Thèses sur le sujet « Italian Volcanism »

2010 - 2011
The objective of this thesis is the study of slow deformation of the soil as a result of intrusion of magma inside the magmatic chambers of some volcanoes located in Southern Italy. In particular, the Mt. Vesuvius and Campi Flegrei caldera have been monitored over the last 7 years. The research has been accomplished through the use of geodetic instrumentation (long baseline tiltmeters, Sacks-Evertson dilatometers) that has been installed during the entire period of the research near the aforementioned volcanoes. The data were recorded with the aid of data-logger, some of which are specifically designed for the current research. Campi Flegrei and Mt. Vesuvius are two volcanoes located near Naples, already monitored by Osservatorio Vesuviano, the local office of INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia). In the last 40 years systematic recordings of seismic data, of changes in distance of milestones, of leveling lines, of local gravimetric anomalies and of GPS-InSAR data have been carried out. Starting from 2004, the monitoring network maintained by Osservatorio Vesuviano has been enriched by the DINEV project: this is intended as a complementary network of geodetic stations and consists in the installation of a small array of 6 borehole stations (with an average depth of 120 m), each of which is constituted by a three components borehole broadband seismometer Teledyne Geotech KS2000BH and a Sacks-Evertson areal strainmeter (dilatometer). In addition, two three components surface broadband seismometers Guralp CMG 3-ESP have been installed to control the anthropogenic surface noise. In Campi Flegrei caldera, then, another array of instruments has been installed: two long baseline water tiltmeters have been installed in Italian Army abandoned tunnels. The total length of tiltmeters is about 350 m for the northernmost tunnel, and of about 150 m for the southernmost tunnel. Tiltmeters were installed, respectively, in axial and tangential direction in respect with the position of the Campi Flegrei magmatic chamber. The use of the instruments described in the current report allows to model the strain field in the range of low frequencies, monitoring the deformation tensor for its non-diagonal components (pure tilt) by using the tiltmeters, and the diagonal components (pure deformation) by using the dilatometers. The monitoring is occurred for a time range of some years in length, needed to remove the seasonal drifts due to changes in rainfalls, while the deformation due to changes in barometric pressure have been deleted using linear regression techniques. [edited by author]
X n.s.

El volcanismo oligo-mioceno del Sulcis, SO de Cerdeña (Italia) presenta la particularidad de contener rocas peralcalinas y alcalinas de un ambiente geodinámico anorogénico posterior a la actividad orogénica relacionada con la subducción de una placa oceánica durante la migración antihoraria del bloque Sardo-Corso y la sincrónica creación de la cuenca Liguro-Provençal. La geocronología 40Ar/39Ar (feldespatos), marca el final de la actividad magmática calcoalcalina a 16.18±0.04 Ma (Burdigaliense) y el inicio del episodio anorogénico a 15.96±0.04 Ma (Langhiniense inferior). La duración del evento peralcalino fue de 350 ka según edades U-Pb en zircones. El volcanismo del Sulcis está relacionado con una caldera elíptica de 30x20 km con su eje mayor de dirección NE-SO, de tipo depresión volcano-tectónica de apertura gradual, relacionada con esfuerzos transcurrentes senestrales a través de lineamientos tectónicos regionales paralelos a la Fosa Sarda. Un modelamiento geológico 3D en el Entroterra Sulcitano permitió calcular 21 km3 de flujos ignimbríticos eruptados en un período de ~1.5 Ma. Se estima que el volumen eruptivo en todo el SO de Cerdeña se aproxima a 100 km3, constituyendo una de las mayores calderas del Mediterráneo Occidental. Importantes mineralizaciones de Mn (Fe-Ba) de origen volcánico-hidrotermal están controladas estructuralmente por la intersección de fallas radiales con el sistema de anillos de la caldera. Una cartografía detallada en San Pietro, Sant’Antioco y el Entroterra Sulcitano, permitió dividir una secuencia de ~1300 m de rocas ígneas dómicas, lávicas y piroclásticas en 7 series volcánicas con 25 unidades y 42 subunidades compuestas por andesitas, traquiandesitas, riolitas, comenditas y pantelleritas. Importantes evidencias de vulcanismo submarino se presentan en la Isla de San Pietro en un ambiente marcado por actividad magmático-hidrotermal al final de la serie riolítica media (MRH) y la serie comendítica inferior (LCO). Esta actividad tectono-magmático-hidrotermal es más importante en San Pietro, entre Macchione y Cala Fico, a lo largo de una falla E-O radial a la caldera, con un depósito tipo SEDEX proximal intercalado entre las unidades de Montagna di Capo Rosso y Matzaccara, compuesto por óxidos de Mn, jaspes y ocres que corresponden con el primer sistema mineralizado genéticamente relacionado con el colapso de la caldera, cambio en las condiciones locales del nivel del mar, reactivación de fallas que limitan horst y grabens y circulación de fluidos de origen magmáticos y marino. Este sistema hidrotermal está activo en la parte superior de la serie MRH durante ~10 ka. Un segundo sistema hidrotermal se produce con la erupción de las primeras unidades comendíticas de la serie LCO, también en un ambiente con influencia marina y mineralizaciones de Mn-Fe de tipo hidrotermal-epigenético que ocurren ~220 ka después del primer evento. Mineralizaciones menores de Mn suceden durante la erupción de la unidad Monte Ulmus en San Pietro y Sant’Antioco, y en las unidades Punta Mingosa y Post-Calasetta, principalmente asociados con zonas de blisters donde precipitan óxidos de Fe y se produce argilización y silicificación intensa. Los blisters en las unidades superiores de la secuencia indican un período de desgasificación importante de la cámara magmática en los estadios terminales del magmatismo del Sulcis. La geoquímica isotópica de elementos radiogénicos (Sr-Nd-Pb) muestra que la cuña mantélica implicada en la generación de rocas andesíticas y riolíticas del ambiente orogénico tienen mezcla de componentes DMM+EM1, mientras que los magmas peralcalinos y los previos (MRH) presentan una fuerte señal del componente EM2. El estudio comparado de elementos traza y radiogénicos (87Sr/86Sr vs. Zr/Nb) muestra un enriquecimiento en la isotopía de Sr a medida que los magmas peralcalinos evolucionan por cristalización fraccionada, esto permite trazar los aportes de magmas menos evolucionados que llegan sucesivamente, mostrando una señal mantélica de mayor profundidad, desencadenado las erupciones.
The Oligo-Miocene volcanism from SW Sardinia (Italy) presents peralkaline and alkaline rocks of an anorogenic geodynamic environment erupted after the orogenic magmatism. 40Ar/39Ar geochronology marks the end of the calc-alkaline magmatic activity at 16.18±0.04 Ma and the beginning of the anorogenic episode at 15.96±0.04 Ma. The Sulcis volcanism related to a 30x20 km piecemeal elliptical caldera with a NE-SW direction major axis was formed in a sinistral transtensional regimen. A 3D modeling on Sulcis Mainland provides 21 km3 of ignimbrite flows erupted in ~1.5 Ma (in all likelihood 100 km3 for the whole caldera). Significant Mn mineralizations of volcanic-hydrothermal origin are controlled by the intersection of radial faults with the caldera ring system. Detailed mapping in Sulcis region shows a sequence of ~1300 m (domes, lavas and pyroclastic flows) in 7 volcanic series (25 units and 42 subunits from andesites to peralkaline rhyolites). On San Pietro Island, evidence of submarine volcanism is shown in an environment marked by magmatic-hydrothermal activity at the end of the middle rhyolitic (MRH) and the lower comenditic (LCO) series. This tectonic-magmatic-hydrothermal activity is more important between Macchione and Cala Fico area, along a radial E-W fault, with respect to the caldera ring. In this context, there is a vent-proximal Sedex type deposit with Mn oxides, jaspers and ochres. This deposit corresponds to the first mineralized system genetically related to the caldera collapse, along with changes in sea level local conditions, faults reactivation limiting horst and grabens, and fluids circulation of magmatic and marine origin. This hydrothermal system is active on top of the MRH series for ~10 ka. A second event is produced by the eruption of the first comenditic units in the LCO series, also in a marine-influenced and hydrothermal-epigenetic Mn-Fe mineralization environment, ~220 ka after the first event. Minor hydrothermal mineralizations occur during the eruption of the Monte Ulmus unit in San Pietro and Sant'Antioco. The Sr-Nd-Pb isotopes show a magma generation starting by DMM+EM1 that evolves to an EM2 component at MRH and peralkaline rocks. The 87Sr/86Sr vs. Zr/Nb relation shows radiogenic Sr isotopes enrichment as peralkaline magmas evolve by fractional crystallization.

Distal tephrochronology relies on the synchronous dispersal and deposition of volcanic ash or tephra (i.e. < 2mm) from explosive volcanic eruptions (Plinian/sub-Plinian). Tephrochronology correlates tephra layers to proximal source volcanic eruptions, where proximal age is well constrained, allowing tephra layers to be used as robust age markers. Tephras layers are recorded in a variety of distal environmental archives, thus tephrochronology provides an independent time framework for interpreting palaeoenvironmental proxies in marine and lacustrine cores. Tephrochronology is dependant on precise correlations of distal glass geochemistries with proximal source volcanics. Proximal volcanic deposits have been subject to detailed sampling and glass analyses revealing spatial and temporal changes III magmatic compositions during individual eruptions. Geochemical 'fingerprints' have been determined for Italian explosive proximal deposits using electron probe micro analysis (EMPA) and laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS). Presented are detailed volcanic glass major, minor and trace element compositions for proximal deposits outcropping on the Aeolian Islands, Mount Etna and Ischia. These proximal glass compositions are used to test proximal-distal correlations, . linking visible and crypto-tephra layers from marine (Tyrrbenian, Ionian and Adriatic \ Seas) and lacustrine (Lago Grande di Monticchio, Italy) cores to their volcanic source. Combined major, minor and trace element charcterisation of proximal and distal glasses has valdiated the provenance and age of numerous distal tephra layers. Precise tephra correlations have allowed for the exchange of tephrochronological information over wide geogrpahical distances (up to 800 km). Correlations based solely on major element analyses can be erroneous due to repeated chemistries produced at many of the volcanic centres investigated. Trace element concentrations enable the identification of additional diagnostic features nessesary for distinguishing tephras produced from a single volcanic centre. However, in some instances volcanic systems repeatedly produce glass geochemistries that are indistinguishable at a multi-element level demonstrating the importance of good strati graphic control distally when assigning procvenance. Some tephras identified in the Tyrrhenian Sea (Marsili basin) have no currently identified proximal counterparts. This research demonstrates that proximal stratigraphies are not always fully representative of event stratigraphies due to resurgent activity and in the case of volcanic islands flank collapse and limited on-land deposits.

L'objectif de cette recherche est d'analyser le rapport entre la ville de Catane et son sol de lave conservé à l'état naturel. A partir de la notion de paysage et dans la limite des seules théories françaises, la recherche aboutit à l'introduction du concept de paysage vivant. L'investigation porte, d'une part, sur la dimension biophysique de la réalité, avec un relevé cartographique des actuelles présences de lave dans la ville ; elle procède, d'autre part, à l'observation des relations possibles entre la lave urbaine et la population catanaise. Ces relations sont divisées en " élitaires ", lorsqu'on considère quelques exemples de représentation (artistique, littéraire, etc. ) du paysage volcanique, ou bien en " ordinaires ", lorsqu'une enquête de type qualitatif est conduite auprès de la population urbaine. Ces relations sont examinées dans leur double dimension, matérielle et immatérielle, à travers une analyse qui traduit en termes opératifs l'ambigui͏̈té du concept de paysage.

Les compositions isotopiques des laves basaltiques plio-pleistocenes et quaternaires des provinces toscanes, romaines, du vesuve, des iles eoliennes et du bassin ibleen se placent parfaitement sur des hyperboles de melange dans l'espace 87sr/86sr, 206pb/204pb, hf et nd. Les compositions isotopiques des poles purs de ces melanges ont ete calcules par une methode de moindre carres. Le pole mantellique est lui-meme un melange homogene de composants himu et dm. Le composant crustal explique l'enrichissement des produits volcaniques italiens en k et autres ions lithophiles. Les relations dans l'espace hf-nd et la valeur du rapport hf/sm inferieure a la valeur chondritique indiquent que ce composant crustal est domine par des sediments pelagiques plutot que terrigenes. La rarete de laves calco-alcalines et la presence d'un composant himu conduisent a s'interroger sur la possibilite d'un volcanisme de plume en domaine de subduction. Il y a 13 ma, la formation des apennins a conduit la plaque adriatique subductant vers l'ouest sous la marge europeenne. La direction de convergence a alors tourne vers le nord-ouest. Le differentiel de subduction entre la plaque fossile situee sous la toscane et la plaque active situee sous la sicile depuis l'ouverture de la mer tyrrhenienne est de l'ordre de 300 km. Cette valeur est suffisante pour etirer la plaque plongeante et ouvrir une fenetre de la plaque subductee est a l'origine du volcanisme mafique italien. Le composant crustal est probablement acquis par l'interaction entre le manteau passant au travers de la fenetre et la partie superieure de la plaque subductee.

L’étude de téphrochronologie et de stratigraphie isotopique de 5 carottages, prélevés en mer Tyrrhénienne et mer Adriatique a permis d’obtenir une reconstitution détaillée de l’activité explosive des volcans du sud de l’Italie, et particulièrement de ceux de la province Campanienne au cours des 150 000 dernières années. L’association de quelques tephra marins avec les formations terrestres homologues, datées par ailleurs, a permis de dater avec précision les variations isotopiques de l’oxygène des Foraminifères pour les 60 000 dernières années. Plusieurs épisodes d’activité volcanique ont été reconnus en Italie. Ils apparaissent de façon aléatoire au cours des 150 000 dernières années. Cependant, la comparaison de l’activité volcanique de la province italienne avec celles d’autres zones volcaniques montre qu’elles ont une période commune de calme relatif située vers 15 000 – 17 000 ans. La comparaison des variations climatiques et de l’activité volcanique montre qu’à l’échelle de plusieurs milliers d’années, l’augmentation de l’activité volcanique n’a pas d’influence sur le climat, et ne peut donc induire les périodes glaciaires
The tephrochronological study, together with oxygen isotope stratigraphy of 5 cores, collected in the Tyrrhenian and Adriatic seas allows a detailed reconstruction of the explosive activity of the south Italian volcanoes, especially those of the Campanian province, during the past 150,000 years. Some marine tephra-layers were correlated to dated terrestrial deposits, which permits the dating of the oxygen isotope fluctuations during the past 60,000 years. Several volcanic pulses were recognized during the past 150,000 years without any recognizable periodicities. Nevertheless, the comparisons of the Italian volcanic activity with that of theirs volcanic areas show a common quiet period around 15,000 – 17,000 years. Analyses of the volcanic and paleoclimatic variations show that within a scale of thousand years, the increase of volcanism has no climatic effect, and cannot trigger the glacial advances

Les Iles Eoliennes se construisent sur la marge nord du socle calabro-péloritain dans un contexte de convergence entre les plaques africaine et européenne. Nous nous sommes intéressés aux volcans du secteur occidental des Iles Eoliennes. Ils contiennent une large gamme de magmas typiques des zones de convergence, allant des séries calco-alcalines (CA) aux séries potassiques (KS) en passant par les séries CA riches en potassium (HKCA) et les séries shoshonitiques (SHO). Ces magmas sont émis en moins de 300 ka, ce qui atteste de la complexité de l'évolution volcano tectonique de la province. Trente sept nouvelles données géochronologiques, combinées à une analyse géochimique de soixante treize échantillons et une étude géomorphologique nous ont permis de contraindre l'évolution temporelle du magmatisme et des structures morphologiques. Avant 180 ka, les volcans de Filicudi, Salina et Lipari ont une activité émergée et les magmas émis appartiennent principalement aux séries CA, avec quelques magmas HKCA à Lipari. Après 120-130 ka, les volcans d'Alicudi et Vulcano se construisent aux extrémités Ouest et Sud de l'archipel. Les magmas d'Alicudi sont les plus primitifs de l'archipel. Vulcano et Lipari émettent des magmas HKCA et SHO, alors que des magmas CA sont produits à Filicudi et Salina. Apres 40 ka, Filicudi émet des magmas mafiques HKCA ; Alicudi et Salina des magmas CA ; et Lipari et Vulcano des produits SHO. A l'échelle de l'arc, des variations majeures du chimisme des magmas ont lieu vers 120 et 40 ka et seraient liées à des changements régionaux. A l'échelle locale, l'évolution des magmas est plus complexe et reflète différents processus spécifiques à chaque volcan
The Aeolian Islands arc is a complex volcanic province located on the continental margin of the Calabro-Peloritan basement. It emplaced in a geodynamic setting linked to the convergence of African and European plates. In this study, we focused on the western volcanoes of Aeolian Archipelago. They contain the range of geochemical compositions typical of convergence settings, from calc-alkaline (CA) to shoshonitic series (SHO) through high-K CA (HKCA). These magmas were emitted in a short span time of less than 300 ka that attests to the complexity of the volcano-tectonic evolution of this province. We report on thirty seven new geochronological data, on seventy three new geochemical data and on geomorphological analysis to study the temporal evolution of magmatism and of morphological structures. Before 180 ka, only Filicudi, Salina and Lipari volcanoes had emerged activity and emitted CA magmas, with minor HKCA products at Lipari. After 120-130 ka, Alicudi and Vulcano volcanoes emerged simultaneously to the western and southern extremities of the archipelago. Alicudi magmas have the more primitive composition. SHO and HKCA products were emitted on Lipari and Vulcano, while only CA magmas were emplaced on Filicudi and Salina. After 40 ka, Filicudi emitted mafic HKCA magmas while Alicudi and Salina emitted mainly CA magmas. Products of SHO affinity were emplaced at Lipari and Vulcano. At the scale of the archipelago, two main magma composition changes occurred around 120 and 40 ka that would have been caused by regional changes. At the scale of a single volcano, the magmatic evolution is more complex reflecting different processes specific to each volcano

En plus de la destruction des sites à proximités des volcans, l'accumulation de cendres volcaniques dans les zones distales peut causer de graves dommages. De plus l'évaluation de ces dangers n'est pas pleinement prise en compte dans les plans de mitigation actuels. L'étude de la dispersion des retombées pyroclastiques produites par les éruptions explosives des volcans Italiens lors du Quaternaire est le sujet de cette thèse. L'étude tephrostratigraphique de trois carottes lacustres des lacs de Shkodra et Ohrid (Albanie) et d'une carotte marine du Nord de la mer Ionienne a été réalisée. Dix-sept niveaux de tephra ont été corrélés aux éruptions explosives de A. D. 472, Avellino (3. 9 cal. Ka BP) du Vésuve, Monte Pilato (A. D. 1200), Gabellotto-Fiumebianco (8. 6 cal ka BP) et Monte Guardia (22 ka BP) de l'île de Lipari, FL (3. 4 cal. Ka BP) de l'Etna, Astroni (4. 2 cal. Ka BP), Agnano Monte Spina (4. 5 cal. Ka BP), Agnano Pomici Principali (12. 3 cal. Ka BP), SMP1-Y3 (31 ka) et l'Ignimbrite Campanienne-Y5 (39 ka) des Champs Phlégréens, X6 (107 ka) de la région Campanienne, et de P11 (131 ka) de l'île de Pantelleria. Cinq autres niveaux de tephra possèdent la composition que les dépôts de l'éruption vésuvienne de Mercato. Cela suggère une activité explosive entre les éruptions pliniennes de Mercato (8. 9 cal ka BP) et Avellino (3. 9 cal ka BP). Toutes ces données ont été intégrées, avec les données préexistantes de la littérature, dans la banque de données d'un SIG. Cette banque de données couplée à un SIG permet de grandement améliorer les dispersions des cendres et représente un outil qui améliore la mitigation des risques volcaniques dans la région centrale de la Méditerranée
In addition to the destruction of the sites close to the volcanoes, the accumulation of volcanic ash in distal zones can cause serious damages but the evaluation of the related hazard is not fully addressed in present day mitigation plans. The dispersion study joined with the physical and geochemical characterization, of distal pyroclastics deposits produced by explosive eruption of Italian volcanoes during late Quaternary was the focus of this PhD project. The distal deposits were investigated through the tephrostratigraphic study of three lacustrine cores from Lake Shkodra and Lake Ohrid (Albania), and one marine core from the northern Ionian Sea. Seventeen tephra layers were correlated with explosive eruptions of A. D. 472, Avellino (3. 9 cal. Ka BP) from Somma-Vesuvius, Monte Pilato (A. D. 1200), Gabellotto-Fiumebianco (8. 6 cal ka BP) and Monte Guardia (22 ka BP) from Lipari Island, FL (3. 4 cal. Ka BP) from Mount Etna, Astroni (4. 2 cal. Ka BP), Agnano Monte Spina (4. 5 cal. Ka BP), Agnano Pomici Principali (12. 3 cal. Ka BP), SMP1-Y3 (31 ka) and Campanian Ignimbrite-Y5 (39 ka) from Phlegrean Fields, X6 (107 ka) from Campanian, P11 tephra layer (131 ka) from Pantelleria Island. Five other tephra layers have the Mercato deposit composition from Somma-Vesuvius. This suggests the occurrence of interplinian activity between the eruptions of Mercato (8. 9 cal ka BP) and Avellino (3. 9 cal ka BP). All the data were collated into a GIS and integrated with literature data. This data-base implemented in a GIS environment allows a significant improvement of the ash dispersal and represents an useful tool for the improvement of volcanic hazard mitigation in Central Mediterranean area

During the Cenozoic the western Mediterranean area underwent a complex geodynamic evolution driven by the interaction between the African and Eurasian plates. The Corsica- Sardinia microplate played a central role in this evolution, which was recorded by its tectonic evolution and volcanism. During Oligo-Miocene the roll-back of the NW-wards subducting ,Apulian subduction zone caused the Corsica-Sardinia microplate to detach, drift and rotate from the European continental margin to its present position, opening the Liguro-Provençal Basin and generating abundant subduction-related calc-alkaline orogenic volcanism. After a 6 Ma-long pause in retreat, subsequent evolution of the roll-back since Pliocene left Sardinia in its current position as the trench retreated SE-ward opening the southern Tyrrhenian basin. Extensional tectonics related to this opening produced in Sardinia the generation of abundant anorogenic alkaline volcanism. In the Sulcis area, in SW Sardinia, a special volcanic suite was produced which began sharing the same calc-alkaline characteristics as the rest of the subduction-related volcanism throughout Sardinia, forming an andesitic lava domes and flows piling, but that later migrated to different compositions, mildly alkaline, including the rarely occurring peralkaline volcanism, which formed a mainly rhyolitic ignimbritic succession. In spite of the marked differences of the Sulcis magmatism, this special volcanic suite was considered to be only one more manifestation of the widespread subduction-generated orogenic volcanism of Sardinia. The present work has, at least partially, solved this situation. A thorough and detailed study of the Sulcis Oligo-Miocene volcanic suite has been carried out in this study involving the revision of the available data on volcanostratigraphy and cartography and the characterization of the geochemistry, petrography and mineral chemistry of the several units present in this suite, which has allowed us to obtain significant information on the petrogenesis of this suite and its geodynamic significance. As a result of the field and laboratory work all units have been characterised from the volcanostratigraphic, petrographic and geochemical point of view. A methodology for unit recognition based on whole rock geochemistry has been developed, which has been a fundamental tool for solving volcanostratigraphic and mapping doubts during the development of this work, and remains a powerful tool for future studies. The study of the whole rock geochemistry data has allowed us to obtain significant information on the generation of the magmas that formed the Sulcis volcanic suite and its geodynamic significance, and combination with petrographic observations has provided valuable information on the evolution of these magmas from its formation to its eruption. Isotope and trace element data have revealed the structure of the mantle beneath Sardinia, which is diffusely stratified with an upper part with an EMI signature and a lower more EARlike region, both of them having an OIB mantle source-like composition. Subduction during Oligo-Miocene released into the mantle wedge hydrous fluids and partial melts carrying sediment and MORB isotope and trace element compositions, which metasomatised this mantle, introducing mostly into the more EAR-like mantle a subduction signature. The Oligo-Miocene orogenic magmas in Sardinia, including the andesitic lower sequence in the Sulcis, were produced in the subduction-modified more EAR-like mantle portion by lowering of the melting temperature due to the input of subduction fluids. Magmas from the ignimbritic sequence in the Sulcis, though, are considered to represent a transition from orogenic to anorogenic magmatism. It is suggested that the transition was due to a change in the melting mechanism from fluid- to extension-controlled, related to the cessation in the subduction influence below the Sulcis. The mechanism proposed to explain the contemporaneous occurrence of both orogenic and anorogenic magmatisms in Sardinia during the emplacement of the Sulcis ignimbritic suite is the formation of a slab break-off which started south of Sardinia and progressed northward opening a slab window. The ignimbritic sequence in the Sulcis was formed by the arrival and differentiation of several magma batches with slightly different initial compositions, apparently at least one for each unit except for Lenzu and Seruci units, which formed by evolution of the magma that generated the immediately preceding units. Magma differentiation was dominated by crystal fractionation processes, which produced similar evolutionary trends, assimilation having a very small effect only appreciable in Pb isotopes.
Durant l’Oligo-Miocè el funcionament en roll-back de la subducció sota el marge continental europeu de l’oest Mediterrani va provocar el desenganxament de la microplaca Sard-Corsa d’aquest marge i la seva migració primer amb una translació cap al SE i posteriorment amb una rotació en sentit antihorari fins a assolir la seva posició actual. Associada a aquest desplaçament es va produir l’obertura de la conca Liguro-Provençal en posició de back-arc. Com a resultat de la subducció es va produir abundant magmatisme calco-alcalí d’afinitat orogènica a l’illa de Sardenya. A la zona del Sulcis, al SW de Sardenya, el magmatisme va compartir inicialment les mateixes característiques que la resta del magmatisme sard, formant un apilament de doms i colades làviques de composicions andesítiques. Però cap als estadis finals del cicle magmàtic, els magmes generats van migrar de composició, donant lloc a un apilament d’unitats ignimbrítiques amb composicions majoritàriament riolítiques de transicionals a lleugerament alcalines. Malgrat la marcada diferència composicional entre la seqüència ignimbrítica del Sulcis i la resta del magmatisme Oligo-Miocè sard, aquesta va ser considerada com un exemple més d’aquest magmatisme. Per resoldre en part aquesta situació s’ha realitzat aquesta tesi. En aquest estudi s’ha revisat la seqüència vulcanoestratigràfica descrita així com les cartografies existents per tal de realitzar un mostreig sistemàtic de la seqüència ignimbrítica. L’estudi de les mostres recollides ha permès caracteritzar totes les unitats que formen la seqüència des del punt de vista de petrogràfic i geoquímic. Les dades obtingudes han permès desenvolupar una metodologia per al reconeixement de les unitats ignimbrítiques en base a la geoquímica de roca total, així com abordar l’estudi de la petrogènesi d’aquesta associació magmàtica. S’ha obtingut informació sobre l’àrea font dels magmes, que ha pogut ser caracteritzada, sobre els mecanismes de formació dels magmes estudiats i el seu significat geodinàmic, i sobre els processos que van controlar l’evolució dels magmes des de la seva formació fins a la seva expulsió en superfície en forma de materials volcànics.

Les panaches volcaniques de téphras constituent un des aléas volcaniques majeurs. Pour prévoir leur dispersion et les zones d'impacts de leurs retombées, des modèles numériques sont utilisés en opérationnel et basés sur des paramètres éruptifs, regroupés sous la notion de terme source, caractérisant l'émission des panaches. L'ensemble du terme source est cependant difficile à mesurer en temps réel. C'est pourquoi les modèles de dispersion sont souvent basés sur des scénarios d'éruptions passées et utilisent des lois empiriques reliant la hauteur des panaches avec les flux massiques à la source. Cependant, les résultats qui découlent de ces modèles sont peu contraints, moyennés sur la durée des éruptions, et souffrent de larges incertitudes. Dans cette optique, les radars Doppler, capables de sonder l'intérieur des colonnes éruptives avec des échelles spatio-temporelles fines, peuvent fournir des contraintes cruciales sur le terme source des panaches en temps réel. Ce travail de thèse traite des applications de radars volcanologiques dédiés, potentiellement transposables aux radars météorologiques communément utilisés, afin de fournir des paramètres éruptifs à la source des panaches de téphras en surveillance opérationnelle mais également pour contraindre la dynamique des colonnes éruptives et les charges internes des panaches et de leurs retombées. Une campagne de mesures au volcan Stromboli a permis de montrer les capacités d'un couplage innovant entre un disdromètre optique (Parsivel2) avec un nouveau radar Doppler à onde millimétrique (Mini-BASTA). Grâce à l'excellente résolution spatio-temporelle de Mini-BASTA (12,5 m et 1 s), des figures intermittentes de sédimentation ont été observées dans les retombées de panaches transitoires dilués. Observées également au disdromètre mesurant la vitesse et la taille des retombées, ces figures ont été reproduites en laboratoire grâce à un modèle analogique. Un modèle conceptuel de formation de thermiques de sédimentation inversés est proposé pour expliquer ces figures et implique que les processus menant à une sédimentation irrégulière typique des panaches soutenus et concentrés peuvent s'appliquer à des panaches dilués, y compris ceux issus d'éruptions Stromboliennes normales en régime transitoire. Ensuite, une caractérisation physique d'un grand nombre de particules de cendres échantillonnées à Stromboli a permis de valider les mesures de tailles et de vitesses terminales de chutes par disdromètre sur le terrain et en laboratoire, justifiant par ailleurs son utilisation opérationnelle. A partir de ces contraintes, une loi reliant les concentrations de cendres avec les facteurs de réflectivité calculés a pu être comparée aux mesures radar in situ. Les concentrations internes modale et maximale des panaches de Stromboli sont respectivement autour de 1 × 10-5 kg m-3 et 7,45 × 10-4 kg m-3, largement supérieures au seuil fixé pour la sécurité aérienne. Les concentrations en cendres des retombées s’étalent entre 1,87 × 10-8 - 2,42 × 10-6 kg m-3 avec un mode vers 4 × 10-7 kg m-3.Finalement, ce travail de thèse montre les applications opérationnelles du radar UHF VOLDORAD 2B dans le cadre de la surveillance de l'activité de l'Etna. Une méthodologie, applicable à tout radar Doppler, a été développée pour obtenir des flux de masse de téphras en temps réel à partir d’un proxy de masse, uniquement basé sur les vitesses d'éjection et puissances mesurées, calibré avec un modèle de colonne tenant compte de l'influence du vent sur les panaches. La gamme de flux trouvée pour 47 paroxysmes entre 2011 et 2015 s’étend de 2.96 × 104 à 3.26 × 106 kg s-1. A partir d’un autre modèle de colonne éruptive, Plume-MoM, les flux radar ont permis de modéliser des hauteurs des panaches de téphras émis lors de quatre paroxysmes de l'Etna cohérentes avec les observations faites en temps réel par imagerie visible et par radar en bande-X. (...)
Volcanic tephra plumes are one of the major volcanic hazards. To forecast their dispersion and the impact zones of their fallout, the numerical models used in operational monitoring are based on eruptive parameters, called the source term, characterizing the plume emission. Source term parameters are challenging to measure in real time. This is why dispersion models are often based on past eruptive scenarios and use empirical laws that relate plume heights to source mass fluxes. However, the model outputs are not well constrained, averaged over the eruption duration, and suffer from large uncertainties. In this topic, Doppler radars are capable of probing the interior of eruptive columns and plumes at high space-time resolution and can provide crucial constraints on the source term in real time. This thesis deals with applications in operational monitoring of dedicated volcanological radars, potentially transposable to most common meteorological radars, to provide eruptive parameters at the source of tephra plumes but also to constrain the dynamics and internal mass load of eruptive columns, volcanic plumes and their fallout.A measurement campaign at Stromboli volcano has shown the capabilities of an innovative coupling between an optical disdrometer (Parsivel2) and a new 3-mm wave Doppler radar (Mini-BASTA). Owing to its high spatio-temporal resolution (12.5 m and 1 s), intermittent sedimentation patterns were observed in the fallout of dilute transient plumes typical of normal strombolian activity. These features, also recorded with the disdrometer, measuring the particle settling speeds and sizes, were reproduced in the laboratory using an analog model. A conceptual model for the formation of reversed sedimentation thermals is proposed to explain these features. It implies that processes leading to irregular sedimentation typical of sustained concentrated strong plumes can be applied to dilute weak plumes, including those formed by normal transient Strombolian activity. Then, a physical characterization of a large number of ash particles sampled at Stromboli allowed the validation of particle size and terminal velocity measurements by the disdrometer in the field and in the laboratory, arguing in favor of its operational use. Then, a physical characterization of a large number of ash particles sampled at Stromboli allowed to validate the measurements of size and terminal velocity of falls by disdrometer in the field and in laboratory, justifying also its operational use. From these constraints, a law relating ash concentrations with calculated reflectivity factors was found and compared to in situ radar measurements inside ash plumes and fallout. The modal and maximum internal concentrations of Strombolian plumes are at about 1 × 10-5 kg m-3 and 7.5 × 10-4 kg m-3 respectively, well above the threshold for aviation safety. Ash concentrations in the fallout range from 1.9× 10-8 to 2.4 × 10-6 kg m-3 with a mode at about 4 × 10-7 kg m-3.Finally, this thesis work shows operational applications of the UHF VOLDORAD 2B radar for the monitoring of explosive activity at Etna. A methodology, applicable to any Doppler radar, has been developed to obtain tephra mass eruption rates in real time from a mass proxy, based only on measured ejection velocities and power, and calibrated with an eruptive column model taking crosswinds into account. Tephra mass fluxes found for 47 paroxysms between 2011 and 2015 range from 3 × 104 to over 3 × 106 kg s-1. Then, tephra plumes heights of four Etna paroxysms were simulated using the eruptive column model Plume-MoM from the radar-derived mass eruption rates and were found consistent with real-time observations made by visible imagery and by X-band radar. This last part demonstrates the capabilities of VOLDORAD 2B to provide quantitative input parameters for dispersion models in the case of future Etna paroxysms. (...)

Etude de systèmes hydrothermaux de volcans actifs : Misti (Pérou) et Stromboli (Italie) ; Approches géophysiques et géochimiques. Ce mémoire présente une nouvelle méthodologie d'étude des systèmes hydrothermaux appliquée aux volcans Misti (Pérou) et Stromboli (Italie), par couplage de méthodes géophysiques (Polarisation Spontanée : PS) associées aux circulations d'eau et géochimiques (gaz du sol : CO2) associées aux remontées de gaz. A l'échelle de l'édifice volcanique, l'analyse des relations PS/altitude sur des profils radiaires permet de réaliser une cartographie précise des variations des processus d'électrofiltration au sein de l'édifice correspondant à des variations latérales de lithologie (ex: Misti). La méthode des gaz du sol couplée à la méthode PS a montré que des phénomènes de scellage coïncident avec l'extension des systèmes hydrothermaux (ex : Misti et Stromboli). Ces phénomènes ont été identifiés par des concentrations en CO2 proches des valeurs atmosphériques à l'intérieur du système hydrothermal délimité en PS, et par un dégazage significativement plus élevé à l'extérieur du système hydrothermal. Dans le cadre des études réalisées à Stromboli, nous avons mis en évidence que les limites structurales d'origine volcanique, relativement superficielles, telles que des limites de caldeira ou de cratère, constituent des zones préférentielles de drainage des fluides. A plus de 300 mètres des cratères actifs, ce phénomène se matérialise par une corrélation négative entre minima PS et pics de CO2, indiquant des descentes hydriques associées à des remontées de gaz, alors qu'à proximité des sources thermiques, une corrélation positive entre maxima PS et pics de CO2 prend le pas sur la précédente, indiquant à la fois des remontées de gaz et de vapeur d'eau. Toutefois, dans les deux cas, ces anomalies toujours localisées le long de limites structurales sont particulièrement réduites (40-80 m de largeur) et nécessitent pour être mises en évidence un pas d'échantillonnage resserré (<= 20 m). A l'échelle de l'édifice du Stromboli, les failles régionales, exemples de structures plus profondes, se manifestent uniquement par des anomalies de CO2. Près des zones actives, l'analyse des anomalies PS de courte longueur d'onde (5-10 m) permet de suivre le cheminement du réseau hydrique superficiel drainant les fluides depuis les anomalies thermiques en direction du minimum topographique.

Depuis un million d’années, les magmas potassiques sont émis sur la marge tyrrhénienne des Apennins centraux et méridionaux à la faveur de trois systèmes tectoniques principaux (NW-SE, NE-SW, E-W). Ce mémoire traite de l’évolution intracrustale des liquides magmatiques dans les cas du Mt Somma Vésuve, des Champs Phlégréens et de l’île de Ventotène, caractérisés par une large gamme de magmas potassiques à fortement potassiques et sous-saturés en silice. Pour ce faire, nous avons diversifié les méthodes d’investigation en nous appuyant sur une histoire volcanologique précise des appareils, en développant l’étude minéralogique et géochimique des laves et des ponces ainsi que l’étude chimique et thermométrique des inclusions vitreuses présentes dans les minéraux des roches. Nous avons ainsi privilégié l’aspect concernant les conditions de cristallisation (variations chimiques et minéralogiques, gradients thermiques, nature et importance de la phase volatile, rôle de l’encaissant sédimentaire). Un processus dominant de différenciation par cristallisation fractionnée peut être invoqué pour les trois ensembles. Pourtant chacun des systèmes connait une évolution qui lui est spécifique, reflétant ainsi la diversité des magmas initiaux. Pour les strato-volcans, comme le Mt Somma Vésuve ou Ventotène, caractérisés par une activité à la fois de type effusif et explosif, les éruptions pliniennes ou subpliniennes sont l’expression de magmas différenciés au sein de réservoirs superficiels de petite taille et localisés dans un horizon sédimentaire. Les évidences d’une contamination des liquides magmatiques par les roches encaissantes restent limitées. En revanche, l’encaissant va favoriser le processus de nucléation – cristallisation qui se traduit par l’existence de cumulats et d’enclaves réactionnelles. Les produits volcaniques des Champs Phlégréens sont essentiellement des pyroclautites de composition trachytique dont l’évolution s’intègre dans le modèle d’un réservoir d’importantes dimensions. L’hypothèse de la variation du degré de fusion d’une source mantellique hydratée, à l’origine des magmas potassiques et sous-saturés en silice du Somma Vésuve et ceux (basaltiques) de Ventotène est proposée sur la base des données géochimiques
Since one million years, potassic to highly potassic magmas have erupted along the Tyrrhenian margin of the Central and Southern Apennins, through three main tectonic systems (NW-SE, NE-SW, E-W). The present work deals with the magmatic liquids intracrustale evolution of the Mt Somma Vesuve and the Phlegrean Fields and Ventotene Island volcanoes. In this regard, we have diversified the studying methods, basing ourselves on the accurate volcanic history of the apparatus and showing a special interest in the crystallization conditions (chemical and mineralogical variations, thermal gradients, nature and importance of the volatile phase, role of the surrounding sedimentary rocks). Besides the fact that a crystal fractionation process prevails, each system has its own specific evolution, as an indication of the primary magmas variety. In the case of stratovolcanoes, as Mt Somma Vesuve or Ventotene, which are characterized by an activity both effusive and explosive, the plinian and subplinian eruptions reveal a differentiation of the magmas in small and superficial chambers surrounded by sedimentary rocks. Little evidence can be given of contamination of the liquids by these enclosing rocks. On the other hand, the country rock will emphasize the nucleation-crystallization process, leading to cumulate and reactional xenoliths. The Phlegrean Fields volcanic products are mostly pyroclastites of trachytic composition. Their evolution corresponds to that of a great magma chamber probably thermically buffered. Finally, the Campanean magmas (including those of Ventotene) are shown to the possibly originated from partial fusion of hydreous mantle. This hypothesis is based on the Th/Ta ratio (ranging from 7. 5 to 11. 4), these strongly hygromagmaphile elements being considered as source markers

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la structure et du fonctionnement des systèmes hydrothermaux volcaniques. Nous nous sommes attachés à l'étude géophysique multi-méthodes de deux systèmes hydrothermaux : Waimangu, en Nouvelle-Zélande, et la Solfatara, en Italie. Le premier en raison de sa dynamique, et parce qu'il apparait comme une zone laboratoire purement hydrothermale, sans influence magmatique; le second pour l'observation et la caractérisation géophysique d'un panache hydrothermal accessible à la surface. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la reconnaissance de la structure de Waimangu à grande échelle, et à la caractérisation des principales composantes du système (lacs de cratères, zones fumeroliennes et geysers). Cette étude a permis d'associer les méthodes de potentiel spontané et de résistivité électrique avec des mesures ponctuelles de température et de flux de CO2. Nous avons ensuite ciblé notre étude sur des laboratoires à petite-échelle présents sur Waimangu : Iodine vent, Inferno Crater Lake et le site du Old Geyser. Ces systèmes différent les uns des autres par leur taille, mais aussi par leurs caractéristiques physico-chimiques, qui jouent un rôle determinant dans la sensibilité des méthodes géo-électriques. Sur le site de Iodine Pool, l'application de techniques récentes d'imagerie acoustique sous-marine a permis la localisation précise des sources de bruit hydrothermal. Le suivi par polarisation spontanée d'un évent intermittent a montré une cyclicité dans les signaux, qui peut être expliquée par une variation de hauteur piézométrique. L'application conjointe de l'imagerie acoustique et de l'imagerie électrique sur le site du Old Geyser a mis en évidence la complémentarité des deux techniques dans la localisation d'une structure hydrothermale qui correspond à la fois à une source acoustique et électrique. Dans un troisième temps, nous avons étudié la signature géo-électrique des mouvements de fluides qui accompagnent l'activité cyclique du Lac Inferno. Le suivi temporel de résistivité électrique montre que les variations du lac et les mouvements de fluide observés sont caractérisés par des variations importantes de résistivité dans le sous-sol qui pourraient correspondre à des changements de phase du fluide en profondeur, en accord avec des modélisations analogiques. La campagne réalisée à la Solfatare a permis d'imager le panache hydrothermal par les méthodes électriques (tomographie de résistivité en trois dimensions), acoustiques et thermiques. Nous présentons les résultats obtenus avec la tomographie de résistivité électrique et les mesures de température, qui ont permis de déterminer avec précision les limites spatiales du panache hydrothermal
This thesis is a study into the structure and functioning of hydrothermal systems. We focused on two areas, Waimangu, New Zealand, and the Phlegrean Fields - Solfatara, Italy, that we observed with several geophysical methods. The first system was chosen owing to its strong dynamics, and because it seems to be purely hydrothermal, without any magmatic influence; the second one allowed the observation and the geophysical characterization of a shallow hydrothermal plume. Our study first aimed to recognize the large scale structure of the Waimangu hydrothermal system, and to characterize its main surface expressions, namely hot lakes, geysers, and fumaroles. For this purpose, we related the self-potential and the electrical resistivity methods to measurements of temperature and CO2 flux. We then concentrated on three small-scale laboratories : Iodine vent, Inferno Crater Lake, and the Old Geyser Site. These areas are different from each other in size and also in their water chemistry, which is a key parameter in the sensitivity of electrical methods. This range enabled us to implement acoustic and electrical imaging techniques on singular systems that have their own dynamics. At Iodine Pool, the implementation of recent imaging techniques from underwater acoustics allowed us to locate hydrothermal noise sources with high accuracy. The self-potential monitoring of an intermittent vent showed cyclic fluctuations that could be explained by a change in the hydraulic head. The joint application of acoustic and electrical imaging at the Old Geyser Site showed how these two techniques complement each other in defining the location of a hydrothermal structure that matches both acoustic and electrical sources. A third step consisted in the study of the geo-electrical signature of fluid movements that relate to the Inferno cyclic activity. Electrical resistivity monitoring highlighted that the observed lake fluctuations are characterized by notable electrical resistivity changes; these variations could be due to phase changes occurring at depth, and are in good agreement with analog modellings. The experiments that have been made at the Solfatara allowed us to image the hydrothermal plume with electrical methods (3-D resistivity tomography), acoustic and thermal measurements. We present the results from both electrical resistivity tomography and temperature data that allowed us to establish the boundaries of the hydrothermal plume

Les résultats typologiques obtenus sur les termes différenciés de séries alcalines du massif central français, des monts Euganéens et de quelques iles océaniques permettent de mettre en évidence une variation des caractères typologiques du zircon suivant la différenciation magmatique. La succession dans le diagramme (I. A, I. T) des domaines de répartition des différents termes pétrographiques d'une série donnée détermine une tendance d'évolution typologique de différenciation dont la position et le sens d'évolution sont sensibles aux conditions physiques du magma notamment pH20 et F02). Une étude de la répartition de U, Th, Y, P dans les zircons permet de préciser les mécanismes régissant les variations typologiques

En plus de la destruction des sites à proximités des volcans, l'accumulation de cendres volcaniques dans les zones distales peut causer de graves dommages. De plus l'évaluation de ces dangers n'est pas pleinement prise en compte dans les plans de mitigation actuels. L'étude de la dispersion des retombées pyroclastiques produites par les éruptions explosives des volcans Italiens lors du Quaternaire est le sujet de cette thèse. L'étude tephrostratigraphique de trois carottes lacustres des lacs de Shkodra et Ohrid (Albanie) et d'une carotte marine du Nord de la mer Ionienne a été réalisée. Dix-sept niveaux de tephra ont été corrélés aux éruptions explosives de A.D. 472, Avellino (3.9 cal. ka BP) du Vésuve, Monte Pilato (A.D.1200), Gabellotto-Fiumebianco (8.6 cal ka BP) et Monte Guardia (22 ka BP) de l'île de Lipari, FL (3.4 cal. ka BP) de l'Etna, Astroni (4.2 cal. ka BP), Agnano Monte Spina (4.5 cal. ka BP), Agnano Pomici Principali (12.3 cal. ka BP), SMP1-Y3 (31 ka) et l'Ignimbrite Campanienne-Y5 (39 ka) des Champs Phlégréens, X6 (107 ka) de la région Campanienne, et de P11 (131 ka) de l'île de Pantelleria. Cinq autres niveaux de tephra possèdent la composition que les dépôts de l'éruption vésuvienne de Mercato. Cela suggère une activité explosive entre les éruptions pliniennes de Mercato (8.9 cal ka BP) et Avellino (3.9 cal ka BP). Toutes ces données ont été intégrées, avec les données préexistantes de la littérature, dans la banque de données d'un SIG. Cette banque de données couplée à un SIG permet de grandement améliorer les dispersions des cendres et représente un outil qui améliore la mitigation des risques volcaniques dans la région centrale de la Méditerranée.

VOLDORAD, un radar Doppler UHF moyenne puissance, est un système portable basé au sol, développé par l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (France), spécifiquement pour l'étude de l'activité volcanique explosive. La capacité de ces méthodes de télédétection à sonder l'intérieur des jets et des panaches volcaniques dangereux constitue un vrai pas en avant concernant l'analyse des paramètres physiques qui contrôlent la dynamique des éruptions volcaniques. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des contraintes plus précises, notamment à partir du développement de procédures méthodologiques, sur l'interprétation des données radar Doppler, dans le but final d'améliorer notre compréhension de la dynamique explosive. Ce travail a été réalisé à partir de mesures radar Doppler acquises pendant l'éruption du cratère Sud-Est de l'Etna en Juillet 2001, et s'intéresse plus particulièrement à l'activité Strombolienne. Cependant, les méthodes de traitement, les modèles directs et les procédures d'inversion développés dans cette étude ont été réalisés dans une optique plus générale, et applicable sur différents types de dynamismes. L'étude détaillée de l'activité Strombolienne par la méthode radar Doppler a permis d'obtenir une large gamme de paramètres sources, notamment : les vitesses et masses de gaz et de particules, ainsi que les caractéristiques géométriques des jets. L'estimation quantitative précise de ces paramètres et de leur évolution au cours du temps est cruciale pour (1) la surveillance et la détection précoce de l'activité volcanique, ainsi que (2) pour l'apport de contraintes sur les hypothèses formulées dans les modèles de dynamique éruptive et dans les modèles de prédiction de dispersion des cendres, indispensables à la minimisation des risques.

In forested river basins, Large Wood (LW) is a key component responsible for the geomorphological and ecological aspect of fluvial systems but, at the same time, is a source of hazard for sensitive places. Given its dual role, the analysis and quantification of LW in rivers, as well as understanding its mobilization and deposition, are crucial steps in order to ensure an appropriate management of riverine areas. This study attempts to increase knowledge in the main LW-related processes, such as the lateral recruitment from bank erosion, fluvial transport and the presence of buried LW, assessing the LW budget in two rivers. The study was conducted in two different fluvial environments. A 3.7 km-long reach was selected along the middle course of the Italian Piave River, a human impacted gravel-bed river typified by wandering and island-braided morphologies. In addition, three 80 m-long reaches were selected along the lower course of the Chilean Blanco River, a natural river with a morphology that drastically changed because of a recent volcanic eruption. The three considered items of the budget were analyzed by field activities conducted during the three years of the PhD. The lateral recruitment of LW was analyzed only in the Piave River for an over-bankfull flood (RI~7yr) by measuring, positioning and tagging all standing trees (D≥ 0.1m) within a 20 m buffer wide along the floodplain banks and island perimeters. A similar methodology was used to investigate, in both rivers, the fluvial transport of LW by considering all woody elements (D≥0.1m and L≥1m) within the active channel. In this way, during post-event surveys it was possible to identify the input (deposition) and output (mobilization) elements. Because the sediments from the volcanic eruption caused the burial of several standing trees and LW, the presence of buried LW was explored only in the Blanco River by Ground Penetrating Radar (GPR) testing. In the Piave River, the LW budget was assessed for very low floods (RI<1yr), whereas in the Blanco River ordinary (RI~1yr) and not-ordinary floods (RI 10-25yr) were considered. The results highlighted that, in the Piave River, the recruitment from bank erosion is a common process for the supply of LW. Volumes of recruited LW were found to vary according to the extension of the eroded surface, type of eroded morphological unit and riparian vegetation characteristics. Larger volumes (25.1 m3∙km-1) are recruited from both the floodplain and fluvial islands during not-ordinary floods (RI~7yr), whereas for ordinary events (RI<1yr) small amounts of LW (0.21 m3∙km-1) are recruited just from the floodplain. Furthermore, flood magnitude was found to be an important factor controlling the temporal fluctuations of LW storage, resulting in decreases and increases of LW abundance during ordinary and not-ordinary events, respectively. The increase in wetted area results in a greater inundation of fluvial bars that allows, at the same time, the mobilization and deposition of LW. In addition to the role of flood magnitude, the local-scale morphology of the river appeared to be another factor influencing the changes in LW abundance, with greater variations in multi-thread than single-thread channels, where the larger and faster increase in the inundated area increases the amount of in-transport LW. In particular, the budget for the Piave River featured negligible variations in LW storage (-9.7%) and a very low mobility rate (1.43%) reflecting the low magnitude of occurred events. By contrast, a higher dynamicity of LW was found in the Blanco River also during ordinary events, with mobility rates ranging from 41 to 94% and LW storage increasing up to 179%, because of the considerable input volumes (highest input of 285.35 m3∙ha-1). The complexity of LW dynamics in the Blanco River is also due to the presence of buried LW (1.65 m3∙ha-1) that can be easily exhumed and, thus, increase the amount of in-transport LW. This volume was obtained as a first approach with the GPR that proved to be a valid and non-destructive method to bridge this gap. The results obtained in this study can be considered useful advances in understanding the three main LW-related processes (recruitment, mobilization, deposition), knowledge of which is essential in order to ensure the positive contributions of wood to river ecosystems, and minimize potential hazards adopting correct management plans.
In bacini fluviali boschivi, il materiale legnoso è considerato un elemento chiave responsabile dell’aspetto geomorfologico ed ecologico dei sistemi fluviali ma, allo stesso tempo, anche un elemento di pericolo per alcune strutture sensibili. A causa di questo duplice ruolo, l’analisi e la quantificazione del legname nei corsi d’acqua, così come la comprensione dei processi di mobilizzazione e deposizione, sono step cruciali per assicurare una corretta gestione delle zone fluviali. Questo studio valuta il bilancio del materiale legnoso in due corsi d’acqua, al fine di incrementare le conoscenze riguardanti i principali processi in cui il legname è coinvolto, come il reclutamento laterale dovuto ad erosione spondale, il trasporto fluviale e la presenza di legname sepolto. Lo studio è stato condotto in due diversi ambienti fluviali. Un tratto fluviale di 3.7 km è stato selezionato lungo il corso mediano del fiume Piave (Italia), un fiume antropizzato a fondo ghiaioso con morfologie principali wandering e a canali intrecciati con presenza di isole fluviali. Inoltre, tre tratti fluviali con lunghezza di 80 m sono stati selezionati lungo il corso finale del fiume Blanco (Cile), un fiume naturale che ha subìto un drastico cambiamento nella morfologia a causa di una recente eruzione vulcanica. Le tre componenti del budget che sono state considerate, sono state analizzate attraverso attività di campo condotte durante i tre anni di dottorato. Il reclutamento laterale è stato analizzato solamente nel fiume Piave a seguito di una piena superiore alla bankfull (TR~7anni) misurando, geo riferendo ed identificando tutti gli alberi (D≥ 0.1m) posizionati all’interno di un buffer di 20 m di larghezza lungo le sponde della floodplain e lungo il perimetro delle isole. Una metodologia simile è stata applicata per analizzare, in entrambi i fiumi, il trasporto fluviale del legname considerando tutti gli elementi legnosi (D≥0.1m e L≥1m) presenti all’interno dell’alveo. In questo modo, durante i rilievi post-evento è stato possibile identificare gli elementi di input (deposizione) e quelli di output (mobilizzazione). Dal momento che i sedimenti vulcanici causarono la sepoltura di numerosi alberi e materiale legnoso, la presenza di legname sepolto è stata analizzata solamente nel fiume Blanco, testando l’efficacia di un georadar. Il bilancio del legname è stato analizzato, nel caso del fiume Piave, per piene ordinarie (TR<1anno), mentre per il fiume Blanco sono state considerate sia piene ordinarie (TR~1anno) che non ordinarie (TR 10-25anni). I risultati hanno evidenziato come, nel fiume Piave, il reclutamento per erosione spondale sia un processo importante per la fornitura del legname in alveo. I volumi di legname reclutato variano a seconda dell’estensione delle superfici erose, della tipologia di unità morfologica erosa e a seconda delle caratteristiche della vegetazione ripariale. Durante piene non ordinarie (TR~7anni) sono stati reclutati volumi maggiori (25.1 m3∙km-1) per erosione della floodplain e delle isole fluviali, mentre durante piene ordinarie (TR<1anno) il reclutamento di legname (0.21 m3∙km-1) è avvenuto solo per erosione della floodplain. Inoltre, la magnitudo degli eventi di piena è risultata essere un fattore importante per il controllo delle fluttuazioni temporali dello storage di legname causando una riduzione ed un aumento della quantità di legname in alveo a seguito, rispettivamente, di piene ordinarie e non ordinarie. Per piene non ordinarie, l’aumento dell’area bagnata determina una maggiore inondazione delle barre fluviali e questo permette, allo stesso tempo, la mobilizzazione e deposizione del legname. Oltre alla magnitudo delle piene, un altro fattore responsabile delle variazioni del legname in alveo è riconducibile alla diversa morfologia locale dei tratti analizzati. Maggiori variazioni sono state riscontrate in corrispondenza di morfologie a canali multipli, dove, rispetto alle morfologie a canali singoli, il rapido e maggiore aumento dell’area bagnata aumenta la quantità di legname potenzialmente trasportabile. In particolare, il budget del legname nel fiume Piave si caratterizza per variazioni quasi trascurabili (-9.7%) ed un tasso di mobilità molto basso (1.43%) che rispecchiano la bassa magnitudo degli eventi verificatisi. Diversamente, il fiume Blanco presenta una maggiore dinamicità del legname anche durante eventi di piena ordinari, con tassi di mobilità variabili tra 41 e 94% ed un aumento nello storage di legname fino al 179% dovuto ai notevoli volumi di input (volumi massimi 285.35 m3∙ha-1). La complessità delle dinamiche del legname del fiume Blanco è avvalorata anche dalla presenza di legname sepolto (1.65 m3∙ha-1) che può essere facilmente riesumato ed aumentare la quantità di legname in transito. Tale analisi ha permesso di dimostrare l’utilità del georadar come un metodo valido e non distruttivo che potrebbe essere utilizzato per colmare questa lacuna inerente il legname sepolto. I risultati ottenuti in questo studio possono essere considerati come dei progressi utili per la comprensione dei tre principali processi legati al legname (reclutamento, mobilizzazione, deposizione) le cui conoscenze sono essenziali al fine di mantenere i benefici del legname per il sistema fluviale e minimizzare i potenziali rischi attraverso l’adozione di corretti piani di gestione.

Most basaltic volcanoes are affected by recurrent lateral instabilities during their evolution. Numerous factors have been shown to be involved in the process of flank destabilization occurring over long periods of time or by instantaneous failures. However, the role of these factors on the mechanical behaviour and stability of volcanic edifices is poorly-constrained as lateral failure usually results from the combined effects of several parameters. Our study focuses on the morphological and structural comparison of two end-member basaltic systems, La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (southern Tyrrhenian sea, Italy). We showed that despite major differences on their volumes and geodynamic settings, both systems present some similarities as they are characterized by an intense intrusive activity along well-developed rift zones and recurrent phenomena of flank collapse during their evolution. Among the factors of instability, the examples of la Reunion and Stromboli evidence the major contribution of intrusive complexes to volcano growth and destruction as attested by field observations and the monitoring of these active volcanoes. Classical models consider the relationship between vertical intrusions of magma and flank movements along a preexisting sliding surface. A set of published and new field data from Piton des Neiges volcano (La Reunion) allowed us to recognize the role of subhorizontal intrusions in the process of flank instability and to characterize the geometry of both subvertical and subhorizontal intrusions within basaltic edifices. This study compares the results of numerical modelling of the displacements associated with high-angle and low-angle intrusions within basaltic volcanoes. We use a Mixed Boundary Element Method to investigate the mechanical response of an edifice to the injection of magmatic intrusions in different stress fields. Our results indicate that the anisotropy of the stress field favours the slip along the intrusions due to cointrusive shear stress, generating flank-scale displacements of the edifice, especially in the case of subhorizontal intrusions, capable of triggering large-scale flank collapses on basaltic volcanoes. Applications of our theoretical results to real cases of flank displacements on basaltic volcanoes (such as the 2007 eruptive crisis at La Reunion and Stromboli) revealed that the previous model of subvertical intrusions-related collapse is a likely mechanism affecting small-scale steeply-sloping basaltic volcanoes like Stromboli. Furthermore, our field study combined to modelling results confirms the importance of shallow-dipping intrusions in the morpho-structural evolution of large gently-sloping basaltic volcanoes like Piton de la Fournaise, Etna and Kilauea, with particular regards to flank instability, which can cause catastrophic tsunamis.

Volatiles carry crucial information on pre- to sin-eruptive processes at active volcanoes. Measurements of gas emission rates (crater plumes, fumaroles, diffuse soil degassing) therefore improve our understanding of degassing processes and subsurface magmatic and hydrothermal conditions, and contribute to eruption forecasting. Recent technological developments in spectroscopy have allowed, over the last 30 years, the remote sensing of magmatic volatile emissions from quiescent and erupting degassing volcanoes. These data-sets have contributed to discovering cyclic gas flux components due to periodic magma supply and replenishment in magma storage zones, and/or timescales of magma migration (and degassing) within the feeding conduit systems of volcanoes (chapter 2). In spite of these relevant achievements, a number of magmatic degassing processes have remained elusive to measure, as they occur at a faster rate than the time resolution of most available spectroscopic techniques. In this study, I take advantage of a novel technique - the UV camera (chapter 3) - to image SO2 emissions from the Italian volcanoes with improved high temporal resolution. The UV camera heralds the much awaited prospect of capturing transient (≤ tens of seconds) volcanic gas-driven phenomena, such as Strombolian explosions and puffing. Here, this technique has been updated to a new configuration (dual-camera system), which combines higher temporal resolution (0.5-1.2 Hz) and improved accuracy relative to the single-camera setup. During the first year of this PhD, the methodology has been extensively tested and improved, whilst developing a user-friendly control software (Vulcamera) and a calibration technique (in tandem DOAS-SO2 quartz cells calibration), which simplify instrument deployment, acquisition and data analysis (chapter 4). The results of the volcano applications of the UV camera are described in chapter 5. A first application (chapter 5.2) was focused on SO2 gas flux measurements at individual fumaroles from the La Fossa crater (Vulcano island, Italy) fumarolic field. There, the dual- UV camera technique allowed the simultaneous imaging of multiple-source emissions, discriminating between SO2 contributions from the four main fumarolic areas. The UV camera-derived individual fumarole SO2 fluxes have been used in tandem with MultiGASderived gas/SO2 molar ratios to accurately assess CO2, H2O, and H2S fluxes. Results highlight a factor ~2 increase in CO2 and H2O degassing during the La Fossa crater degassing/heating unrest event of November-December 2009. Bubbles nucleation (birth), coalescence (growth), outgassing and fragmentation (death), are stages of volatile's life within the magma. Our understanding of these processes mainly comes from modelling and textural studies. In this work, I have attempted to retrace part of the gas bubbles' life by measuring - at high rate - SO2 outgassing rates from two openvent volcanoes: Stromboli and Etna. On Stromboli (Chapter 5.3), the UV camera-derived data allowed the first simultaneous estimate of the SO2 flux contribution from the three main forms of degassing at Stromboli (passive degassing, 84-92 %; explosive degassing, 5-8 %; puffing, 3-8 %). The obtained high frequency SO2 flux time-series also revealed the existence of a periodic SO2 degassing pattern over timescales of minutes, modulated by rhythmic strombolian explosions. Also I report on systematic in tandem UV camera-geophysical observations. Among the key results, I provide experimental evidence for a positive correlation between seismic (very-long period; VLP) thermal, and gas (eruptive SO2 mass) signals irradiated by individual Strombolian explosions. During each strombolian event, onset of the SO2 flux emission systematically coincides with deflation of the conduit upon gas slug bursting during the explosion. At Mount Etna (Chapter 5.4), degassing mechanisms and rates have been studied during two field campaigns on Pizzi Dineri (northern rim of Valle del Bove), from which a clear view of the pulsate gas emissions (gas puffing) from the North-east crater was available. The >10 hour acquired SO2 flux time series highlighted a periodic degassing behaviour for this vent, with characteristic periods in the 60-250 s range. This allows deriving new constraints on model gas bubble distribution in a magmatic conduit. The data obtained here support a process of gas packaging into trains of discrete bubble-rich layers. This, coupled with time variations in ascent rate of individual gas bubble layers, may well account for the time-dependent periodicity of observed volcanic SO2 flux emissions.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la structure et du fonctionnement des systèmes hydrothermaux volcaniques. Nous nous sommes attachés à l'étude géophysique multi-méthodes de deux systèmes hydrothermaux : Waimangu, en Nouvelle-Zélande, et la Solfatara, en Italie. Le premier en raison de sa dynamique, et parce qu'il apparait comme une zone laboratoire purement hydrothermale, sans influence magmatique; le second pour l'observation et la caractérisation géophysique d'un panache hydrothermal accessible à la surface. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la reconnaissance de la structure de Waimangu à grande échelle, et à la caractérisation des principales composantes du système (lacs de cratères, zones fumeroliennes et geysers). Cette étude a permis d'associer les méthodes de potentiel spontané et de résistivité électrique avec des mesures ponctuelles de température et de flux de CO2. Nous avons ensuite ciblé notre étude sur des laboratoires à petite-échelle présents sur Waimangu : Iodine vent, Inferno Crater Lake et le site du Old Geyser. Ces systèmes différent les uns des autres par leur taille, mais aussi par leurs caractéristiques physico-chimiques, qui jouent un rôle determinant dans la sensibilité des méthodes géo-électriques. Sur le site de Iodine Pool, l'application de techniques récentes d'imagerie acoustique sous-marine a permis la localisation précise des sources de bruit hydrothermal. Le suivi par polarisation spontanée d'un évent intermittent a montré une cyclicité dans les signaux, qui peut être expliquée par une variation de hauteur piézométrique. L'application conjointe de l'imagerie acoustique et de l'imagerie électrique sur le site du Old Geyser a mis en évidence la complémentarité des deux techniques dans la localisation d'une structure hydrothermale qui correspond à la fois à une source acoustique et électrique. Dans un troisième temps, nous avons étudié la signature géo-électrique des mouvements de fluides qui accompagnent l'activité cyclique du Lac Inferno. Le suivi temporel de résistivité électrique montre que les variations du lac et les mouvements de fluide observés sont caractérisés par des variations importantes de résistivité dans le sous-sol qui pourraient correspondre à des changements de phase du fluide en profondeur, en accord avec des modélisations analogiques. La campagne réalisée à la Solfatare a permis d'imager le panache hydrothermal par les méthodes électriques (tomographie de résistivité en trois dimensions), acoustiques et thermiques. Nous présentons les résultats obtenus avec la tomographie de résistivité électrique et les mesures de température, qui ont permis de déterminer avec précision les limites spatiales du panache hydrothermal.