Étude de l'origine et de la dynamique des éruptions passées de La Soufrière de Guadeloupe à partir de l'étude des inclusions vitreuses et des minéraux : implications pour une réactivation éruptive future et son impact environnemental

Insights into the origin and dynamics of past eruptions of La Soufrière de Guadeloupe from melt inclusions : implications for future unrest and environmental impact

• Auteur / Autrice : Abigail Metcalfe
• Direction : Jean-Christophe Komorowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 21/01/2022
• Etablissement(s) : Université 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Tim H. Druitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tim H. Druitt, Fidel Costa, Hélène Balcone-Boissard, Mike Cassidy, Isabelle Martinez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tim H. Druitt, Fidel Costa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éruptions volcaniques

Soufrière, La (Guadeloupe ; volcan)

Effets des éruptions volcaniques

Environnement

Magmas

Inclusions

Roches vitreuses

Mots clés libres

Inclusions en verre

Échelles de temps de diffusion

La Soufrière de Guadeloupe

Style d'éruption

Vitesse de remontée

Volatiles

Melt inclusions

Diffusion timescales

La Soufrière de Guadeloupe

Eruption style

Ascent rate

Volatiles

Résumé

La Soufrière de Guadeloupe dans les Petites Antilles a connu une réactivation croissante au cours des25 dernières années, surtout depuis 2018. Une éruption magmatique pourrait avoir un impact direct sur 80 000 personnes dans le sud de Basse-Terre. Ce volcan a produit des éruptions magmatiques d'intensité variable. Cette thèse examine les dépôts basaltiques-andésitiques à andésitiques de quatre éruptions explosives de La Soufrière : 1657 Cal. CE (Vulcanien, VEI 2), 1010 Cal. CE (Plinienne, VEI 4), 341 Cal. CE (strombolienne, VEI 2) et 5680 Cal. CE (Plinien, VEI 4) et les compare à la base de données de l’éruption de 1530 Cal. CE (sub-plinienne, VEI 3). Nous couvrons ainsi une large gamme de styles, d'âges et de magnitudes d'éruptions explosives. Nous étudions aussi les dépôts de basaltes du complexe des Monts Caraïbes, situé au sud de Basse Terre, candidat probable de la source du magma primitif. Pour mieux contraindre la région de stockage et les processus se produisant sous le volcan, nous caractérisons la géochimie des magmas pré-éruptifs en utilisant des analyses détaillées des verres volcaniques (inclusions magmatiques et verres matriciels). Nous utilisons également la diffusion de Fe-Mg dans les orthopyroxènes pour contraindre les échelles de temps des processus magmatiques se produisant dans le système de mush. De plus, en utilisant la zone de composition la plus externe, nous calculons l'échelle de temps entre le dernier événement de recharge/mélange dans le système magmatique et l'éruption. Nous avons modélisé ces données comme des processus aléatoires dont les distributions de probabilité fournissent les échelles de temps attendues (''moyennes'') et les erreurs standard associées pour chaque éruption. Enfin, nous étudions l'impact sur le climat que les différentes éruptions peuvent avoir en modélisant l'injection de SO2. Les concentrations en éléments majeurs dans la roche totale (WR), le verre matriciel (GM) et les inclusions magmatiques (MI) montrent une forte tendance linéaire et sont génétiquement liées par la cristallisation fractionnée du magma parental (comparable au magma des Mont Caraïbes). Les magmas étudiés sont produits entre 6 et 9 Km et stockés à une température moyenne de 1000oC. La variabilité compositionnelle observée pour chaque éruption ainsi que pour les différentes populations minérales peuvent être expliquées par le stockage du magma dans un système de mush. Nous trouvons des échelles de temps attendues entre la dernière recharge dans le réservoir magmatique et l’éruption allant de 19 ±0,37 jours à 361 ±0,4 jours. Ces processus magmatiques précédant une éruption (même une VEI 4) peuvent se produire sur des échelles de temps relativement courtes, sans que l'on observe de distinction claire entre l'intensité de l'éruption et les échelles de temps. Nous n'observons également aucun lien direct entre la composition des éléments majeurs et volatils et l'intensité de l'éruption. En revanche, nous trouvons que des taux d'ascension de >4 m/s peuvent entraîner de grandes éruptions (p.e., VEI 4) et que des taux d'ascension de 1 - 4 m/s peuvent entraîner des éruptions plus petites (p.e., <VEI 3). Cependant, nous trouvons que l'étanchéité du système pourrait favoriser l'accumulation de gaz et permettre aux magmas à ascension lente (<1 m/s) d'entrer en éruption lors de grandes éruptions explosives. Enfin, lors des grandes éruptions (VEI 4) avec des panaches de 15 à 25 km de hauteur, le SO2 a pu atteindre la stratosphère avec un forçage radiatif effectif (ERF) de -0,022 à -0,035 W/m2. Cela montre que les grandes éruptions de La Soufrière de Guadeloupe ont un effet de forçage climatique perceptible et contribueront à l'injection globale d'aérosols de soufre et au refroidissement qui en résulte. Dans l'ensemble, cette thèse fournit un nouvel ensemble de données sur La Soufrière de Guadeloupe, nous permettant de comprendre quatre éruptions depuis leur source jusqu'à leur impact sur l'atmosphère. (...)

La Soufrière de Guadeloupe in the Lesser Antilles has experienced increasing unrest over the last 25 years, especially since 2018. A magmatic eruption at this volcano has the potential to directly impact up to 80,000 people in Southern Basse-Terre. As La Soufrière de Guadeloupe has the possibility to produce magmatic eruptions of varying intensity, this thesis examines basaltic-andesitic to andesitic deposits from four explosive La Soufrière eruptions: 1657 Cal. CE (Vulcanian, VEI 2), 1010 Cal. CE (Plinian, VEI 4), 341 Cal. CE (Strombolian, VEI 2) and 5680 Cal. BCE (Plinian, VEI 4) and compare to the existing database for the 1530 Cal. CE (sub-Plinian, VEI 3) eruption. This allows us to cover a large range of explosive eruption styles, ages and magnitudes. We also investigate basalt deposits from the Monts Caraïbes complex found in southern of Basse Terre as a likely source for the primitive magma. In order to better constrain the storage region and processes occurring below La Soufrière de Guadeloupe we analyse the geochemistry of pre-eruptive magmas using detailed analyses of volcanic glasses (melt inclusions and groundmass glass). We also use Fe-Mg diffusion in orthopyroxenes to constrain the timescales of magmatic processes occurring in the mush system. Specifically, using the outer most compositional zone, we calculate the timescale between the last recharge/mixing event in the magma system and eruption. We modelled these crystal timescale data as random processes whose probability distributions provide expected (“mean”) timescales and the associated standard errors for each eruption. Finally, we investigate the impact on the climate the various eruptions will have by modelling the injection of SO2 over the estimate plume heights. Major element concentrations in whole rock (WR), groundmass glass (GM) and melt inclusions (MI) show a strong linear trend and are genetically linked by fractional crystallisation of the parental magma, which is comparable to the magma erupted during the Mont Caraïbes eruptive episode. The magmas investigated are produced from between 6 – 9 Km and stored at an average temperature of 1000oC. The variability observed within the eruption geochemistry and the different mineral populations can be explained by magma storage within a mush system. Through the diffusion timescale study, we find the expected timescales show new inputs into the La Soufrière de Guadeloupe magmatic reservoir ranging from 19 ±0.37 days to 361 ±0.4 days. This study shows that magmatic processes prior to eruption (even large VEI 4) can occur on relatively short timescales, with no clear distinction between eruption intensity and timescales observed. We also observe no direct link between major and volatile element composition and eruption intensity. Instead, we find ascent rates of >4 m/s to result in large eruptions (e.g., VEI 4) and ascent rates of 1 – 4 m/s to result in smaller eruptions (e.g., <VEI 3). However, we also find sealing of the system, resulting from the capping dome and a reduction in permeability by hydrothermal alteration processes could favour the accumulation of gas and allow slow ascending (<1 m/s) magmas to erupt in large explosive eruptions (VEI 4). Finally, large eruptions (VEI 4) producing 15 – 25 km plume heights, result in SO2 reaching the stratosphere with an effective radiative forcing (ERF) from -0.022 to -0.035 W/m2. This shows that large eruptions at La Soufrière de Guadeloupe have a discernible climate forcing effect and will contribute to the global sulphur aerosol injection and the resulting cooling. Overall, this thesis provides a new dataset from La Soufrière de Guadeloupe, a typical tropical subduction zone volcano, giving us an understanding of four eruptions from their source to their impact on the atmosphere. This will allow us to greatly improve early-warning system efficiency, forecast models, eruption scenario crisis response and long-term risk reduction planning.