The timescales of magmatic processes prior to a caldera-forming eruption

par Gareth Nicholas Fabbro

Thèse de doctorat en Volcanologie

Sous la direction de Timothy Druitt.

Soutenue le 24-04-2014

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire Magmas et Volcans (équipe de recherche) .

Le président du jury était Bruno Scaillet.

Le jury était composé de Timothy Druitt, Thierry Menand, Fidel Costa.

Les rapporteurs étaient Ralf Gertisser, Luca Caricchi.

  • Titre traduit

    Les échelles de temps des processus magmatiques avant une éruption caldérique


  • Résumé

    Les grandes éruptions caldériques sont parmi les phénomènes les plus destructeurs de la Terre, mais les processus à l’origine des grands réservoirs de magma siliceux et pauvre en cristaux qui alimentent ces éruptions ne sont pas bien compris. Le temps de stockage de ces réservoirs dans la croûte supérieure a un intérêt particulier. De longs temps de stockage—jusqu’à 105 ans—ont été estimés en utilisant les temps de repos entre les éruptions et les âges radiométriques des cristaux qui se trouvent dans les produits éruptifs. Par contre, des travaux récents sur la diffusion dans des cristaux suggèrent que les réservoirs qui alimentent même les plus grandes éruptions peuvent se mettre en place pendant une période beaucoup plus courte—101–102 ans. Afin de répondre à cette question, j’ai étudié l’éruption dacitique de Cape Riva de Santorin, Grèce (>10km3, 22 ka). Pendant les 18.000 ans précédant cette éruption, une série de dômes et de coulées dacitiques a été émise, alternant avec des dépôts de ponce dacitique (le complexe de dômes de Therasia). Ces dacites ont des compositions similaires à celle qui a été émise pendant l’éruption de Cape Riva, et ont été décrites précédemment comme des « fuites » provenant du réservoir de Cape Riva pendant sa croissance. Cependant, le magma de Cape Riva est appauvri en éléments incompatibles (tels que K, Zr, La, Ce) par rapport au magma de Therasia, une différence qui apparaît également dans les cristaux de plagioclase. Cette différence ne peut pas être expliquée par des processus peu profonds, tels que la cristallisation fractionnée ou l’assimilation de la croûte, ce qui suggère que les magmas de Cape Riva et Therasia ont des origines différentes. En outre, il existe des arguments tendant à montrer que les dacites de Therasia n’ont pas été alimentées par un réservoir majoritairement liquide ayant eu une longue durée de vie. Il y a des variations non systématiques dans la composition du magma, les compostions des bords ainsi que les caractéristiques des cristaux de plagioclase tout au long de la séquence. De plus, les temps de résidence à haute température des cristaux de plagioclase et d’orthopyroxène estimés par des modèles de diffusion sont 101–102 ans. Ces temps sont courts par rapport au temps moyen entre éruptions (1.500 ans), ce qui suggère que les cristaux observés dans chaque coulée ne se sont formés que peu de temps avant l’éruption. Les différentes teneurs en éléments incompatibles indiquent qu’un nouveau magma s’est mis en place dans le système volcanique superficiel peu de temps avant l’éruption de Cape Riva. Cet apport de magma a eu lieu après la dernière éruption de Therasia, qui s’est produite <2.800±1.400 ans avant l’éruption de Cape Riva selon les âges 40Ar/39Ar. Les périphéries des cristaux de plagioclase présents dans la dacite de Cape Riva sont en équilibre avec une rhyodacite, avec une composition similaire à celui du verre de l’éruption. Cependant, les zonations dans les éléments majeurs et traces enregistrent des changements dans la composition du liquide magmatique pendant la croissance des cristaux. La composition du centre de la plupart des cristaux de plagioclase est la même que celle des bords ; toutefois ces cristaux sont souvent partiellement résorbés, et la croissance a repris avec du plagioclase plus calcique. Ces cycles se répètent jusqu’à trois fois. La relation étroite entre la teneur en anorthite, Sr et Ti des différentes zones suggère que la composition des plagioclases est corrélé avec la composition du liquide, allant de liquides dacitiques à rhyodacitiques. Des cristaux d’orthopyroxène révèlent une séquence similaire. Les motifs de zonation sont interprétés comme un témoin de la formation du réservoir de Cape Riva dans la croûte supérieure par le mélange de plusieurs magmas ayant des compositions diverses. Des modèles de diffusion de Mg dans le plagioclase et de Fe–Mg dans l’orthopyroxène suggèrent que ce mélange a eu lieu 101–102 ans avant l’éruption.


  • Résumé

    Large, explosive, caldera-forming eruptions are amongst the most destructive phenomena on the planet, but the processes that allow the large bodies of crystal-poor silicic magma that feed them to assemble in the shallow crust are still poorly understood. Of particular interest is the timescales over which these reservoirs exist prior to eruption. Long storage times—up to 105 y—have previously been estimated using the repose times between eruptions and radiometric dating of crystals found within the eruptive products. However, more recent work modelling diffusion within single crystals has been used to argue that the reservoirs that feed even the largest eruptions are assembled over much shorter periods—101–102 y. In order to address this question, I studied the >10km3, 22-ka, dacitic Cape Riva eruption of Santorini, Greece. Over the 18 ky preceding the Cape Riva eruption a series of dacitic lava dome and coulées were erupted, and these lavas are interspersed with occasional dacitic pumice fall deposits (the Therasia dome complex). These dacites have similar major element contents to the dacite that was erupted during the Cape Riva eruption, and have previously been described as “precursory leaks” from the growing Cape Riva magma reservoir. However, the Cape Riva magma is depleted in incompatible elements (such as K, Zr, La, Ce) relative to the Therasia magma, as are the plagioclase crystals in the respective magmas. This difference cannot be explained using shallow processes such as fractional crystallisation or crustal assimilation, which suggests that the Cape Riva and Therasia magmas are separate batches. Furthermore, there is evidence that the Therasia dacites were not fed from a long-lived, melt-dominated reservoir. There are non-systematic variations in melt composition, plagioclase rim compositions, and plagioclase textures throughout the sequence. In addition, high-temperature residence times of plagioclase and orthopyroxene crystals from the Therasia dacites estimated using diffusion chronometry are 101–102 y. This is short compared to the average time between eruptions (1,500 y), which suggests the crystals in each lava grew only shortly before eruption. The different incompatible element contents of the Cape Riva and Therasia magmas and plagioclase crystals suggest that a new batch of incompatible-depleted silicic magma arrived in the shallow volcanic plumbing system shortly before the Cape Riva eruption. This influx must have taken place after the last Therasia eruption, which 40Ar/39Ar dates show occurred less than 2,800±1,400 years before the Cape Riva eruption. The rims of the plagioclase crystals found in the Cape Riva dacite are in equilibrium with a rhyodacite, with a similar composition to the Cape Riva glass. However, the major and trace element zoning patterns of the crystals record variations in the melt composition during their growth. The compositions at the centre of most crystals are the same as the rims; however, these crystals are often partially resorbed and overgrown by more calcic plagioclase. The plagioclase then grades normally back to rim compositions. This cycle is repeated up to three times. The tight relationships between the anorthite, Sr and Ti contents of the different zones suggests that the composition of the plagioclase crystals correlates with the composition of the melt from which theygrew. The different plagioclase compositions correspond to dacitic and rhyodacitic melt compositions. The orthopyroxene crystals reveal a similar sequence, although they only record one cycle. These zoning patterns are interpreted to document the assembly of the Cape Riva reservoir in the shallow crust through the amalgamation of multiple batches of compositionally diverse magma. Models of magnesium diffusion in plagioclase and Fe–Mg interdiffusion in orthopyroxene suggest that this amalgamation took place within 101–102 y of the Cape Riva eruption.


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