Architecture de la plomberie du volcan carbonatitique Oldoinyo Lengai : nouvelles contraintes sur la source, les transferts hydrothermaux, et la différenciation magmatique dans la chambre active

par Gaëlle Mollex

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Bernard Marty et de Lydéric France.

Le président du jury était Anne-Sylvie André-Mayer.

Le jury était composé de Fleurice Parat, Andrea Di Muro, Max Schmidt.

Les rapporteurs étaient Fleurice Parat, Andrea Di Muro.


  • Résumé

    La particularité de l’Oldoinyo Lengai à émettre des laves natrocarbonatitiques fait de ce volcan un laboratoire naturel pour l’étude de la genèse de ces magmas. De nouvelles mesures isotopiques en hélium nous ont permis de constater que la signature des fumerolles est constante depuis 1988 malgré le changement morphologique considérable du cratère sommital lors de la dernière éruption subplinienne de 2007-2008. L’alternance des éruptions explosives et effusives n’engendre donc aucune modification majeure dans l’organisation du système hydrothermal qui est par conséquent profondément enraciné. Les xénolites cogénétiques qui ont été émis lors de l’éruption de 2007-2008 permettent d’étudier directement les processus magmatiques qui se déroulent dans la chambre magmatique active. La comparaison des signatures isotopiques des gaz rares (hélium) de la chambre magmatique et des volcans silicatés de la région d’Arusha montre que les deux types de magmatisme ont une source analogue identifiée comme un manteau lithosphérique subcontinental préalablement métasomatisé par des fluides asthénosphériques. De plus, ces signatures isotopiques confirment l’absence de contaminations crustale lors de la remontée du magma entre le manteau source et la surface. Une description pétrographique de détail couplée à une approche thermobarométrique, ainsi qu’à la détermination des modèles de solubilité des volatils dans les liquides phonolitiques, nous a permis d’identifier l’évolution du liquide dans la chambre magmatique et ses paramètres de stockage. Les résultats nous révèlent que le magma injecté en 2007 a une composition phonolitique et des teneurs élevées en volatils (3.2 wt.% de H2O et 1.4 wt.% de CO2) ainsi qu’une température d'environ 1060° C. Ce magma évolue ensuite dans la chambre magmatique crustale se trouvant à 11.5±3.5 km de profondeur jusqu’à atteindre une composition de néphélinite et une température de 880°C. Pendant sa différenciation, le magma silicaté s’enrichit en calcium, sodium, magnésium et fer alors que sa concentration en silice, potassium et aluminium décroit. Ces résultats concordent avec les précédents relatifs à cette éruption, ou aux produits volcaniques plus anciens émis tout au long de la vie du volcan. Cette similarité suggère qu’aucun changement majeur n’ait eu lieu dans l’organisation de la plomberie du volcan Oldoinyo Lengai au cours de son évolution. Les mesures en éléments traces (REE, HFSE et LILE) dans les minéraux cristallisés lors de cette séquence de différenciation, et les inclusions magmatiques associées montrent un enrichissement pouvant atteindre de 100 à 1000 fois la composition du manteau primitif. Une étude expérimentale préliminaire s’appuyant sur la composition du liquide de recharge (phonolite) et les conditions (P, T) identifiées pour la chambre magmatique nous a permis de reproduire l'immiscibilité entre un liquide silicaté et carbonatitique, processus à l’origine de la formation des carbonatites de l’Oldoinyo Lengai. La poursuite de ces travaux expérimentaux permettra de mieux contraindre la genèse des magmas carbonatitiques et ainsi comprendre les processus en jeux dans l’enrichissement en éléments traces des magmas carbonatitiques

  • Titre traduit

    Architecture of the plumbing of the Oldoinyo Lengai carbonatitic volcano : New constraints on the source, hydrothermal transfer, and magmatic differentiation in the active chamber


  • Résumé

    The uniqueness of Oldoinyo Lengai to emit natrocarbonatite lavas makes this volcano a natural laboratory to study the genesis of these magmas. New helium isotopic data permit to assert that the signature of the fumaroles has been constant since 1988 despite the radical morphological change of the summit crater after the last sub-Plinian eruption in 2007-2008. The alternation of the effusive and explosive eruptions does not cause major modifications in the hydrothermal system architecture, which is inferred to be deeply rooted. Cognate xenoliths that were emitted during the eruption in 2007-2008 represent a unique opportunity to document the igneous processes occurring within the active magma chamber. The comparison between the noble gas (helium) isotopic compositions of the active magma chamber and those of the other silicate volcanoes of the Arusha region indicates that both types of magmatism have similar sources, identified as being a typical sub-continental lithospheric mantle, which was previously metasomatized by asthenospheric fluids. Moreover, these isotopic signatures confirm that no crustal contamination has occurred during the magma ascent from the mantle to the surface. Detailed petrographic descriptions coupled to a thermo-barometric approach, and to the determination of volatile solubility models for a phonolite composition, allow us to identify the melt evolution at magma chamber conditions and the storage parameters. These results indicate that the magma injected in 2007 has a phonolitic composition and contains a high amount of volatiles (3.2 wt.% H2O and 1.4 wt.% CO2) as well as a temperature around 1060° C. This magma subsequently evolved in the crustal magma chamber located at 11.5 ± 3.5 km depth until reaching a nephelinite composition and a temperature of 880°C. During the differentiation in the magma chamber, the silicate magma is enriched in calcium, sodium, magnesium and iron, whereas the content of silicate, potassium and aluminum decreases. Our results support previous studies related to this eruption, and are similar to the historical products emitted during the whole volcano history, permitting the suggestion that no major modification in the plumbing system has occurred during the Oldoinyo Lengai evolution. The trace elements (REE, LILE and HFSE) measured in the minerals and melt inclusions reveal a concentration reaching 100 to 1000 times the primitive mantle composition. A preliminary experimental study based on the recharge melt composition (phonolite) and identified magma chamber conditions (P, T) permits to reproduce the immiscibility between silicate and carbonatite liquids, key processes at the origin of the Oldoinyo Lengai carbonatites. The continuation of this experimental study will lead to a better comprehension of the carbonatite genesis, thus improving our understanding of the processes that are responsible for the enrichment in trace elements


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