体和橄榄石 + H2O-CO2-NaCl（多组分）流体系统中的 θ . 对于 H2O-CO2 系统，我们发现 CO2 在 1 GPa 和 800-1100 °C 以及 2 GPa 和 1100 °C 时趋于增加 θ。相比之下，即使在相对高压 (P) 和低温 (T) 条件下，CO2 也将 θ 降低到 60° 以下，其中橄榄石与 CO2 部分反应形成菱镁矿和斜方辉石 (opx)。仅在水性流体中不可湿性 CO2 组分的消耗不能解释 θ 低于纯 H2O 系统中的那些。橄榄石-菱镁矿 + H2O 和橄榄石-opx + H2O 系统的附加实验表明，菱镁矿或 opx 的存在降低了橄榄石-流体 θ，这意味着共存的矿物通过改变流体化学来影响橄榄石-流体界面能。多组分体系的结果表明，NaCl 对 θ 的影响比 CO2 的影响要显着得多。引人注目的是，在所有含菱镁矿和含 opx 的多组分系统中，θ 均小于 60°。我们的研究结果表明，即使在压力高于 2 GPa 的含 CO2 多组分系统中，板片衍生流体也可以通过互连网络渗入深前弧地幔楔，这促进了显着的前弧流体循环。含水流体和硅酸盐熔体在广泛条件下对地震波速度的对比影响可能允许绘制地幔楔中部分熔体的可能性。多组分体系的结果表明，NaCl 对 θ 的影响比 CO2 的影响要显着得多。引人注目的是，在所有含菱镁矿和含 opx 的多组分系统中，θ 均小于 60°。我们的研究结果表明，即使在压力高于 2 GPa 的含 CO2 多组分系统中，板片衍生流体也可以通过互连网络渗入深前弧地幔楔，这促进了显着的前弧流体循环。含水流体和硅酸盐熔体在广泛条件下对地震波速度的对比影响可能允许绘制地幔楔中部分熔体的可能性。多组分体系的结果表明，NaCl 对 θ 的影响比 CO2 的影响要显着得多。引人注目的是，在所有含菱镁矿和含 opx 的多组分系统中，θ 均小于 60°。我们的研究结果表明，即使在压力高于 2 GPa 的含 CO2 多组分系统中，板片衍生流体也可以通过互连网络渗入深前弧地幔楔，这促进了显着的前弧流体循环。含水流体和硅酸盐熔体在广泛条件下对地震波速度的对比影响可能允许绘制地幔楔中部分熔体的可能性。在所有含菱镁矿和含 opx 的多组分系统中，θ 小于 60°。我们的研究结果表明，即使在压力高于 2 GPa 的含 CO2 多组分系统中，板片衍生流体也可以通过互连网络渗入深前弧地幔楔，这促进了显着的前弧流体循环。含水流体和硅酸盐熔体在广泛条件下对地震波速度的对比影响可能允许绘制地幔楔中部分熔体的可能性。在所有含菱镁矿和含 opx 的多组分系统中，θ 小于 60°。我们的研究结果表明，即使在压力高于 2 GPa 的含 CO2 多组分系统中，板片衍生流体也可以通过互连网络渗入深前弧地幔楔，这促进了显着的前弧流体循环。含水流体和硅酸盐熔体在广泛条件下对地震波速度的对比影响可能允许绘制地幔楔中部分熔体的可能性。