Déchiffrer les plomberies magmatiques alcalines par des contraintes pétrologiques et magnétotelluriques

Decyphering magmatic plumbing system using petrological and magnetotelluric constraints

• Auteur / Autrice : Samuel Guégan
• Direction : Fabrice Gaillard, Andujar Juan
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISTO - Institut des Sciences de la Terre d'Orléans

Mots clés

Mots clés libres

Reservoirs magmatiques

Conductivité électrique

Géophysique

Petrologie

Volcanologie

Expérimentation

Magmatic reservoirs

Experimental

Petrology

Electrical conductivity

Geophysics

Volcanology

Résumé

Identifier la présence et le taux de fusion des magmas sous les volcans actifs constitue un défi majeur pour comprendre comment les systèmes volcaniques se préparent à de nouvelles éruptions. Malheureusement, l'intérieur des volcans reste insaisissable pour des observations directes et on doit se fier à des approches indirectes incluant la géophysique, la pétrologie et les études de terrain des produits éruptifs. L'état de l'art nous dit que les éruptions volcaniques sont rares et la plupart (c'est-à-dire 80 à 100 %) des magmas restent piégés en profondeur, formant ainsi des réservoirs magmatiques. Là, les magmas se refroidissent et se fractionnent, produisant des magmas évolués et riches en gaz qui pourraient entrer en éruption de manière explosive. Malgré leur rôle critique dans le stockage et la différenciation des magmas, la nature, l'état et la distribution crustale des réservoirs magmatiques, depuis leur région source profonde jusqu'à la surface, restent méconnus. La part de mystère augmente pour les racines profondes du système de plomberie magmatique où les basaltes parentaux sont produits, car l'échantillonnage géologique est impossible et/ou les sondages géophysiques sont, à ce stade, généralement incapables de capturer quantitativement les propriétés du magma profond. Ces limitations entravent notre compréhension et restreignent considérablement notre capacité à modéliser les plomberies magmatiques. L'objectif de ce projet de thèse est de déployer une nouvelle méthodologie, combinant pétrologie expérimentale et techniques magnétotelluriques, permettant de visualiser et de décrypter l'état physique d'un réservoir magmatique en définissant, en temps quasi-réel, sa fraction de liquide. Cette méthode sera appliquée aux systèmes volcaniques de Mayotte et des îles Canaries afin d'identifier des réservoirs magmatiques potentiels isolés et de proposer une vue complète du système de plomberie magmatique opérant sous ces systèmes actifs. La récente éruption sous-marine de Mayotte est un exemple opportun car en 2018-2019, plus de >5 km3 de magma ayant une composition intermédiaire (cad. à température intermédiaire entre les magma les plus chauds, 1250°C, et les plus froid, 900°C) a été émis à 50 km à l'est de l'île de Mayotte. Il s'agit de la deuxième plus grande éruption 'basaltique' historique après la célèbre éruption du Laki (1783-1784). D'une certaine manière, nous pouvons également mentionner l'éruption récente mais moins volumineuse de La Palma en 2021, où les magmas intermédiaires émis pendant cet événement sont restés cachés aux services de surveillance locaux pendant des décennies et leur réactivation soudaine a causé de nombreuses pertes matérielles. Ainsi, la principale question à résoudre sur ces systèmes est de savoir s'il existe encore des réservoirs actifs potentiels contenant des magmas plus évolués et donc explosifs qui peuvent être réactivés dans un future proche. Wawrzyniak et al. ont imagé par méthode dite magnétotelluriques, un grand corps conducteur (électrique) à une profondeur d'environ 25 km sous l'île de Mayotte. Il contient potentiellement 200-400 km3 de magma. Cela s'applique également aux îles Canaries au Teide et sous La Palma où des données récentes de MT suggèrent la présence de corps conducteurs volumétriques importants à des profondeurs ≥15 km pour les Canaries. Cependant, l'acquisition de données MT est loin d'être terminée et une partie des objectifs du doctorat sera d'étendre les données existantes actuelles à des conditions plus profondes, en acquérant des données MT profondes sur terre et en les traitant. En particulier, des données de magnétotelluriques de longue période doivent être collectées et traitées afin d'imager les racines magmatiques profondes, jusqu'à la limite lithosphère-asthénosphère (cad 80 km). Pour interpréter avec précision ces signaux géophysiques, il faudrait 1) définir expérimentalement les conditions de stockage et d'évolution des magmas sur ces sites volcaniques (profondeur- température et détermination de la quantité d'eau des magmas) et 2) mesurer en laboratoire la conductivité électrique des magmas de Mayotte et des Canaries, qui à ce jour est mal contrainte. Ces points ont été partiellement explorés par l'équipe d'encadrement, cependant, pour une meilleure résolution, il serait nécessaire pour le doctorant d'étendre les données existantes à des conditions P-T plus élevées (jusqu'à 1300ºC, 25-60 km). Cela implique aussi de cartographier la ligne d'évolution compositionnelle reliant les magmas basanitiques primaires aux phonolites évoluées de ces systèmes au cours du refroidissement dans la plomberie magmatique. Les nouvelles données expérimentales seront mathématiquement régressées afin de fournir de nouveaux algorithmes géothermobarométriques (par exemple, l'évolution de la composition de l'olivine avec le P ; la teneur en Melt-Mg avec les cristaux T-%) permettant de contraindre les conditions de cristallisation et d'évolution sur ces sites (Travail ISTO). Enfin, le doctorant sera en mesure de développer une modélisation directe des résultats expérimentaux et de MT précédents, afin de convertir le modèle pétrologique de différenciation magmatique pour chaque système en un profil électrique en fonction de la rhéologie P-T-H2O-magma (Travail BRGM).

Identifying the presence and the degree of melting of magmas beneath active volcanoes constitutes a major challenge to understand how volcanic systems prepare for new eruptions. Unfortunately, the interior of active volcanoes remains elusive to direct observations and one must rely on indirect approaches including geophysics, petrology and field studies of erupted products. Yet, volcanic eruptions are rare and most (i.e. 80-100%) of the magmas remain trapped at depth, hence forming magma reservoirs. There, magmas cool down and fractionate producing evolved and gas-rich magmas that could erupt in an explosive way. Despite their critical role in storing and differentiating magmas, the nature, state and the crustal distribution of magmatic reservoirs from their deep source region to surface remind elusive. In particular, the deep roots of the plumbing system, where the parental basalts are produced, remain elusive, as geological sampling is impossible and/or geophysical probing is, at this stage, generally unable to quantitatively capture the deep magma properties. These limitations hinder our understanding of shallower processes and severely restrict our ability to model them. The objective of this PhD project is to deploy a new methodology, combining experimental petrology and magnetotelluric constraints, allowing us to visualize and decipher the physical status of a magmatic reservoir by defining, in near real-time, its melt fraction. This will be applied to Mayotte and Canary Islands volcanic systems as to identify isolated potential magmatic reservoirs along as a full view of the plumbing system operating at these active systems. The recent Mayotte submarine eruption is a timely example of the emission, in 2018-2019, of >5 km3 of magma having an intermediate composition erupted 50 km eastward of the Mayotte island. This is the second greatest historical “basaltic” eruption after the famous Laki eruption (1783–1784). Somehow, we can also mention the recent but less voluminous eruption at La Palma in 2021, where the intermediate magmas feeding such event remined hidden to the local monitoring services for decades and the sudden reactivation caused numberless material losses. Thus, the main question to solve on these systems is if there still are potential active reservoirs containing more evolved and hence explosive magmas that can be reactivated in a near future?. Wawrzyniak et al. imaged a large, deep conductive body at a depth of ca. 25 km beneath Mayotte island. Potentially containing 200-400 km3 of magma. This also applies to the Canary Islands at Teide and beneath La Palma where recent MT data suggests the presence of volumetrically important conductors at local Moho depth (≥15 km for the Canaries). However, the acquisition of MT data is far of being fully completed and part of the PhD objectives will be to expand the current existing data to deeper conditions, by acquiring on-land deep MT data and processing. In particular long period MT data must be collected and treated in order to image the deep magmatic roots, down the lithosphere-asthenosphere boundary. To accurately interpret these geophysical signals, it would be necessary to 1) define experimentally the conditions of storage and evolution of magmas at these volcanic sites (depth- temperature and determining the amount of water of the magmas) and 2) measure in the laboratory the electrical conductivity of Mayotte and Canary island magmas, which up to date, reminds poorly constrained. These points have been partially explored by the advisor team, however, for a better resolution, it would be necessary for the PhD student to expand the existing data to higher P-T conditions (up to 1300ºC, 25-60 km). This particularly implies mapping out the liquid line of descent linking primary basanite magmas to intermediate and evolved phonolites of these systems. The new experimental data will be mathematically regressed as to provide new geothermobarometric algorithms (e.g., evolution of Olivine composition with P; Melt-Mg content with T-% crystals) allowing to constraint the crystallization and evolution conditions at these sites (ISTO Work). Lastly, the PhD candidate will be in a position of developing a forward modelling of the previous MT-and experimental results, as to convert the petrological model of magmatic differentiation for each system in to an electrical profile as function of P-T-H2O-magma rheology (BRGM Work).