Volcanisme basaltique et phonolitique de Petite Terre (Mayotte, océan Indien) : contribution à la compréhension de la crise sismo-volcanique de Mayotte et des risques associés

Basaltic and phonolitic volcanism of Petite Terre (Mayotte, Indian Ocean) : contribution to the comprehension of the on-going sismo-volcanic crisis and associated hazards

• Auteur / Autrice : Tristan Lacombe
• Direction : Lucia Gurioli, Etienne Médard, Andrea Di Muro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la Terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Komorowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laura Pioli, Olivier Namur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phonolite

Activité volcanique -- Prévision

Mayotte

Éruptions explosives

Mots clés libres

Volcanisme

Mayotte

Phonolite

Hydromagmatisme

Résumé

Le volcanisme explosif de Petite-Terre (Mayotte, archipel des Comores, océan Indien occidental) est l'expression subaérienne la plus occidentale d'une chaîne volcanique de 60 km (la chaîne volcanique orientale de Mayotte, EMVC), dont la pointe sous-marine orientale a été le site de l'éruption 2018-2020 de Fani Maoré. La répartition de l'activité volcanique récente et la persistance de l'activité sismique profonde le long de la chaîne volcanique nécessitent de contraindre l'origine de l'activité passée en vue d'une éventuelle activité volcanique future sur terre, la zone étant depuis longtemps considérée comme éteinte. Nous montrons que les anneaux de tuf de Petite-Terre ont probablement été formés par plusieurs éruptions formant un complexe volcanique monogénétique. Les séquences éruptives sont composées de niveaux relativement minces de retombées de ponces grossières et lithiques contenant des blocs balistiques, et de dépôts riches en cendres fines, principalement mis en place par des courants pyroclastiques dilués.Les dépôts sont dominés par des clastes juvéniles (ponce, clastes denses et obsidienne) et comprennent des clastes non juvéniles provenant de cônes de scories mafiques plus anciens et de corail ainsi que des fragments du manteau. Nous concluons que le magma phonolitique est monté directement et rapidement du manteau et a subi une fragmentation magmatique (> 1 km de profondeur). Les pyroclastes fragmentés ont subi une seconde fragmentation, moins profonde lorsqu'ils ont interagi avec de l'eau liquide, produisant des cendres fines et construisant les morphologies d'anneaux de tuff. La localisation de Petite-Terre, à l'intersection des anciens volcans boucliers éteints de Grande-Terre et de la chaîne volcanique orientale de Mayotte (EMVC) actuellement active, soulève la question de son appartenance à l'un ou l'autre système. Les éléments majeurs et traces ainsi que la minéralogie particulière (fayalite-magnétite-feldspath alcalin) montrent que les phonolites de Petite-Terre n'appartiennent à aucune des séries magmatiques définies sur l'ile Grande-Terre mais plutôt à la série magmatique de l'EMVC. Les basanites de Petite-Terre sont similaires à celles trouvées dans le bouclier nord et nord-est de la Grande-Terre et représentent des équivalents aux magmas parentaux des phonolites de Petite-Terre et de l'EMVC, les deux séries ayant été produites par un degré de fusion partielle similaire de la même source, probablement un manteau métasomatisé.La présence de xénolithes d'harzburgite dans les phonolites indique que les phonolites ont évolué dans le manteau lithosphérique (thermobarométrie Cpx-Opx : 400 MPa/ 1015 °C). Des xénocristaux de biotite et d'amphibole riches en Fe, ainsi que des xénolithes syénitiques, montrent que ces phonolites chaudes (thermométrie felspath-alcalin - liquide : 950 °C) ont croisé le chemin d'une lentille syénitique plus ou moins solidifiée (thermobarométrie biotite-seule et amphibole-seule, 200 - 400 MPa, 780 °C). Ces phonolites ont également évolué dans des conditions très réductrices (∆NNO = - 2,3 log unité), ce qui expliquerait leur teneur élevée en fer (jusqu'à 6 % en poids).Ces résultats montrent que le volcanisme phonolitique explosif récent de l'île de Petite-Terre, et probablement de toute la chaîne volcanique sous-marine à l'est de Mayotte, n'est pas lié à l'ancienne activité du bouclier qui a construit l'île de Mayotte et qui est encore potentiellement active. Ce volcanisme récent s'inscrit dans un système très dynamique où l'essentiel de l'évolution magmatique se produit à des profondeurs mantelliques (> 17 km) et peut produire des éruptions sub-pliniennes. Il montre également que les magmas entrant en éruption dans la région peuvent interagir avec les lentilles de liquide magmatique stockées à des niveaux moins profonds, en les remobilisant potentiellement, avec des implications significatives pour le style et la dynamique des scénarios éruptifs possibles.

The explosive volcanism of Petite-Terre (Mayotte, Comoros Archipelago, Western Indian Ocean) is the westernmost subaerial expression of a 60 km volcanic chain (the Eastern Mayotte Volcanic Chain, EMVC), whose eastern submarine tip has been the site of the 2018-2020 eruption of 6.5 km3 of magma giving birth to a new volcano, Fani Maoré. The scattered recent volcanic activity and the persistence of deep seismic activity along the volcanic chain require constraining the origin of past activity as a proxy for possible future volcanic activity on land as it highlighted the existence of significant volcanic hazards in an area long thought to be extinct.Through geomorphology, stratigraphy, grain size and componentry data we show that Petite-Terre tuff-rings and tuff-cones are likely formed by several closely spaced eruptions forming a monogenetic volcanic complex. The eruptive sequences are composed of few, relatively thin (cm-dm) coarse and lithic-rich pumice fallout layers containing abundant ballistic clasts, and fine-ash rich deposits mostly emplaced by dilute pyroclastic density current (PDCs).All deposits are dominated by juvenile clasts (pumice, dense clasts, and obsidian) and include non-juvenile clasts from older mafic scoria cones, coral reef and the volcanic shield of Mayotte as well as mantle xenoliths. We conclude that phonolitic magma ascended directly and rapidly from the mantle and first experienced a purely magmatic fragmentation at depth (> 1 km deep). The fragmented pyroclasts underwent a second shallower hydromagmatic fragmentation when they interacted with liquid water, producing fine ash and building the tuff-ring and tuff-cone morphologies.The location of Petite-Terre, at the intersection of the old (20 - 0.1 Ma) extinct shield volcanoes of Grande-Terre (Mayotte) and the currently active Eastern Mayotte Volcanic Chain raises the question of its affiliation to one or the other system. Using the petrological and geochemical characteristics of lava and pyroclastic samples from the subaerial volcanism of Petite-Terre, we investigate the link between the phonolites and basanites of Petite-Terre. Major and trace elements along with the peculiar mineralogy (fayalite-magnetite-alkali feldspar) show that Petite-Terre phonolites do not belong to any of the magmatic series defined on Grande-Terre but rather to the magmatic series of the EMVC. Petite-Terre basanites are similar to the ones found in the northern and north-east shield of Grande-Terre but might also represent parental magmas for Petite-Terre and EMVC phonolites, both series having be produced by similar partial melting degrees of a similar source, likely a metasomatized mantle.The presence of harzburgite xenoliths in the phonolites indicates that the phonolites evolved in the lithospheric mantle (Cpx-Opx thermobarometry: 400 MPa/ 1015 °C). Xenocrysts of Fe-rich biotite and amphibole along with syenitic xenoliths show that these hot phonolites (K-feldspar-melt thermometry: 950 °C) crossed the path of a more or less solidified syenitic lens (biotite- and amphibole-only thermobarometry, 200 - 400 MPa, 780 °C). These phonolites also evolved under very reducing conditions (∆NNO = - 2.3 log unit) which would explain their high iron content (up to 6 wt.%).These results show that the recent explosive phonolitic volcanism on Petite-Terre Island, and likely all the submarine volcanic chain east of Mayotte, is not related to the old shield activity that built Mayotte Island and is still potentially active. This recent volcanism takes place in a very dynamic system where most of the magmatic evolution happens at mantle depths (> 17 km) and can produce sub-plinian eruptions. It also shows that recent magmas erupting in the area can interact with melt lenses stored at shallower levels, potentially remobilizing them, with significant implications for the style and dynamics of possible eruptive scenarios.