Study of crystal-hosted melt inclusions at Santorini (Greece), with implications for magma genesis and plumbing system processes

par Taya Therese Flaherty

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers

Sous la direction de Timothy Druitt et de Pierre Schiano.

Le président du jury était Lucia Gurioli.

Le jury était composé de Lorella Francalanci, Muriel Laubier.

Les rapporteurs étaient Ralf Gertisser, Luca Caricchi.

  • Titre traduit

    Étude des inclusions magmatiques du Santorin (Grèce) : implications pour la genèse des magmas et les processus magmatiques


  • Résumé

    Un grand nombre de volcans d’arc sont capables de produire des éruptions caldériques. Le volcan de Santorin (South Aegean Volcanic Arc, l’Égée-Méridionale, Grèce) est un volcan d’arc responsable de plusieurs éruptions de ce type au cours de ses 0,65 Ma d’activité, et dont l’éruption de l’Âge de Bronze Tardif (éruption Late Bronze Age, LBA) est la plus récente. Pourtant, de nombreuses questions sur le système volcanique de Santorin restent non résolues telles que la nature des magmas primaires et la manière dont leurs compositions changent au cours du temps, l’origine des magmas intermédiaires et acides, les raisons des tendances géochimiques des magmas acides observées sur le long terme, et la nature des changements se produisant dans le système magmatique dans la période précédant une grande éruption caldérique. Dans cette thèse, je présente un large ensemble de données de haute précision sur les inclusions vitreuses et les verres matriciels, afin de répondre aux questions relatives à la genèse et l’évolution des magmas du Santorin.Notre échantillonnage est composé de nombreuses inclusions vitreuses piégées dans des cristaux d’olivine dont les compositions basaltiques primitives sont rarement représentées par les roches totales du Santorin et plus généralement de l’ensemble de l’arc volcanique. Ces inclusions vitreuses révèlent qu’il existe une gamme de teneurs en éléments en traces incompatibles dans les magmas basaltiques les plus primitifs du Santorin. Les inclusions primitives présentent une signature géochimique typique des magmas de zone de subduction. La gamme des compositions varie d’appauvri à enrichi en éléments incompatibles, appelés type low Nb et type high Nb. Les rapports La/Yb des inclusions vitreuses primitives sont compris entre 1,5 (plat, de genre tholéitique) dans le type low Nb et 3,2 (incliné, de genre calco-alcalin) dans le type high Nb. Nous avons calculé les compositions des liquides magmatiques primaires en utilisant différentes méthodes et nous avons mis en évidence que les liquides primaires parentaux des magmas de types low Nb et high Nb sont respectivement appauvris et enrichis en éléments incompatibles. Les différents types de magmas primitifs ne peuvent pas être expliqués par la cristallisation fractionnée de l’un de ces magmas, mais sont plutôt associés à différents degrés de fusion partielle du manteau. Nous avons déterminé les degrés de fusion partielle (F) du manteau en utilisant le logiciel de modélisation petro-génétique PRIMACALC2 (F = 6% pour les liquides silicatés primaires high Nb, F = 8% pour les liquides silicatés primaires low Nb) et en effectuant des modèles de fusion partielle du manteau (F = 18% pour les liquides silicatés primaires high Nb, F = 22% pour les liquides silicatés primaires low Nb). Les valeurs de F obtenues à partir de ces deux approches diffèrent. Cependant, les résultats obtenus montrent qu’une différence dans le degré de fusion partielle du manteau peut expliquer la gamme des compositions observée entre les différents types de magmas primitifs. La signature métasomatique prédominante dans les liquides primaires provient de la fusion partielle des sédiments de la plaque plongeante. Il y a peu de preuves de l’influence de fluides aqueux provenant de la plaque plongeante. Il y a peut-être une influence du rutile résiduel, mais celle-ci ne domine pas l’origine des différentes séries. Il n’existe aucune tendance temporelle cohérente dans les magmas basaltiques parentaux au cours du temps, ce qui suggère que les différents types de magmas primaires sont restés disponibles pour l’ascension dans la croûte durant la plupart de l’histoire du volcanisme du Santorin. (...)


  • Résumé

    Many arc volcanoes are capable of producing devastating caldera-forming eruptions. Santorini Volcano (South Aegean Volcanic Arc, southern Aegean Sea, Greece) is an arc volcano responsible for numerous such eruptions over its >0.65 My history, the most recent being the Late Bronze Age (LBA) eruption. However, there are a number of unresolved questions relating to the Santorini volcanic system including the nature of the primary magmas of Santorini and how they change with time, differentiation processes and the relationship between mafic and silicic magmas, the origins of long-term geochemical trends in magma composition, and what changes occur in the plumbing system during the build-up to a large caldera-forming eruption. In this thesis, I present a large set of high-resolution crystal-hosted melt inclusion (MI) and groundmass glass data to address these questions relating to the nature of magma genesis and differentiation at Santorini.The dataset includes many olivine-hosted MIs of primitive basaltic composition, which are rare as whole rocks on Santorini and in the volcanic arc in general. These MIs show there is a range in the incompatible trace element chemistry of the most primitive basaltic melts at Santorini. Primitive MIs have typical subduction zone geochemical signatures and vary between incompatible-poor and incompatible-rich types, which we refer to as low Nb and high Nb primitive melt types, respectively. The primitive MIs range in La/Yb from 1.5 (flat, tholeiitic-like) in the low Nb type to 3.2 (inclined, calc-alkaline-like) in the high Nb type. We back-calculate primary melt compositions using different methods and find that the primary melts parental to the low Nb and high Nb MIs have respectively low Nb and high Nb characteristics. The low Nb and high Nb type primitive melts cannot be related by fractional crystallization but are instead related by different degrees of partial melting of the mantle. We derived the degree of mantle partial melting (F) using the petrogenetic modelling software PRIMACALC2 (F = 6% for high Nb primary melt; F= 8% for low Nb primary melt) and carrying out mantle melting models (F = 18% for high Nb primary melt; F = 22% for low Nb primary melt). The two approaches differ in F but agree that a different degree of melting can explain the compositional variation between the two endmember Nb melt types. The predominant metasomatic signature in the primary melts is from melting of sediment in the subducted slab; there is very little evidence for slab-derived aqueous fluids. There may be some influence from residual rutile in the slab, but this does not dominate the different Nb groupings. There is no consistent temporal change in the primary basaltic melts with time, suggesting that the two different endmember primary melts have been available for ascent into the crust over much of the history of the volcano. We conclude that at least two mantle source domains exist below Santorini: a source giving way to low Nb primary melts (characterized by higher sediment melt signatures and a higher degree of partial melting) and one giving rise to high Nb primary melt (characterized by a smaller, yet still prominent, sediment melt signature and associated with a few percent less melting). The absence of a strong slab-derived aqueous fluid component, coupled with the presence of arc tholeiitic compositions and regional extension around the volcanic field, suggests there could be a role of decompression melting beneath Santorini. (...)


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