Dissertationen zum Thema „Dégazage des magmas“

Afin de parvenir à une meilleure compréhension de la dynamique d’ascension et d’éruption des magmas basaltiques, nous avons réalisé des expériences de décompression à haute pression (200–25 MPa) et haute température (1200°C) spécifiquement orientées pour documenter la nucléation des bulles de gaz ; ce processus, qui constitue la première étape du dégazage magmatique, conditionne l’évolution de la phase gazeuse (force motrice des éruptions explosives) dans le conduit volcanique. Quatre principaux ensembles d’expériences ont été menés afin de mieux comprendre le rôle des volatils majeurs (H2O, CO2, S), ainsi que les effets de la vitesse d’ascension et de la présence de cristaux sur la cinétique de vésiculation (nucléation, croissance, coalescence) des bulles dans les magmas basaltiques. L’objectif est de comprendre les mécanismes qui contrôlent les caractéristiques texturales (nombre, taille, forme des bulles) et chimiques (teneur en volatils dissous, composition des gaz) des produits naturels et de les approcher expérimentalement. Dans ce sens, les verres expérimentaux ont été analysés avant et après décompression sur le plan textural (microtomographie par rayons X, MEB) et chimique (FTIR, microsonde électronique). Nos résultats démontrent une forte influence du CO2 sur les processus ainsi que sur le mode (équilibre vs. déséquilibre) de dégazage des magmas basaltiques, en lien avec des différences de solubilité et de diffusivité entre les espèces volatiles. Nos données, obtenues dans des conditions voisines des conditions naturelles, ont des implications volcanologiques pour l’interprétation des textures de bulles et des mesures de gaz en sortie de conduit, ainsi que, plus spécifiquement, pour la dynamique des éruptions paroxysmales au Stromboli
For a better understanding of the dynamics of ascent and eruption of basaltic magmas, we have performed high pressure (200–25 MPa) and high temperature (1200°C) decompression experiments specifically oriented to document gas bubble nucleation processes. Bubble nucleation occurs first during magma degassing and, so, it is critical to understand bubble nucleation processes to constrain the evolution of the gas phase (which is the driving force of explosive eruptions) in the volcanic conduit. Four main sets of experiments were conducted to better assess the role of the major volatiles (H2O, CO2, S), as well as the effects of ascent rate and crystals, on bubble vesiculation (nucleation, growth, coalescence) kinetics in basaltic magmas. The aim of the study is to understand the mechanisms which control the textural (number, size, shape of bubbles) and the chemical (dissolved volatile concentrations, gas composition) characteristics of natural products, and also to approach them experimentally. In this way, experimental melts, before and after decompression, were analysed texturally (by X-ray microtomography and MEB) and chemically (by FTIR and electron microprobe). Our results demonstrate a strong influence of CO2 on degassing mode (equilibrium vs. disequilibrium) and mechanisms, which are shown to be controlled by differences in solubility and diffusivity between the main volatile species. Finally, our data, obtained under conditions closely approaching natural eruptions, have volcanological implications for the interpretation of bubble textures and gas measurements, as well as, more specifically, for the dynamics of Strombolian paroxysms

Nous avons appliqué la géochimie des gaz rares à la dynamique des éruptions explosives. Eléments traces, inertes chimiquement, les gaz rares sont, en effet, de parfaits traceurs de sources mais aussi des processus physiques comme le dégazage des magmas. Premièrement, nous nous sommes intéressés au dégazage passif d’un corps magmatique en période de repos à travers l’étude de fluides hydrothermaux collectés à la surface. Deuxièmement, nous avons exploré le dégazage actif d’un magma lors des explosions pliniennes à travers l’étude de la phase gazeuse contenue dans les ponces. Dans ces différents types d’échantillons, nous avons mesuré les fractionnements élémentaires et isotopiques des cinq gaz rares permettant ainsi d’amener une contrainte temporelle sur ces processus. Le dégazage passif des magmas est étudié principalement sur le volcan de la Soufrière de Guadeloupe. Nous avons commencé par contraindre le fonctionnement du système hydrothermal en couplant les gaz rares aux méthodes de surveillances géochimiques actuelles. Puis, nous nous sommes affranchis de cette perturbation superficielle pour estimer la fréquence de remplissage de la chambre depuis la dernière éruption magmatique. Cette estimation, basée sur les flux d’hélium émis par le volcan en lien avec les données géophysiques, nous a permis d’émettre une nouvelle théorie sur l’origine de la crise phréatique de 1976-77. Cette crise serait le résultat d’une injection de magma entre 1959-1962 et d’une obturation du système hydrothermal durant les années suivantes. L’étude du dégazage actif des magmas lors des éruptions pliniennes a été réalisée en mesurant les concentrations et les rapports isotopiques des gaz rares contenus dans les vésicules fermées des pierres ponces. Nos mesures réalisées sur des ponces issues de zones de subduction et de points chauds sont indépendantes du contexte géodynamique, de l’âge de la ponce et de la puissance de l’éruption, mais similaires pour une même éruption. Nos ponces sont caractérisées par un enrichissement systématique en néon par rapport à l’argon et par un rapport isotopique 38Ar/36Ar fractionné, corrélé au facteur de fractionnement du 84Kr. Nous proposons ici un modèle numérique de dégazage cinétique du magma avant sa fragmentation montrant la rapidité du processus : quelques minutes seulement semblent nécessaires. Nous avons appliqué ces nouvelles connaissances pour étudier les trois dernières éruptions pliniennes de la Montagne Pelée. Grâce à cette étude systématique, nous confirmons l’utilisation des fractionnements élémentaires pour identifier à quelle éruption un affleurement peut être attribué. Nous démontrons que les différentes signatures en gaz rares des ponces sont le résultat de deux temps différents de dégazage. Nous sommes également capables de contraindre l’efficacité de la fragmentation, dissociant fragmentation grossière et fragmentation fine
Noble gases are used to study magma degassing processes during explosive eruptions. They are trace elements and ideal tracers of physical processes since chemically inert. We essentially focused on the passive degassing of magma in quiescent volcanic periods and on the active degassing of magma during explosive eruptions. The passive degassing was investigated by measuring helium concentration and isotopic ratios in thermal springs and fumaroles in La Soufrière volcano (Guadeloupe, F. W. I. ). By combining our study with carbon data, we are now able to understand the behaviour of the hydrothermal system. Then, 3He fluxes in both fumaroles and springs have been estimated and related to 3He content in the magma chamber. In order to maintain the 3He flux measured at the surface, we conclude that the magma chamber must be regularly fed by fresh magma batches. Using our new results and data from literature, we propose that the historical activity of la Soufrière volcano can be explained by both abnormal energy inputs from new magma batches in the chamber and cycles of clogging of the hydrothermal system. We propose a new scenario for the origin of the 1976-1977 crisis whereby a fresh batch of magma could have been emplaced possibly between 1959 and 1962 in the magma chamber. The resulting heat flux is not stored in the different aquifers but preferentially evacuated through fractures reactivated or created during the 1956 phreatic eruption. Only when the self-sealing of the hydrothermal system is sufficiently developed, can pressure and temperature within the aquifers rapidly increase to trigger a crisis. To assess active magma degassing processes during Plinian eruptions, noble gas abundances and isotopic ratios have been determined in preserved vesicles of pumices. All samples are characterized by a systematic enrichment in neon over argon and an isotopically fractioned 38Ar/36Ar ratio associated with the fractionation factor of 84Kr. These features do not depend on geological setting, or on pumice age, or eruption intensity. However, they are similar for pumices from the same eruption. We propose here a model of kinetic magma degassing before fragmentation. The model explains measurements and shows the rapidity of the magma degassing process in the conduit (few minutes). Then, we analysed samples coming from the last three Plinian eruptions of Montagne Pelée volcano (F. W. I. ). Thanks to this new study, we confirmed the use of noble gas patterns to identify to which eruption an outcrop can be associated. We also demonstrate that the elemental and isotopic fractionations of noble gases in pumices are the result of two different degassing times. For the last Plinian eruption, we are also able to evaluate the efficiency of the fragmentation, separating coarse fragmentation and fine fragmentation

Le dégazage des éléments volatils, en particulier H₂O, représente le moteur des éruptions volcaniques impliquantdes magmas différenciés. Les éléments halogènes, dont le comportement se définit par rapport à celui de H₂O, ont déjà été utilisés comme traceurs de l'évolution de la phase volatile. Cette thèse présente l'étude des processus de dégazage au travers de l'étude détaillée du comportement des éléments halogènes en fonction de la composition des magmas et du style éruptif. Elle se base sur la mise en œuvre d'une démarche précise, de l'échantillonnage jusqu'à l'acquisition des données couplant géochimie et texture, qui a été appliquée à l'échelle de plusieurs éruptions sur plusieurs volcans. L'acquisition de données fiables et précises sur les teneurs en éléments halogènes a nécessité d'une part la mise en place d'un protocole d'analyse des verres par microsonde électronique pour F et Cl et d'autre part une étape de développement analytique pour la mesure de Br et I par ICP-MS. Les résultats illustrent que les éléments halogènes ne sont pas toujours sensibles à l’exsolution de H₂O. En conditions pré-éruptives, nous avons montré qu'en domaine alcalin (liquides phonolitiques), Cl, et probablement Br et I, sont extraits du liquide magmatique une fois la saturation en H₂O atteinte. D'autre part, sous certaines conditions de température-pression-composition en Cl, Cl se révèle être un indicateur précis des conditions de saturation pré-éruptives. Lors d'une éruption, l'extraction des éléments halogènes au cours du dégazage syn-éruptif de H₂O dépend du style éruptif : les éruptions à mise en place de dôme démontrent une efficacité supérieure aux éruptions explosives, de type plinien ou vulcanien. Nous avons également montré que les rapports entre Cl, Br et I sont conservés quelque soit le processus éruptif, mais variables d'un système volcanique à l'autre ; F conservant un comportement incompatible et non volatil quelque soit la composition du magma et le style éruptif. Ainsi, la mesure de ces rapports dans les produits volcaniques est un indicateur de la composition en éléments halogènes des magmas profonds à l'origine des liquides différenciés en surface. Nous avons aussi illustré le rôle et l'importance des processus de diffusion. Dans le cas de F et Cl, l'importance de l'élément alcalin dominant, Na ou K, dans les liquides phonolitiques sur leur diffusivité a été démontré d'après les données expérimentales acquises. D'autre part, nous proposons que les différences de comportement observées pour Cl au cours des processus de dégazage ne soient pas seulement liées à des effets cinétiques mais également à une question de spéciation de Cl et H₂O
Volatile degassing, in particular H₂O, embodies the driving-force of volcanic eruptions involving differentiated magmas. Halogens, whose behaviour is defined respect to H₂O, have already been used as tracers of the volatile phase evolution. This thesis presents the study of the degassing processes through the detailed investigations of halogen behaviours in relation with magma chemistry and eruptive style. This work is based on the development of a precised apprroach, from sampling to data acquisition, linking eruptive clast geochemistry and texture and applied to several eruptions from different volcanoes. The acquisition of reliable and precise halogen concentration data required thé setting up of an analytical procedure for F and Cl measurements by electronic microprobe and analytical development for Br and I measurements by ICP-MS. Results highlight that halogens are not always sensitive to H₂O exsolution. During pre-eruptive conditions, we demonstrate that, in alkaline domain (phonolitic melts) Cl, and probably Br and I, are effîciently extracted from magmatic melt. Moreover, under particular Temperature-Pressure-Cl composition conditions, Cl embodies a strong indicator of pre-eruptive saturation conditions. During one eruption, halogen extraction effîciency depends on eruptive style: lava-dome forming eruptions are more efficient at extracting halogens than explosive éruptions, plinian or vulcanian. We also show that halogen ratios between Cl, Br and I are preserved whatever the eruptive process, but variable within volcanic Systems; F always behaves as an incompatible and non-volatile element whatever the magma composition and the eruptive style. Thus halogen ratios determined in eruptive clasts constitute an indicator of the halogen composition of deep magma from which differentiated melts originate. We also illustrate the importance of diffusive processes: for F and Cl, the role of the dominant alkaline element, Na or K, on their diffosivities in phonolitic melts is clearly demonstrated by the experimental data acquired. In addition, we propose that the différences in Cl behaviour during degassing processes may not only be explained by kinetic effects but also due to Cl and H₂O speciation

Le 8 mai 1902, L'Eruption meurtrière de la montagne Pelée (MARTINIQUE) tua 30000 personnes et dévasta la ville de St Pierre, nous rappelant qu'il est un des volcans français les plus dangereux. Les produits pyroclastiques des derniers 10 000 ans de ce volcan témoignent de deux types d'éruptions : les éruptions pliniennes, aux colonnes éruptives de plusieurs Km de haut dont les dépôts sont très vésiculés ; et éruptions péléennes, caractérisées par l'extrusion d'un dôme de lave peu vésiculée qui s'écroule au cours de sa croissance en « nuées ardentes », le plus souvent de faible explosivité, mais pouvant être dramatiquement violentes comme le fût la déferlante du 8 mai 1902. Ces deux types éruptifs n'ont évidemment pas les mêmes conséquences en terme de risques volcaniques et de zones menacées. Déterminer le ou les facteurs(s) qui conduise(nt) vers l'un ou l'autre de ces deux types d'éruption est donc un enjeu important pour la compréhension générale des éruptifs des stratovolcans andésitiques et également pour la gestion de futures crises volcaniques de la Montagne Pelée. Le déterminisme entre une éruption plinienne ou péléenne peut être acquis par des différences de composition des magmas, par des différences des conditions pré-éruptives (pression, température, teneurs en volatils, fugacité d'oxygène) dans la chambre andésitique, ou au cours de l'éruption, pendant l'ascension des magmas dans le conduit magmatique (vitesse de montée dégazage du magma). Notre étude consiste à déterminer, par une étude lithologique des produits émis et par une étude expérimentale, les conditions pré-éruptives et les conditionséruptives des magmas pliniens et péléens de la période récente de l'édification de la Montagne Pelée.
Les équilibres de phase déterminés expérimentalement suggèrent que les conditions pré-éruptives des magmas pliniens et péléens de la période récente de la Montagne Peléesont comparables. Ces conditions pré-éruptives sont environ 2kb, 900°C, NNO+0.7, 5.5-6 % d'eau. Ceci révèle que les éruptions pliniennes et péléennes ne sont pas déterminées par des teneur en eau différentes des liquides silicatés dans la chambre magmatique. Le déterminisme en éruptions pliniennes et péléennes s'acquiert par conséquent au cours de l'ascensiondes magmas. les calculs théoriques de vésiculation et les expériences de dégazage montrent que les magmas péléens dégazent plus que les magmas pliniens. De plus, ce dégazage s'effectuerait en "système fermé" pour les magmas pliniens et en "système ouvert" pour les magmas péléens. Bien que ces différentes modalités de dégazage peuvent être acquises relativement tôt dans l'histoire de l'ascension du magma, les données pétrologiques suggèrent néanmoins que le magma garde une capacité à se vésiculer à proximité de la surface, permettant le passage brutal d'une phase péléenne à une phase plinienne.

Le 8 mai 1902, l'eruption meurtriere de la montagne pelee (martinique) tua 30000 personnes et devasta la ville de st pierre, nous rappelant qu'il est un des volcans francais les plus dangereux. Les produits puroclastiques des derniers 10 000 ans de ce volcan temoignent de deux types distincts d'eruptions: les eruptions pliniennes, aux colonnes eruptives de plusieurs km de haut dont les depots sont tres vesicules ; et les eruptions peleennes, caracterisees par l'extrusion d'un dome de lave peu vesiculee qui s'ecroule au cours de sa croissance en nuees ardentes, le plus souvent de faible explosivite, mais pouvant etre dramatiquement violentes comme le fut la deferlante du 8 mai 1902. Ces deux types eruptifs n'ont evidemment pas les memes consequences en terme de risques volcaniques et de zones menacees. Determiner le ou les facteur(s) qui conduise(nt) vers l'un ou l'autre de ces deux types d'eruption est donc un enjeu important pour la comprehension generale des dynamismes eruptifs des stratovolcans andesitiques et egalement pour la gestion de futures crises volcaniques de la montagne pelee. Le determinisme entre une eruption plinienne ou peleenne peut etre acquis par des differences de composition des magmas, par des differences des conditions pre-eruptives (pression, temperature, teneurs en volatils, fugacite d'oxygene) dans la chambre andesitique, ou au cours de l'eruption, pendant l'ascension des magmas dans le conduit magmatique (vitesse de montee, degazage du magma). Notre etude consiste a determiner, par une etude lithologique des produits emis et par une etude experimentale, les conditions pre-eruptives et les conditions eruptives des magmas pliniens et peleens de la periode recente de l'edification de la montagne pelee. Les equilibres de phases determines experimentalement suggerent que les conditions pre-eruptives des magmas pliniens et peleens de la periode recente de la montagne pelee sont comparables. Ces conditions pre-eruptives sont environ 2 kb, 900c, nno+0. 7, 5. 5-6% d'eau. Ceci revele que les eruptions pliniennes et peleennes ne sont pas determinees par des teneur en eau differentes des liquides silicates dans la chambre magmatique. Le determinisme entre eruptions pliniennes et peleennes s'acquiert par consequent au cours de l'ascension des magmas. Les calculs theoriques de vesiculation et les experiences de degazage montrent que les magmas peleens degazent plus que les magmas pliniens. De plus, ce degazage s'effectue en un seul stade pour les magmas pliniens et en plusieurs stades pour les magmas peleens. Les magmas pliniens degazent en un seul stade. Bien que ces differentes modalites de degazage peuvent etre acquises relativement tot dans l'histoire de l'ascension du magma, les donnees petrologique suggerent neanmoins que le magma garde une capacite a se vesiculer a proximite de la surface, permettant le passage brutal d'une phase peleenne a une phase plinienne

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

L'origine des éléments volatils de la Terre, cruciale pour comprendre l'évolution du Système Solaire primitif, la formation de la Terre et la vie, reste débattue. Les gaz nobles, en raison de leur inertie et de leur grande volatilité, servent de traceurs clés pour les principaux volatils tels que le CO2 et le H2O dans le manteau.Les signatures des gaz nobles dans les panaches mantelliques, en particulier ceux des Galapagos, d'Hawaï et d'Islande, suggèrent un néon de type solaire acquis lors de la formation de la Terre. Deux modèles principaux expliquent l'origine du néon dans le manteau : (i) Le néon a été incorporé dans un océan de magma à partir d'une atmosphère primaire riche en H et He, capturée par gravité. (ii) Le néon a été acquis sur des poussières irradiées par le vent solaire Soleil et incorporées dans des planétésimaux avant l'accrétion de la Terre.La concentration résiduelle des éléments volatils du manteau dans les roches et les minéraux volcaniques est souvent influencée par des processus secondaires plutôt que par les concentrations primaires du manteau. Dans la plupart des basaltes océaniques, la phase volatile est dominée par le CO2. Il est généralement supposé que les concentrations et les rapports isotopiques des gaz nobles dans cette phase sont homogènes à travers les vésicules et dépendent de l'ampleur et du mécanisme de la perte de gaz du magma.Cette thèse présente une recherche pionnière sur des échantillons synthétiques dont les principaux éléments volatils sont le dioxyde de carbone (CO₂) et le néon, en explorant deux conditions de dégazage : (i) Un magma affecté par un apport de gas riche en CO2 et néon.(ii) Un magma où le dégazage est induit par la décompression.La similitude des rapports isotopiques du néon observée dans les échantillons naturel, avec des valeurs intermédiaires entre les valeurs isotopiques solaires et celles de l'implantation du vent solaire, est en accord avec l'hypothèse que le manteau terrestre aurait pu incorporer du gaz issu d'une nébuleuse primordiale lors des premières étapes de la formation de la planète. Néanmoins, cette étude expérimentale présente des preuves convaincantes que le fractionnement isotopique peut se produire à différents stades de l'évolution des vésicules dans le magma, suggérant que les valeurs élevées des rapports isotopiques du néon dans les échantillons naturels doivent être interprétées avec prudence. Nous ne concluons qu'aucun des deux scénarios d'acquisition des volatils légers ne peut être pour l'instant rejeté
The origin of Earth's volatile elements, crucial for understanding the evolution of the early Solar System, Earth's formation, and life, remains debated. Noble gases, due to their inertness and high volatility, serve as key tracers for major volatiles like CO2 and H2O in the mantle.The noble gas signatures in mantle plumes, particularly from Galapagos, Hawaii, and Iceland, suggest a solar-type neon acquired during Earth's formation. Two main models explain neon's origin in the mantle : (i) The neon was incorporated into a magma ocean through gravitational capture of a dense primary atmosphere, (ii) The neon was acquired from planetesimals irradiated by the early Sun during Earth's accretion. The residual concentration of mantle volatiles in volcanic rocks and minerals is often influenced by secondary processes and does not reflect primary mantle concentrations. In most oceanic basalts, the volatile phase is dominated by CO2. It's generally assumed that noble gas concentrations in this phase are similar between vesicles and depend on the extent and mechanism of gas loss from the magma. This thesis presents pioneering research on synthetic samples whose only volatiles are carbon dioxide (CO₂) and neon by exploring simple models of degassing in a closed system such as : (i) A depleted melt affected by a CO2-rich inputs and (ii) a system where the decompression is initiated. The observed isotopic similarity in natural samples, with values midway between the solar isotopic values and those of solar wind implantation, supports the hypothesis that the Earth's mantle may have captured a primordial nebula during the early stages of the planet's formation. Nevertheless, this experimental study presents compelling evidence that isotopic fractionation can occur during various stages of vesicle evolution in magma, suggesting that high isotopic ratios values in natural samples should be interpreted with caution. We conclude that none of the two scenarios of light-volatile acquisition can be for now rejected

Dans le cadre de cette thèse, nous avons cherché à mieux comprendre les processus de dégazage magmatique et les dynamismes éruptifs associés, à travers l’étude des roches totales et surtout celle, systématique, des inclusions vitreuses piégées par les olivines des produits explosifs de l’Etna. L’étude a porté plus particulièrement sur les basaltes et trachybasaltes émis lors des éruptions de flanc de 2001 et de 2002-2003, indépendantes des conduits centraux, et lors de trois épisodes de fontaines de lave au cratère Sud-Est, en 2000. Nous avons constitué une base de données complète sur les éléments majeurs et les constituants volatils dissous (H2O, CO2, S, Cl et F) dans les magmas de l’Etna. Nous apportons des données nouvelles sur l’abondance en éléments volatils dissous (4%, dont une teneur en eau ≥3,4%) dans le magma basaltique le plus primitif émis à l’Etna depuis 140 ans, et terme parental des trachybasaltes qui alimentent les éruptions actuelles du volcan. Nous proposons que l’évolution géochimique des magmas étnéens depuis 30 ans, résulte d’un mélange entre ce nouveau magma potassique et un terme trachybasaltique, mis en place dans les conduits avant les années 1970. L’analyse isotopique de l’eau et du soufre dissous dans les inclusions les plus primitives (δD entre -120 et -90; ‰ ; δ34S = +2,4±0,4 ‰) conforte l’idée d’une source mantellique, de type OIB, peu affectée par la subduction ionienne toute proche, à l’encontre de certaines hypothèses préalablement formulées. La détermination du CO2 et de l’eau dans les inclusions nous a permis (i) de contraindre les pressions de piégeage des liquides et d’exsolution du soufre, du chlore et du fluor, (ii) d’évaluer les profondeurs de transfert et de stockage du magma, (iii) de proposer un modèle d’évolution des rapports S/Cl et Cl/F dans la phase gazeuse dissoute et exsolvée en fonction de la pression, dans le cas des éruptions latérales et sommitales, et (iv) d’individualiser le rôle du globule de sulfure présent dans les magmas résidant superficiellement dans les conduits centraux. Nous proposons ainsi que les éruptions de flanc en 2001 et 2002 résultent de la remontée et du dégazage, en système fermé, du magma basaltique à trachybasaltique, coexistant avec une phase gazeuse déjà exsolvée. Le magma le plus primitif, remonte d’une profondeur >10 km (sous le niveau de la mer), et est extrudé lors des fontaines de laves. Le plus gros volume de laves produit dérive du transfert du magma trachybasaltique, légèrement plus différencié et stocké à 5±1 km. Lors de son stockage temporaire, ce magma s’appauvrit en eau, en se rééquilibrant avec une phase gazeuse riche en CO2, d’origine profonde. La déshydratation partielle d’un magma, stocké dans les conduits, en relation avec un flux de gaz persistant, riche en CO2, est probablement un processus fréquent à l’Etna et dans d’autres volcans basaltiques. L’évolution modélisée des rapports S/Cl et Cl/F dans la phase gazeuse confirme un dégazage dominant en système fermé en 2001 et 2002. Les valeurs calculées des rapports molaires S/Cl des gaz à la surface de 5,4 à 3,7 et Cl/F de ~2, dépendent de la cinétique de dégazage syn-éruptif du chlore, et sont en parfait accord avec les mesures in situ effectuées par télédétection, au cours de la même période éruptive. Toute ségrégation de bulles de gaz en profondeur se traduit par des rapports S/Cl plus élevés dans la phase gazeuse. Ceci est également vérifié par la modélisation en système fermé du dégazage du magma stagnant superficiellement dans les conduits centraux et saturé vis-à-vis du globule de sulfure. La modélisation en pression de l’évolution de ce rapport permet donc de contraindre les profondeurs d’accumulation et de transfert différentiel des bulles. La valeur des rapports S/Cl et Cl/F dans les gaz ainsi que la nature des produits solides associés apportent de fortes contraintes sur les mécanismes à l’origine des fontaines de laves. Enfin, l’activité de dégazage persistant aux cratères, impliquant une convection efficace dans les conduits, suggèrerait la remontée de magma riche en éléments volatils jusqu’à de faibles profondeurs (≤ 1 km sous les cratères), et le recyclage du magma dégazé, afin d’alimenter les flux gazeux excédentaires. Notre modélisation offre ainsi un cadre général d’interprétation de la composition des émissions gazeuses, et contribue à une meilleure compréhension des processus de dégazage des magmas basaltiques, riches en éléments volatils, à l’Etna
This study is aimed at better understanding magma degassing processes and associated eruptive dynamics through the study of the bulk rocks and mainly of olivine-hosted melt inclusions from explosive products of Mount Etna. We particularly focussed on the 2001 and 2002 flank eruptions that resulted from dyke intrusions, independent of the central conduits, and on three lava fountains at South-East summit crater, in 2000. We acquired a complete data set on major elements and volatile contents (H2O, CO2, S, Cl and F) of Etna magmas. We report new data on the amount of volatiles (4 wt%, among which ≥3. 4 wt% H2O) dissolved in the most primitive K-rich basaltic melt erupted at Mount Etna for the last 140 years. This basalt is actually the parental melt of the trachybasalts erupted during the recent volcanic activity. We also argue that the geochemical evolution of etnean lavas for the last 30 years, results from the mixing between the new K-rich melt and K-poorer trachybasalts, emplaced in the feeding system prior to 1970. Isotopic analysis of water and sulphur in the most primitive melt inclusions (δD between -120 and -90; ‰ ; δ34S = +2,4±0,4 ‰) reinforces the idea of an OIB-type mantle source and contradicts the hypothesis of its contamination by fluids derived from the Ionian subduction, as previously suggested. The systematic determination of CO2 and H2O contents of melt inclusions allow us (i) to provide constraints on melt entrapment and S, Cl and F initial exsolution pressures, (ii) to assess the depths of magma transfer and ponding, (iii) to propose a pressure-related model of the evolution of the dissolved and exsolved gas phase, and (iv) to evaluate the effect of the sulphide immiscible liquid on the sulphur degassing path. We propose that the 2001 and 2002 flank eruptions were sustained by closed system ascent and degassing of basaltic to trachybasaltic magmas. The most primitive magmas rose from at least ~10 km b. S. L. And sustained the powerful lava fountains that occurred in July 2001 and October 2002. Most of the lavas emitted in 2001 and 2002 derived from trachybasaltic magmas, ponding at 5±1 km b. S. L. , that were partially dehydrated because of their flushing by a CO2-rich gas phase of deep derivation. Such a process could be frequent at Etna and most likely at basaltic volcanoes. The S/Cl molar ratio in the associated gas phase is computed to be of 5. 4 and 3. 7, depend on the degassing dynamics upon eruption. These calculated values and those of the Cl/F (2) and S/CF (9) ratios confirm a dominant closed system magma ascent and degassing mechanism. They are in good agreement with those directly measured by teledetection during the 2001 and 2002 flank eruptions. Furthermore, any gas/melt separation occurring at greater depth would result in higher S/Cl ratios in the gas phase. This also applies to magmas, already saturated with sulphide globule, that are stored at shallow depths in the central conduits and degas under closed system conditions. Therefore, the modelled evolution of S/Cl and Cl/F ratios, both in the melt and the gas phase, gives access to the depths of gas segregation. The S/Cl and Cl/F ratios in the gas emission at the surface, along with the chemistry of associated solid products, bring strong constraints on the different mechanisms at the origin of lava fountains. Finally, steady state summit degassing, involving convective overturn in conduits, would imply ascent of volatile-rich magma until shallow depth (≤ 1 km under the craters), and thus the drain-back of the shallow degassed magma, in order to supply the excess gas flux at Mt Etna. As a whole, our modelling offers a general background to interpret gas emissions composition and so to better understand the different degassing processes that occur during the ascent of etnean volatile-rich basaltic melts

Dans le cadre de cette thèse, nous avons cherché à mieux comprendre les processus de dégazage magmatique et les dynamismes éruptifs associés, à travers l'étude des roches totales et surtout celle, systématique, des inclusions vitreuses piégées par les olivines des produits explosifs de l'Etna. L'étude a porté plus particulièrement sur les basaltes et trachybasaltes émis lors des éruptions de flanc de 2001 et de 2002-2003, indépendantes des conduits centraux, et lors de trois épisodes de fontaines de lave au cratère Sud-Est, en 2000.
Nous avons constitué une base de données complète sur les éléments majeurs et les constituants volatils dissous (H2O, CO2, S, Cl et F) dans les magmas de l'Etna. Nous apportons des données nouvelles sur l'abondance en éléments volatils dissous (4%, dont une teneur en eau ~3,4%) dans le magma basaltique le plus primitif émis à l'Etna depuis 240 ans, et terme parental des trachybasaltes qui alimentent les éruptions actuelles du volcan. Nous proposons que l'évolution géochimique des magmas étnéens depuis 30 ans, résulte d'un mélange entre ce nouveau magma potassique et un terme trachybasaltique, mis en place dans les conduits avant les années 1970. L'analyse isotopique de l'eau et du soufre dissous dans les inclusions les plus primitives (delta(D) entre -120 et -90; ‰ ; delta(34S) = +2,4±0,4 ‰) conforte l'idée d'une source mantellique, de type OIB, peu affectée par la subduction ionienne toute proche, à l'encontre de certaines hypothèses préalablement formulées.
La détermination du CO2 et de l'eau dans les inclusions nous a permis (i) de contraindre les pressions de piégeage des liquides et d'exsolution du soufre, du chlore et du fluor, (ii) d'évaluer les profondeurs de transfert et de stockage du magma, (iii) de proposer un modèle d'évolution des rapports S/Cl et Cl/F dans la phase gazeuse dissoute et exsolvée en fonction de la pression, dans le cas des éruptions latérales et sommitales, et (iv) d'individualiser le rôle du globule de sulfure présent dans les magmas résidant superficiellement dans les conduits centraux.
Nous proposons ainsi que les éruptions de flanc en 2001 et 2002 résultent de la remontée et du dégazage, en système fermé, du magma basaltique à trachybasaltique, coexistant avec une phase gazeuse déjà exsolvée. Le magma le plus primitif, remonte d'une profondeur >10 km (sous le niveau de la mer), et est extrudé lors des fontaines de laves. Le plus gros volume de laves produit dérive du transfert du magma trachybasaltique, légèrement plus différencié et stocké à 5±1 km. Lors de son stockage temporaire, ce magma s'appauvrit en eau, en se rééquilibrant avec une phase gazeuse riche en CO2, d'origine profonde. La déshydratation partielle d'un magma, stocké dans les conduits, en relation avec un flux de gaz persistant, riche en CO2, est probablement un processus fréquent à l'Etna et dans d'autres volcans basaltiques.
L'évolution modélisée des rapports S/Cl et Cl/F dans la phase gazeuse confirme un dégazage dominant en système fermé en 2001 et 2002. Les valeurs calculées des rapports molaires S/Cl des gaz à la surface de 5,4 à 3,7 et Cl/F de ~2, dépendent de la cinétique de dégazage syn-éruptif du chlore, et sont en parfait accord avec les mesures in situ effectuées par télédétection, au cours de la même période éruptive. Toute ségrégation de bulles de gaz en profondeur se traduit par des rapports S/Cl plus élevés dans la phase gazeuse. Ceci est également vérifié par la modélisation en système fermé du dégazage du magma stagnant superficiellement dans les conduits centraux et saturé vis-à-vis du globule de sulfure. La modélisation en pression de l'évolution de ce rapport permet donc de contraindre les profondeurs d'accumulation et de transfert différentiel des bulles. La valeur des rapports S/Cl et Cl/F dans les gaz ainsi que la nature des produits solides associés apportent de fortes contraintes sur les mécanismes à l'origine des fontaines de laves.
Enfin, l'activité de dégazage persistant aux cratères, impliquant une convection efficace dans les conduits, suggèrerait la remontée de magma riche en éléments volatils jusqu'à de faibles profondeurs (≤ 1 km sous les cratères), et le recyclage du magma dégazé, afin d'alimenter les flux gazeux excédentaires.
Notre modélisation offre ainsi un cadre général d'interprétation de la composition des émissions gazeuses, et contribue à une meilleure compréhension des processus de dégazage des magmas basaltiques, riches en éléments volatils, à l'Etna.

L'axe principal de cette thèse est la caractérisation des processus de dégazage magmatique des éléments traces, du soufre et des halogènes de deux volcans actifs : Hekla (Islande) et Masaya (Nicaragua).
Une étude sur les inclusions magmatiques (MIs) a permis de suivre l'évolution des volatils dissous dans le système volcanique d'Hekla au cours de la différenciation magmatique (cristallisation fractionnée). Ceci a permis d'estimer les concentrations en volatils dissous "attendues" dans le liquide pré-éruptif. Cette approche permet donc de ne pas sous-estimer les concentrations des liquides piégés dans les MIs et améliore ainsi les contraintes sur la masse de volatils émise dans l'atmosphère. Cette étude indique que, lors de l'éruption de février 2000, Hekla a émis dans l'atmosphère 0.1 Mt de HCl, 0.2 Mt de HF et 3.8 Mt de SO2. La chimie de la phase sub-Plinienne de cette éruption a été étudiée, de façon plus approfondie, grâce aux averses neigeuses qui ont traversé le panache volcanique. L'étude de ces neiges a montré que l'enrichissement des éléments volatils est lié à un processus de dégazage sous forme de chlorures, fluorures et sulfates. En revanche, l'enrichissement des éléments réfractaires est expliqué par un processus de dissolution non-stoechiométrique des téphras par la phase gazeuse riche en fluor au sein du panache éruptif.
Une étude basée sur les MIs a permis de confirmer la théorie de Walker et al. (1993) selon laquelle la différenciation des magmas tholéiitiques du Masaya se produit à basse pression à partir d'un magma relativement "sec" de composition homogène dans le temps. La caractérisation physico-chimique des aérosols par MEB et la chimie de la phase éruptive du volcan Masaya suggèrent que la plupart des éléments traces sont dégazés sous forme de chlorures, mais aussi sous forme de sulfates et chloro-sulfates. De plus, la quantification des flux de matière a montré que le dégazage au Masaya est une source importante de pollution atmosphérique.

L'activité des volcans andésitiques au niveau des arcs insulaires est caractérisée par une grande diversité dans leur style éruptif. Le dynamisme d'un même édifice volcanique peut aussi bien s'exprimer par une alternance d'éruptions de type "plinien" ou bien de type "peléen". Le sujet comporte deux aspects liés au fonctionnement local de la Soufrière de Guadeloupe et de la Montagne Pelée : l'étude de la dynamique d'une chambre magmatique superficielle et l'étude des phénomènes liés au dégazage des produits lors de la remontée dans le conduit volcanique.
Le premier aspect repose sur l'étude d'une éruption particulière de la Soufrière de Guadeloupe (1440 AD). La stratégie d'étude a été de coupler une étude pétrographique des produits émis avec une étude expérimentale. Cette approche nous a permis de contraindre avec précision les conditions pré-éruptives ainsi que la dynamique de la chambre magmatique qui s'est avérée être zonée thermiquement et chimiquement.
Le second aspect a consisté en l'acquisition des données naturelles et expérimentales sur les produits des éruptions historiques de la Montagne Pelée afin d'apporter des éléments nouveaux pour la compréhension du dynamisme des magmas andésitiques dégazés. La nature des produits a nécessité de coupler différentes approches (étude texturale des produits naturels, teneur en eau des verres résiduels, anisotropie de susceptibilité magnétiques sur les produits de dômes, expériences de décompressions contrôlées et acquisition de données expérimentales à basse pression).

Le comportement des halogènes (F, Cl, Br et I) dans les systèmes magmatiques est loin d'être clairement compris. La communauté scientifique n'a qu'une connaissance fragmentaire des processus qui influencent le comportement de ces éléments pendant le stockage et l'ascension des magmas. Les études récentes du comportement des halogènes lourds comme le brome et l'iode se sont principalement concentrées sur les magmas liés à la subduction, dans le contexte du cycle géochimique des halogènes depuis la subduction jusqu'à l'atmosphère. Les études antérieures sur la solubilité des halogènes (à saturation en saumure) ont montré que les liquides calco-alcalins felsiques, fortement polymérisés, présentent une solubilité des halogènes (à l'exception du F) plus faible que les liquides felsiques riches en alcalins. En outre, les magmas riches en alcalins peuvent produire des éruptions de grand volume (par exemple, le système du rift est-africain), ce qui peut conduire à une émission massive d'halogènes dans l'atmosphère. Les émissions d'halogènes dans l'atmosphère sont donc potentiellement sous-estimées dans ces contextes, en raison d'un manque de compréhension détaillée du comportement des halogènes (et notamment du brome et de l'iode) pendant le dégazage magmatique. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de contraindre expérimentalement le partage des halogènes entre la phase fluide magmatique et le liquide silicaté dans les systèmes alcalins felsiques et de conduire une étude préliminaire de l'abondance des halogènes (notamment du brome et de l'iode) dans les verres alcalins naturels mafiques à felsiques provenant de différents contextes géodynamiques. Nous avons réalisé des expériences HP-HT (800 -1100 °C ; 10-200 MPa ; NNO-0.6 - NNO+3.4) en utilisant quatre compositions de liquide silicaté de teneur en SiO2 et de rapport molaire [(Na₂O+K₂O)/Al₂O₃] variables (phonolite, comendite, pantellerite et un analogue synthétique de la composition phonolitique). Nos résultats montrent que la composition du liquide a un impact important sur le partage des halogènes entre le fluide et le liquide silicaté. Le Dhalogens (avec Dhalogens = concentration de l'halogène dans la phase fluide/concentration de l'halogène dans le liquide silicaté) augmente avec la teneur en SiO₂ et diminue avec l'alcalinité des liquides, en accord avec les données de solubilité. Nous avons effectué une étude systématique de l'influence de la température et de la pression sur le partage des halogènes entre le fluide et le liquide silicaté et les résultats montrent que la température a un effet plus prononcé sur le partage que la pression. L'influence des conditions redox a également été étudiée et les résultats montrent que le D_I diminue avec la diminution de la fO2, tandis que DBr et le DCl montrent un effet inverse. Nous présentons la première détermination des abondances en halogènes lourds (Br et I) dans des verres felsiques riches en alcalins, avec des concentrations de l'ordre de ~10 ppm de Br et jusqu'à ~1 ppm de I dans les rhyolites riches en alcalins. Les concentrations en iode de ces verres sont au moins un ordre de grandeur plus élevées que les concentrations déterminées par l'analyse roche totale des produits volcaniques calco-alcalins publiées par ailleurs, mettant en exergue la nécessité de quantifier davantage les halogènes lourds dans les magmas afin de mieux évaluer les émissions atmosphériques d'halogènes et leur impact sur l'environnement
The behavior of halogens (F, Cl, Br and I) in magmatic systems is far from being clearly understood. The scientific community has only a fragmentary understanding of the processes that influence the behaviour of these elements during magma storage and ascent to the surface. Recent studies of heavy halogens (Br and I) behaviour have focused mainly on subduction-related magmas, in the context of the geochemical cycle of the halogens from subduction to the atmosphere. Previous studies of halogens solubility (at brine saturation) have shown that felsic, highly-polymerized calc-alkaline melts have lower halogens (except F) solubility than felsic alkali-rich melts. In addition, alkali-rich melts can produce large volume eruptions (e.g., East Africa Rift System), leading to potential massive release of halogens into the atmosphere. Emissions of halogens to the atmosphere are therefore likely to be underestimated, due to the lack of detailed understanding of the behavior of halogens (and in particular bromine and iodine) during magmatic degassing. In this work, we have addressed this gap by experimentally constraining fluid/melt halogen partitioning in felsic alkali-rich systems, with a focus on Br and I, and by a preliminary study of halogens abundances in natural mafic to felsic alkali-rich glasses from different geodynamic contexts. We performed HP-HT experiments (800°-1100 °C; 10 -200 MPa; NNO-0.6 -NNO+3.4) using four melt compositions, with variable SiO2 contents and [(Na₂O+K₂O)/Al₂O₃] molar ratios (natural phonolite, comendite and pantellerite and a synthetic analogue of phonolitic composition). Our results show that melt composition has a strong effect on the partitioning of halogens between fluid and melt. Dhalogens (with Dhalogens = halogen concentration in the fluid phase / halogen concentration in the silicate melt) increases with SiO₂ content and decreases with melt alkalinity, in agreement with the solubility data. We have carried out a systematic investigation of the influence of temperature and pressure on the fluid-melt partitioning of halogens and the results show that temperature has a more pronounced effect on partitioning than pressure. The effect of the redox conditions on halogens fluid/melt partitioning was also explored and the results indicate that DI decreases with decreasing fO₂, whereas DBr and DCl show the opposite effect. We present the first determination of heavy halogens (Br and I) abundances in felsic alkali-rich glasses, with concentrations in the order of ~10 ppm of Br and up to ~1 ppm of I in alkali-rich rhyolites. Iodine concentrations for these melts are at least an order of magnitude higher than concentrations determined by bulk rock analysis of calc-alkaline volcanic rocks in previous studies, highlighting the need for further quantification of heavy halogens in magmas to better assess their atmospheric emission and impact

La dynamique des éruptions volcaniques est régie principalement par le processus de dégazage des magmas. Nous avons reproduit expérimentalement les conditions de pression (P) et de température (T) subies par le magma au cours de sa remontée à la surface, afin d'étudier la vésiculation des volatils qui s'exsolvent du silicate liquide. Pour cela nous avons développé, utilisé et validé deux outils expérimentaux permettant l'observation en temps réel du dégazage magmatique. Nous avons utilisé des verres synthétiques hydratés, analogues de magmas rhyolitiques, mis en équilibre en P et T et auxquels nous avons fait subir des décompressions contrôlées provoquant le dégazage de l'eau. Une partie des expériences a été réalisée en cellule à enclume de diamants hydrothermale, permettant l'observation de la vésiculation, pour des conditions P-T de 8-12 kbar, 700-900°C et 7-18 %pds H2O dans le silicate liquide.Dans le cadre des améliorations technologiques associées à ce travail, nous avons participé à la mise au point de capteurs électriques implantés dans les diamants permettant la mesure de la température au plus près de l'échantillon. Les autres expériences ont été réalisées dans un autoclave à chauffage internet transparent permettant une observation de la chambre à échantillons pendant l'expérience, pour des conditions P-T de 1-3 kbar, 700-1000°C, avec 4-7 %pds H2O dans le liquide silicaté. Ces deux outils complémentaires nous ont permis de réaliser des expériences de décompression et d'observer in situ la nucléation, la croissance et la coalescence de bulles d'eau. Les résultats de ces expériences sont présentés et comparés. Leurs implications volcanologiques sont discutées.

La dynamique des éruptions volcaniques est régie principalement par le processus de dégazage des magmas. Nous avons reproduit expérimentalement les conditions de pression (P) et de température (T) subies par le magma au cours de sa remontée à la surface, afin d’étudier la vésiculation des volatils qui s’exsolvent du silicate liquide. Pour cela nous avons développé, utilisé et validé deux outils expérimentaux permettant l’observation en temps réel du dégazage magmatique. Nous avons utilisé des verres synthétiques hydratés, analogues de magmas rhyolitiques, mis en équilibre en P et T et auxquels nous avons fait subir des décompressions contrôlées provoquant le dégazage de l’eau. Une partie des expériences a été réalisée avec cellule à enclumes de diamants hydrothermale, permettant l’observation de la vésiculation, pour des conditions P-T de 8-12 kbar, 700-900°C et 7-18 %pds H2O dans le silicate liquide. Dans le cadre des améliorations technologiques associées à ce travail, nous avons participé à la mise au point de capteurs électriques implantés dans les diamants permettant la mesure de la température au plus près de l’échantillon. Les autres expériences ont été réalisées dans un autoclave à chauffage interne transparent permettant une observation de la chambre à échantillons pendant l’expérience, pour des conditions P-T de 1-3 kbar, 700-1000°C, avec 4-7 %pds H2O dans le liquide silicaté. Ces deux outils complémentaires nous ont permis de réaliser des expériences de décompression et d’observer in situ la nucléation, la croissance et la coalescence de bulles d’eau. Les résultats de ces expériences sont présentés et comparés. Leurs implications volcanologiques sont discutées.

Le phénomène de dégazage permanent observé sur le volcan Erebus s'accompagne d'une variation cyclique de la composition des gaz et du niveau de son lac de cratère que nous nous sommes proposé de modéliser en partant de l'hypothèse que ces fluctuations sont causées par l'arrivée de batch de magma naissant à faible profondeur, ascendant dans un conduit à travers duquel percole un flux continu de gaz dont l'origine est plus profonde. Nous avons tout d'abord montré par simulation numérique que la vigueur de la convection observée en surface ne pouvait être expliquée par la seule convection thermique d'un mélange liquide-cristaux. Si une alimentation continue en magma et gaz dans un système ouvert permet de simuler un comportement pulsatif de la surface, cet apport doit être suffisamment important pour que les changements de vitesse de surface ainsi générés puissent être appréciés. Le conduit doit avoir un diamètre suffisant large pour assurer la pérennité de la convection et maintenir le magma au-dessus de sa température de transition vitreuse. La présence de cristaux accélère la convection et améliore l'efficacité du transfert de chaleur entre les régions inférieures et supérieures du système magmatique ; ces cristaux se déposent dans le fond de la chambre pour former une couche de forte concentration d'une dizaine de mètres d'épaisseur. L'introduction de deux batch de magma d'origines différentes a permis de mettre en évidence combien leur composition et le comportement du lac de lave étaient sensibles à la température à laquelle ces batch sont générés. D'autre part, un batch ne contribuera au budget de dégazage dans des proportions consistantes avec les observations que si un seuil de flottabilité suffisant a été atteint. Dans le cas contraire, la migration d'une quantité de magma nécessaire à ce dégazage ne pourrait se faire que dans un conduit de très grand diamètre. Les paramètres physiques de la croute qui se forme lors du refroidissement de la surface du lac de lave, tels que son épaisseur et sa perméabilité, influent sur sa capacité à se déformer sous la pression qu'elle piège et à permettre un dégazage de type effusif. Cette pression conditionne à son tour la porosité du magma en surface et éventuellement le degré de dégazage du magma qui redescend vers la chambre magmatique. Cette étude nous a permis de mieux appréhender les mécanismes associés à une éruption de régime effusif et constitue une étape dans la compréhension de la transition à un régime explosif, préoccupation majeure des centres de surveillance volcaniques.

L'activité des volcans andésitiques, tels que le Mont St Helens (États-Unis), Montserrat (Antilles) ou encore le Merapi (Indonésie), alterne entre des périodes relativement calmes, avec coulées de lave et formation d'un dôme, et des événements explosifs parfois très violents. Prévoir les transitions entre ces deux régimes est essentiel pour assurer la sécurité des populations voisines, mais demeure actuellement un vrai défi. Or les données expérimentales et les observations de terrain montrent que l'explosivité du magma est étroitement liée à son contenu en gaz. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre compréhension de l'évolution de ce contenu en gaz et de son influence sur l'activité volcanique, en nous appuyant sur des simulations numériques, l'analyse de données expérimentales ainsi que sur l'interprétation de données de déformation enregistrées au Merapi.Une part importante de ce travail réside dans le développement et l'amélioration de modèles d'écoulement en 2D pour prendre en compte le dégazage dans la partie supérieure du conduit, en régime transitoire. Nous présentons un modèle d'écoulement du gaz en temps qui tient compte des pertes en gaz aux bords du conduit et à sa sortie, selon les conditions présentes dans la roche encaissante et le dôme. Nous proposons également une adaptation des modèles de conduit permettant de coupler complètement l'écoulement du gaz avec celui du magma pour étudier l'évolution des conditions dans le conduit en régime transitoire. À partir de simulations de l'évolution du dégazage lors de l'emplacement d'un dôme, nous identifions les para-mètres contrôlant les pertes en gaz. Nos résultats montrent que ces pertes sont extrêmement sensibles à l'évolution de la perméabilité du magma et des gradients de pression autour du conduit en réponse au poids du dôme. La perméabilité du dôme a quant à elle peu d'influence. Au cours de la croissance du dôme, les pertes en gaz diminuent en profondeur. En haut du conduit, la pression du gaz augmente de quelques dizaines de MPa. Ces effets sont associés à une augmentation de l'explosivité du magma et de l'aléa volcanique en cas d'effondrement du dôme.Bien que la perméabilité du magma exerce un fort contrôle sur la perte de gaz, comme l'ont montré nos résultats, son évolution dans le conduit est peu contrainte. Les lois de perméabilité utilisées actuellement ne sont pas en accord avec l'ensemble des mesures réalisées sur des échantillons de magmas riches en silice. Dans le but d'améliorer notre compréhension du développement de la perméabilité dans le conduit, nous avons cherché à éclaircir le lien entre perméabilité, conditions d'écoulements, et caractéristiques géométriques du réseau de bulles connectées. Nous proposons une formulation du seuil de percolation, moment exact où le magma devient perméable compatible avec un grand nombre d'échantillons naturels et expérimentaux. Nous présentons aussi une nouvelle loi de perméabilité en accord avec la plupart des observations existantes, que nous avons intégrée à notre modèle 2D de dégazage. Nos résultats montrent qu'en fonction du nombre de bulles dans le magma et de la distribution de leurs tailles, l'importance des pertes en gaz et par conséquent les conditions d'écoulement dans le conduit varient d'effusives à explosives.Enfin, afin d'évaluer l'utilité des données de déformation pour suivre l'évolution des conditions d'écoulement, nous utilisons des modèles d'écoulement simples couplés à de la déformation élastique en 3D pour retrouver la déformation observée au sommet du Merapi peu avant l'éruption de 2006. Bien que ces modèles permettent de mieux comprendre les déplacements observés, le peu de données, associé à la complexité géologique et rhéologique du sommet, ainsi qu'à celle des processus physiques intervenant dans le conduit font qu'il est difficile de contraindre les conditions d'écoulement grâce à la déformation dans ce cas précis
At silicic volcanoes, such as Mount St Helens (United States), Montserrat (British West Indies), or Merapi (Indonesia), periods of relative quiescence, with lava flows and dome emplacement, alternate with explosive, sometimes very violent events. Forecasting the effusive/explosive transitions, which is essential for the safety of nearby populations, remains currently a real challenge. However, experimental as well as field observations provide evidence that magma gas content is a major clue for understanding explosivity. This thesis, based on numerical simulations, experimental samples analysis, as well as on the interpretation of ground deformation data recorded at Merapi volcano, aims at improving our understanding of gas loss evolution, and its impact on the eruptive regime.A major part of this work consisted in developing and improving 2D axisymmetric conduit flow models for integrating gas loss in transient conditions. We provide a time-dependent model for gas flow in the upper conduit, that accounts for gas loss both at the conduit walls and at its top, depending on conditions in the surrounding rock and dome. We also propose an adaptation of conduit flow models allowing for full coupling between magma and gas flow in 2D that should be used to further investigate flow conditions evolution during transient regimes. From time-dependent gas flow simulations in the case of an effusive dome emplacement, we identify controlling parameters for gas loss. Our results provide evidence that gas loss is extremely sensitive to the evolution of magma permeability and of pressure gradients around the conduit due to dome loading, whereas, contrary to the common idea, dome permeability has almost no influence. Along with dome growth, gas loss decreases at depth, thus causing an increase in the magma gas content. At the top of the conduit, this results in an increase in gas pressure by a few tens of MPa, thus increasing the likelihood of magma explosivity and hazard in the case of a rapid decompression due to dome collapse.Although magma permeability plays a major role for gas extraction, as revealed by our results, its evolution within the conduit is poorly constrained. Currently used permeability laws fail in reassembling the whole dataset of permeability measurements from natural and experimental silicic samples. In order to improve our understanding of permeability development in the conduit, we worked on linking permeability and flow conditions with geometrical parameters that characterise the connected bubble network, based on experimental samples analysis. We propose an expression for the percolation threshold, i.e. the very moment when magma becomes permeable, that succeeds in classifying a wide dataset of natural and experimental samples. We also develop a new permeability law that reassembles most of the existing observations, and implement it within our gas flow 2D model. Results show that depending on the number of bubbles within the magma and on their size distribution, gas loss and then magma flow conditions evolve from effusive to explosive conditions.Eventually, we evaluate the applicability of monitoring flow conditions from observed ground deformation by using simplified conduit flow models, coupled with elastic deformation in 3D, to interpret ground deformation recorded in the near field at Merapi a few days before the 2006 eruption. Although conduit flow models provide important clues for interpreting observed displacements, the sparsity of field observations together with the complexity of the volcano summit geology, rheology and processes happening in the conduit make it very complex to constrain flow conditions from observed deformation

Contraindre l'architecture et la dynamique des systèmes magmatiques est d’une importance capitale dans la compréhension des phénomènes volcaniques. Les principaux objectifs de cette thèse sont (1) de contraindre l'architecture du système magmatique du Piton de la Fournaise dans son ensemble, et (2) d'étudier l’évolution des magmas et les transferts associés en son sein. En couplant l'étude pétro-géochimique des magmas et du dégazage de CO2 à travers le sol, nous développons une approche intégrée, focalisée sur le flanc ouest de l'édifice. Cette zone témoigne d'une activité éruptive récente très peu étudiée, traçant potentiellement des processus magmatiques profonds. Nos résultats permettent de valider l'hypothèse du caractère décentré de la plomberie magmatique profonde du Piton de la Fournaise sous le flanc ouest de l'édifice. Nous démontrons que les magmas stockés dans la partie profonde de la plomberie magmatique préservent une certaine variabilité géochimique, principalement liée à de légères hétérogénéités de source et à des processus polybariques de cristallisation et d'assimilation. Nous montrons également que les flux de CO2 à travers le sol du flanc ouest de l'édifice enregistrent le dégazage précoce des magmas au sein du manteau lithosphérique. Nous soulignons ici que les variations temporelles des flux de CO2 à travers le sol peuvent être utilisées pour détecter les recharges du système magmatique central via des transferts magmatiques profonds.Nos résultats ouvrent des perspectives prometteuses quant à la surveillance des processus magmatiques profonds sous les édifices volcaniques, même en conditions tropicales
Constraining the architecture and dynamics of magma systems is fundamental in volcanology. The main objectives of this study are to (1) constrain the architecture of the whole plumbing system of Piton de la Fournaise, and (2) study magma evolution and transfers from the deepest roots of the plumbing system. Coupling magma petrogeochemistry and diffusive soil degassing, we develop an integrated approach, focused on the western flank of the volcano. This zone shows evidences of a recent eruptive activity, poorly documented, but potentially related to deep magma processes. Our results allow to confirm the offset of the deep part of the Piton de la Fournaise plumbing system beneath the western flank of the volcano. We demonstrate that magma stored in the deepest roots of the plumbing system display a geochemical variability, mainly related to minor mantle source heterogeneities and to polybaric crystallization and assimilation processes. We show that soil CO2 fluxes on the western flank of the volcano record early magma degassing in the lithospheric mantle. We highlight that temporal variations of soil CO2 flux may be used to detect magma replenishement of the central magmatic system by deep magma transfers, hardly detectable by the geophysical network.Our results opens exciting prospects to improve the monitoring of deep magma processes below volcanoes, even in tropical conditions

Afin de préciser l'origine des volatils terrestres et les flux actuels et passés vers l’atmosphère, de nombreuses études s’intéressent à la composition du manteau. Ce réservoir est échantillonné naturellement lors des éruptions volcaniques, mais une grande partie des gaz est alors émise dans l'atmosphère, de sorte que la composition des volatils du manteau reste peu contrainte. Nous cherchons à préciser les mécanismes de dégazage sous les dorsales océaniques afin de corriger ces fractionnements. L'analyse (He-Ne-Ar-CO2) de verres basaltiques issus de la dorsale des Galápagos, dans la zone d'influence du point chaud des Galápagos, montre que la composition en volatils des laves s'explique par distillation de Rayleigh d'une source unique. Cette source est distincte de celle du point chaud (isotopes du néon), impliquant un dégazage en profondeur du panache ou une hétérogénéité spatiale de sa composition.Plusieurs verres volcaniques issus de la dorsale Atlantique et Est Pacifique ont été imagés par micro-tomographie aux rayons X. L'étude met en évidence des mécanismes de nucléation et de croissance des bulles différents sous les deux dorsales. De la convection en périphérie de la chambre magmatique avant l’éruption a été mise en évidence par l’étude pétrologique des verres. Les vésicules imagées ont ensuite été ouvertes individuellement sous vide par ablation laser et analysées (CO2, 4He, isotopes de l'argon). La composition des bulles est hétérogène dans certains échantillons et compatible avec une distillation de Rayleigh. Les tendances de dégazage obtenues permettent d'obtenir localement la composition de la source mantellique, qui est hétérogène.L'étude permet également d'appréhender l'hétérogénéité des rapports 40Ar/36Ar dans les chambres magmatiques par la technique d’ablation laser qui diminue la contamination atmosphérique par rapport à la technique classique de broyage
The composition of mantle volatiles is related to the origin of Earth's volatiles and to the past and present volatile fluxes to the atmosphere. Although this reservoir is naturally sampled during volcanic eruptions, most of the volatiles are lost to the atmosphere during this event, thus the composition of mantle volatiles is still uncertain. We try here to precise the processes of degassing below mid-oceanic ridges to correct the lava compositions for degassing.The He-Ne-Ar-CO2 analyses of basaltic glasses sampled along the Galapagos Spreading Center, in the area of influence of the Galapagos hotspot, show that the volatile composition of lavas is fully explained by a Rayleigh distillation of a unique source distinct from the plume source. These results imply that the plume degasses at depth or is heterogeneous.Several volcanic glasses from Mid-Atlantic ridge and East Pacific Rise have been imaged by X-rays microtomography. The mechanisms of vesicle nucleation and growth appear to be different below the two ridges. A step of convection at the magma body margin has been evidenced by the petrologic study of the glasses. Imaged vesicles have been subsequently opened under vacuum by laser ablation and analysed (CO2, 4He, argon isotopes). We observe, depending on the samples, either a single composition for all bubbles, or variations in composition between bubbles consistent with a trend of equilibrium degassing in an open system. The trends of degassing allow extrapolating locally to the volatile composition of the mantle source, which is heterogeneous. We also studied the heterogeneity of 40Ar/36Ar ratios in magmatic chambers using the laser opening method, which lowers the contribution of atmospheric gases compared to the classical crushing method

Le volcanisme des zones de subduction est caractérisé par une grande variété de styles éruptifs, allant de croissances effusives de dômes à des éruptions hautement explosives telles que les nuées ardentes ou les panaches Pliniens. L'impact de ces éruptions en
termes de risque volcanique pour les populations est très différent. Cependant, à l'heure actuelle, on ne peut prévoir ni la date d'une éruption, ni son style éruptif. Cette incapacité de prévision réside fondamentalement dans le manque de compréhension des processus physicochimiques à l'origine du développement d'une éruption effusive ou explosive. Les travaux
présentés visent à apporter des informations sur les conditions de stockage et les processus
éruptifs tels que le dégazage, la cristallisation et la fragmentation de ces magmas riches en
silice, par une approche naturaliste des tephra naturels couplée à de l'expérimentation en conditions magmatiques

1) Nous évaluons les aspects dynamiques de dégazage et perméabilité dans les magmas au moyen d'expériences haute pression et température sur des roches naturelles. Le dégazage est mesuré par l'influence du taux de décompression sur la croissance des bulles de gaz contenues dans le magma et la perméabilité par l'évolution temporelle de la coalescence de ces bulles. La mise en paramètre de nos résultats dans un modèle numérique de conduit volcanique montre que les modèles précédents basés sur un dégazage en équilibre surestiment significativement l'accélération et le taux de décompression du magma. L'estimation des effets de la perméabilité montre que la transition entre les éruptions effusives et explosives est fortement contrôlée par la vitesse initiale de remontée du magma.
2) Nous unifions les deux visions de courants pyroclastiques admises (coulées pyroclastiques hautement concentrées et nuées ardentes diluées et turbulentes) grâce à des lois d'échelle basées sur la physique multiphasée. A partir la dynamique de l'interaction de particules avec un vortex élémentaire, nous considérons le spectre complet des vortex générés dans un écoulement turbulent. Nous démontrons que la présence de particules de tailles différentes force la stratification en densité du courant, puis nous expliquons le mécanisme de ségrégation des courants pyroclastiques en une partie basale concentrés surmontée d'une partie diluée. Comme l'interaction d'un courant avec des reliefs montagneux ou des corps aqueux s'enregistre dans ses dépôts, nous avons étudié les produits de la dernière grande éruption du volcan Okmok (Iles Aléoutiennes, USA). Au-delà de la reconstruction du déroulement de l'éruption, cette étude de terrain a permis de valider les aspects principaux du modèle, comme la superposition d'un courant dense et dilué, leur séparation lors de l'entrée dans l'océan et les caractéristiques des particules qui les constituent.