Contraintes apportées par les gaz rares sur les processus de dégazage des magmas en contexte explosif

par Lorraine Ruzié

Thèse de doctorat en Géochimie

Sous la direction de Manuel Moreira.

Soutenue en 2011

à l'Institut de Physique du Globe (Paris) .


  • Résumé

    Nous avons appliqué la géochimie des gaz rares à la dynamique des éruptions explosives. Eléments traces, inertes chimiquement, les gaz rares sont, en effet, de parfaits traceurs de sources mais aussi des processus physiques comme le dégazage des magmas. Premièrement, nous nous sommes intéressés au dégazage passif d’un corps magmatique en période de repos à travers l’étude de fluides hydrothermaux collectés à la surface. Deuxièmement, nous avons exploré le dégazage actif d’un magma lors des explosions pliniennes à travers l’étude de la phase gazeuse contenue dans les ponces. Dans ces différents types d’échantillons, nous avons mesuré les fractionnements élémentaires et isotopiques des cinq gaz rares permettant ainsi d’amener une contrainte temporelle sur ces processus. Le dégazage passif des magmas est étudié principalement sur le volcan de la Soufrière de Guadeloupe. Nous avons commencé par contraindre le fonctionnement du système hydrothermal en couplant les gaz rares aux méthodes de surveillances géochimiques actuelles. Puis, nous nous sommes affranchis de cette perturbation superficielle pour estimer la fréquence de remplissage de la chambre depuis la dernière éruption magmatique. Cette estimation, basée sur les flux d’hélium émis par le volcan en lien avec les données géophysiques, nous a permis d’émettre une nouvelle théorie sur l’origine de la crise phréatique de 1976-77. Cette crise serait le résultat d’une injection de magma entre 1959-1962 et d’une obturation du système hydrothermal durant les années suivantes. L’étude du dégazage actif des magmas lors des éruptions pliniennes a été réalisée en mesurant les concentrations et les rapports isotopiques des gaz rares contenus dans les vésicules fermées des pierres ponces. Nos mesures réalisées sur des ponces issues de zones de subduction et de points chauds sont indépendantes du contexte géodynamique, de l’âge de la ponce et de la puissance de l’éruption, mais similaires pour une même éruption. Nos ponces sont caractérisées par un enrichissement systématique en néon par rapport à l’argon et par un rapport isotopique 38Ar/36Ar fractionné, corrélé au facteur de fractionnement du 84Kr. Nous proposons ici un modèle numérique de dégazage cinétique du magma avant sa fragmentation montrant la rapidité du processus : quelques minutes seulement semblent nécessaires. Nous avons appliqué ces nouvelles connaissances pour étudier les trois dernières éruptions pliniennes de la Montagne Pelée. Grâce à cette étude systématique, nous confirmons l’utilisation des fractionnements élémentaires pour identifier à quelle éruption un affleurement peut être attribué. Nous démontrons que les différentes signatures en gaz rares des ponces sont le résultat de deux temps différents de dégazage. Nous sommes également capables de contraindre l’efficacité de la fragmentation, dissociant fragmentation grossière et fragmentation fine.

  • Titre traduit

    Noble gas constraints on magma degassing processes in explosive volcanoes


  • Résumé

    Noble gases are used to study magma degassing processes during explosive eruptions. They are trace elements and ideal tracers of physical processes since chemically inert. We essentially focused on the passive degassing of magma in quiescent volcanic periods and on the active degassing of magma during explosive eruptions. The passive degassing was investigated by measuring helium concentration and isotopic ratios in thermal springs and fumaroles in La Soufrière volcano (Guadeloupe, F. W. I. ). By combining our study with carbon data, we are now able to understand the behaviour of the hydrothermal system. Then, 3He fluxes in both fumaroles and springs have been estimated and related to 3He content in the magma chamber. In order to maintain the 3He flux measured at the surface, we conclude that the magma chamber must be regularly fed by fresh magma batches. Using our new results and data from literature, we propose that the historical activity of la Soufrière volcano can be explained by both abnormal energy inputs from new magma batches in the chamber and cycles of clogging of the hydrothermal system. We propose a new scenario for the origin of the 1976-1977 crisis whereby a fresh batch of magma could have been emplaced possibly between 1959 and 1962 in the magma chamber. The resulting heat flux is not stored in the different aquifers but preferentially evacuated through fractures reactivated or created during the 1956 phreatic eruption. Only when the self-sealing of the hydrothermal system is sufficiently developed, can pressure and temperature within the aquifers rapidly increase to trigger a crisis. To assess active magma degassing processes during Plinian eruptions, noble gas abundances and isotopic ratios have been determined in preserved vesicles of pumices. All samples are characterized by a systematic enrichment in neon over argon and an isotopically fractioned 38Ar/36Ar ratio associated with the fractionation factor of 84Kr. These features do not depend on geological setting, or on pumice age, or eruption intensity. However, they are similar for pumices from the same eruption. We propose here a model of kinetic magma degassing before fragmentation. The model explains measurements and shows the rapidity of the magma degassing process in the conduit (few minutes). Then, we analysed samples coming from the last three Plinian eruptions of Montagne Pelée volcano (F. W. I. ). Thanks to this new study, we confirmed the use of noble gas patterns to identify to which eruption an outcrop can be associated. We also demonstrate that the elemental and isotopic fractionations of noble gases in pumices are the result of two different degassing times. For the last Plinian eruption, we are also able to evaluate the efficiency of the fragmentation, separating coarse fragmentation and fine fragmentation.

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  • Détails : 1 vol. (xxii-182-22 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.169-180

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