Ascension et dégazage des magmas basaltiques : application aux volcans d'Islande et de la Chaîne des Puys (France)

Ascent and degassing of basaltic magmas : case studies in Iceland and in the Chaîne des Puys (France)

• Auteur / Autrice : Baptiste Haddadi
• Direction : Didier Laporte, Olgeir Sigmarsson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pétrologie
• Date : Soutenance le 04/11/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans - Laboratoire Magmas et Volcans / LMV
• Jury : Président / Présidente : Patrick Bachèlery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Laporte, Olgeir Sigmarsson, Magnús Guðmundsson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Edmonds, Nicole Métrich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inclusions

Pyroxènes

Roches volcaniques

Éruptions explosives

Mots clés libres

Grímsvötn

Holuhraun

Puys de La Vache et Lassolas

Eruptions basaltiques

Clinopyroxène

Inclusions magmatiques

Thermobarométrie

Grímsvötn

Holuhraun

Puys de La Vache and Lassolas

Basaltic eruptions

Clinopyroxene

Melt inclusions

Thermobarometry

Résumé

En comparaison aux éruptions basaltiques effusives, les éruptions basaltiques explosives sont relativement rares et leurs propriétés physiques sont mal comprises. L’objectif de cette thèse est d’étudier les causes à l’origine de l’explosivité des magmas basaltiques en caractérisant les produits volcaniques de l’éruption subplinienne trachybasaltique des Puys de La Vache-Lassolas (Chaîne des Puys, France) et des éruptions phréatomagmatiques et subpliniennes de magma basaltique tholéiitique du Grímsvötn (Islande). Les minéraux, verres matriciels et inclusions magmatiques (MI) ont été analysés à la microsonde électronique afin d’estimer les concentrations en éléments volatils (initiales et finales) et les pressions (P) et températures (T) de cristallisation, en utilisant la thermobarométrie basée sur l’équilibre clinopyroxène-liquide. Une étude expérimentale a été réalisée afin de mieux comprendre les limites de la thermobarométrie clinopyroxène-liquide à des pressions crustales et pendant l’ascension magmatique. Quatre éruptions de Grímsvötn ont été étudiées : deux phréatomagmatiques (celles de 1823 et 2004) et deux (sub-)pliniennes (1873 et 2011). Les éruptions subpliniennes ont des concentrations en éléments volatils plus élevées que celles des phréatomagmatiques. De plus, les premières sont également sujettes à une exsolution plus poussée du gaz dissous, ce qui se traduit par des émissions atmosphériques plus importantes. Quelle que soit l’explosivité d’une éruption du Grímsvötn, les équilibres clinopyroxène-liquide (verre matriciel ou MI) ont enregistré la même profondeur de cristallisation : ~15 km. Ceci suggère que la chambre magmatique superficielle du système magmatique du Grímsvötn puisse agir comme un réservoir dans lequel le gaz exsolvé d’un magma plus profond est stocké et accumulé entre les éruptions. La gamme de variabilité thermique des équilibres clinopyroxène-MI est plus restreinte pour les éruptions du 19ème siècle, ce qui suggère que le système magmatique du Grímsvötn était plus perméable en réponse à l’évènement volcano-tectonique du Laki (1783-84). La température moyenne des équilibres clinopyroxène-verre matriciel des quatre éruptions décroît avec le temps, suggérant que le système magmatique du Grímsvötn, dans son ensemble, est en cours de refroidissement. Les produits des Puys de La Vache-Lassolas ont enregistré une contribution magmatique plus profonde : vers 30 km. Les concentrations initiales en éléments volatils et leurs rapports sont plus proches de ceux des magmas d’arc que de tout autre contexte tectonique. Cette observation remet en question l’existence d’un point chaud sous la Chaîne des Puys. La contribution significative de magma d’origine profonde est en accord avec la cristallisation simultanée du clinopyroxène et de l’olivine. L’éruption des Puys de La Vache-Lassolas a émis 0,5 Tg de HF, 0,7 Tg de HCl et 7,3 Tg de SO2, illustrant le risque volcanique auquel est confrontée la population auvergnate. Afin de mieux contraindre les estimations pétrologiques de pression et température, une étude expérimentale au piston-cylindre a été réalisée. Elle porte sur la stabilité du clinopyroxène dans le magma tholéiitique de l’éruption 2014-15 d’Holuhraun (Islande). L’absence d’olivine dans la gamme de pression entre 0,5 et 1,0 GPa, associée à la présence de clinopyroxène indique que le clinopyroxène est la première phase au liquidus. Ceci confirme l’importance de la thermobarométrie clinopyroxène-liquide pour l’estimation des P et T de cristallisation des magmas tholéiitiques islandais. Les expériences au cours desquelles la pression a été diminuée de 1,0 à 0,5 GPa, puis maintenue constante, montrent que l’équilibre entre clinopyroxène et liquide n’est pas encore atteint après 24 heures à 0,5 GPa. Par conséquent, un temps de résidence de plusieurs jours à P et T constantes est nécessaire pour obtenir des estimations thermobarométriques fiables.

Explosive basaltic eruptions are rare compared to effusive ones and the underlying physical mechanisms are poorly understood. The goal of this thesis is to study the causes of basaltic magma explosivity by characterizing the volcanic products of the subplinian eruption of trachy-basalt at the Puys de La Vache-Lassolas complex (Chaîne des Puys, France) and of phreatomagmatic and sub-plinian eruptions of tholeiitic magma at Grímsvötn volcano (Iceland). Minerals, matrix glasses and melt inclusions (Mis) were analysed with an electron microprobe to estimate volatile concentrations (initial and final), and pressure (P) and temperature (T) of crystallization using clinopyroxene-liquid thermobarometry. In addition, an experimental study was performed to better understand the limitations of clinopyroxeneliquid thermobarometry at moderate pressures and during magma ascent. Four eruptions were studied at Grímsvötn: two phreatomagmatic (AD1823 and AD2004) and two subplinian (AD1873 and AD2011). The subplinian eruptions have volatile concentrations higher than the phreatomagmatic ones, together with more efficient gas exsolution, leading to significantly higher atmospheric mass loading. Regardless of the eruptive regime, clinopyroxene-liquid (matrix glass or MI) equilibria in Grímsvötn magmas record the same depth of crystallization, namely ~15 km. This suggests that the shallow magma chamber of Grímsvötn plumbing system may only act as a reservoir in which gas exsolved from deeper origin is stored and accumulates between eruptions. The lower variability of clinopyroxene-MI equilibrium T in the 19th century eruptions, suggests important Grímsvötn magma system permeability following the Laki volcano-tectonic event end of 18th century. Average matrix glass-clinopyroxene equilibrium T decreases with time suggesting that Grímsvötn magma plumbing system as a whole may be slowly cooling over the last two centuries. Puys de La Vache-Lassolas products record a deeper magma contribution, from approximately 30 km depth. Initial volatile concentrations and ratios of the ~8.6 ka eruption are closer to those of arc magmas than to magmas from any other tectonic settings. This observation calls into a question the Chaîne des Puys hotspot hypothesis. The significant contribution of deep-derived magma is coherent with the crystallization of clinopyroxene contemporaneously with olivine. The Puys de La Vache-Lassolas eruption carried 0.5 Tg of HF, 0.7 Tg of HCl and 7.3 Tg of SO2 into the atmosphere illustrating the volcanic hazard to the Auvergne population. In order to better constrain petrological P-T estimations, a piston-cylinder experimental study of clinopyroxene stability in a tholeiitic magma (Holuhraun 2014-15, Iceland) was undertaken. The absence of olivine in the pressure range 0.5-1 GPa and the presence of clinopyroxene indicate that clinopyroxene is the first phase at the liquidus, confirming the importance of clinopyroxene-liquid thermobarometers when estimating P and T of crystallization of Icelandic tholeiitic magmas. Experiments in which P was decreased from 1 to 0.5 GPa and then kept constant show that equilibrium between clinopyroxene and liquid is still not reached after 24 hours at 0.5 GPa. Thus a residence time of several days at constant P and T is required to obtain reliable thermobarometric estimates.