Dynamiques des zones de stockage à l’origine des grandes éruptions ponceuses de la Dominique (Arc des Petites Antilles)

Storage conditions and dynamics of magma reservoirs feeding the major pumiceous eruptions of Dominica (Lesser Antilles Arc)

• Auteur / Autrice : Clara Solaro-Müller
• Direction : Georges Boudon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre. Géochimie
• Date : Soutenance le 31/01/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Édouard Kaminski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Boudon, Édouard Kaminski, Tim H. Druitt, Olivier Bachmann, Hélène Balcone-Boissard, Fleurice Parat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tim H. Druitt, Olivier Bachmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Magmatisme

Loi des phases et équilibre

Pyroxènes

Pétrologie

Éruptions explosives

Dominique

Ignimbrites

Mots clés libres

Crystal system analysis

Arc des Petites Antilles

Crystal system analysis

Lesser Antilles Arc

Résumé

Les grandes éruptions explosives (10 to 1000 km3/eruption) ont été l’un des sujets principaux d’étude de la volcanologie moderne car elles représentent des éruptions de grand impact sur la nature et sur les installations humaines sur Terre. Les pétrologues ont démontré que la proportion de cristaux dans les produits de ces éruptions peut être utilisée pour étudier les dynamiques pré-éruptives de la plomberie magmatique et contraindre les échelles de temps des processus magmatiques. Plus précisément, de nombreuses études ont prouvé que ces cristaux peuvent être remobilisés en des temps courts de 10 à 100 ans avant l’éruption, ce qui rend ces systèmes significativement dynamiques. Plusieurs éruptions ignimbritiques d’un volume de l’ordre de la dizaine de km3 ont été reconnues en Dominique (Arc des Petites Antilles). Nous présentons ici, sur la base d’une étude stratigraphique détaillée, une étude pétrologique des ponces de la phase plinienne qui débute les trois éruptions ponceuses majeures de la Dominique : Layou (~51kyrs cal BP), Roseau (~33kyrs cal BP) et Grand Fond (~24kyrs cal BP). En combinant une étude pétrologique des produits naturels et des produits issus des travaux de pétrologie expérimentale, nous proposons un modèle complet des réservoirs à l’origine des trois éruptions. Les magmas sont des dacites à forte teneur en cristaux (~30%), comprenant plagioclases, orthopyroxènes, clinopyroxènes, amphiboles et oxydes. Les expériences d’équilibre de phases sur ces dacites ont permis de contraindre les conditions de stockage à 850°C, 400 MPa (16 km), ~ΔNNO+1 et une teneur en eau pré-éruptive de ~6-8 wt % pour les trois éruptions. Les orthopyroxènes ont été utilisés pour étudier les dynamiques pré-éruptives du système magmatique. Par une analyse systématique (« Crystal system analysis ») de leur zonation nous avons défini différents environnements magmatiques et leur connections. Les échelles de temps des dynamiques pré-éruptives sont calculées par modélisation de l’interdiffusion Fe-Mg dans les orthopyroxènes. Les caractéristiques chimiques et texturales des orthopyroxènes montrent que ~80-85% des cristaux sont non-zonés, tandis que 15-20% présentent une zonation multiple, normale ou inverse, avec prévalence de cette dernière. Les cristaux non zonés représentent l’environnement magmatique principal, alors que les zonés suggèrent une perturbation pré-éruptive du réservoir. Le « crystal system analysis » appliqué à ces derniers suggère la présence de 4 environnements magmatiques (MEs), avec un mouvement principal des cristaux vers des MEs de compositions moins évoluées, lié à la zonation inverse des cristaux. Cependant, la composition des inclusions vitreuses des orthopyroxènes, montre que les différents MEs sont en équilibre avec un verre de même composition. Ces considérations, couplées aux résultats d’équilibres de phases, nous permettent de définir le réservoir comme un environnement fortement cristallisé (~30%), modérément froid (~850°C) et fortement oxydé (~ΔNNO+1) possédant 80-85% de cristaux non-zonés, remobilisé par un réchauffement de 25-30°C produit par l’injection d’un magma plus chaud sous-jacent. La modélisation de l’interdiffusion Fe-Mg dans les orthopyroxènes indique que le réchauffement s’est produit ~10 ans avant chaque éruption. Ce processus crée la zonation inverse retrouvée dans 15-20% des orthopyroxènes et développe un panache thermique interne au réservoir qui est responsable de l’hétérogénéité cristalline retrouvée dans les échantillons

Large silicic eruptions (tens to hundreds of km3/eruption) have been a main subject of study for modern volcanology as they represent volcanic events of great impact on environment and human settlement on Earth. Petrologists have demonstrated that the crystal “cargo” of these eruptions can be used to unravel the pre-eruptive dynamic of their magmatic plumbing system and constrain timescales of the related magmatic processes. Specifically, several studies have proved that this “crystal cargo” can be remobilized and brought to eruption in short timescales of decades to centuries, making these systems more dynamic than previously believed.Several ignimbritic eruptions with a volume of the order of ~10 km3 have been recognized in Dominica (Lesser Antilles arc). On the basis of a detailed chronostratigraphy of the deposits, we present an integrated petrological study of the plinian fallout deposit of the latest three ignimbritic eruptions of Layou (~51kyrs cal BP), Roseau (~33kyrs cal BP) and Grand Fond (~24kyrs cal BP). We combine natural and experimental petrology to investigate the prevailing storage conditions within the reservoir that fed each eruption. Whole rocks are all dacites with crystal contents of ~30%, comprising plagioclase (An50-78), orthopyroxene (En47-63), clinopyroxene (Wo44-45), amphibole (Mg# 0.52-0.60) and Fe-Ti oxide (Mag71-75 and Ilm86-87) and rhyolitic residual melt. Pre-eruptive storage conditions of 850 (±5) °C, 400 MPa (16 km depth), ~ΔNNO+1 and melt water content of ~6-8wt% were determined for all studied eruptions through phase equilibria experiments. Orthopyroxenes were used to investigate the architecture and pre-eruptive dynamics of the plumbing system through a crystal system analysis (CSA) combined to a Fe-Mg diffusion modelling. Textural and chemical features of analysed orthopyroxenes prove that for all eruptions ~80-85% of crystals are unzoned while 15-20% present clear normal, reverse and multiple zoning, with reverse zoning being prevalent. Unzoned crystals represent the main magmatic environment (ME) while reverse zoned ones suggest a pre-eruptive perturbation of the reservoir. 4 MEs are evidenced, with a main movement of crystals towards MEs of less evolved composition, linked with the observed reverse zoning. Nevertheless, major element composition of orthopyroxene-hosted melt inclusions shows that all MEs are in equilibrium with the same melt. Combining results on natural and experimental petrology we can define the reservoirs as a highly crystalline (~30%), moderately cold (850°C) and highly oxidized (~ΔNNO+1) environment with 80-85% of unzoned orthopyroxenes, and 15-20% of zoned orthopyroxenes recording a heating process of 25-30°C, possibly produced by an underplating hotter magma that is responsible of the rejuvenation of the reservoir. By modelling the diffusional relaxation of Fe-Mg chemical gradient on zoned orthopyroxenes, we argue that this heating occurs in short timescales of ~10 years prior to each eruption. This heating process develops, over the considered eruptive time, a plume heating geometry able to bring together, on the scale of the hand sample, crystals of different magmatic environments (MEs)