Thèses sur le sujet « Olivine basalt »

Mantle plumes are anomalously hot, narrow upwellings of mantle material that originate at the core-mantle boundary. As plumes rise they may form volumetrically large "heads" (~1000 km in diameter) with narrower (~100 km) "tails." Plume head melting is thought to form Large Igneous Provinces (LIPs), vast outpourings of basaltic lava (~106 km3), while plume tail melting forms linear chains of ocean island basalts (OIBs) similar the Emperor-Hawaii Seamount chain. Mantle plume derived melts indicate that these structures sample deep Earth geochemical and lithological heterogeneities. Studying plume-derived lavas can clarify important planetary-scale questions relating to the accretion of the Earth, primordial geochemical reservoirs, the fate of subducted materials, planetary differentiation, and convective mixing.
Ph. D.

Cette analyse permet de definir les parageneses minerales successives de l'alteration. Il est alors possible d'apprehender les mecanismes geochimiques ayant preside a ces alterations, et d'en analyser certaines relations, chronologiques ou causales, qu'ils peuvent presenter entre eux

Recent debate has questioned the efficiency of magma differentiation in basaltic magma chambers (Marsh, 2013). As a result, petrologists are increasingly inclined to interpret olivine cumulate layers in small intrusive bodies as separately injected slurries, as opposed to the result of in-situ differentiation. Two sills with basal olivine layers, the 0601 sill, Victoria Island, NWT, Canada, and the Palisades Sill, Fort Lee, NJ have been examined in detail. First, it can be shown that the 0601 sill could have formed by the emplacement of a single phenocryst bearing magma, followed by settling of the initial phenocryst load, and in-situ differentiation. Second, a high-resolution analysis of the internal ordering of the Palisades Sill olivine horizon, widely recognized as the result of an olivine slurry, is described in order to create a generalizable model of basal olivine layers formed via slurry emplacement (Husch, 1990; Gorring, 1995). Both sills were analyzed for whole rock major and trace element compositions, mineral compositions, crystal size distributions and modal mineralogy. Parent-Daughter modeling, Pearce Element Ratio Analysis, trace element modeling, and MELTS (Ghiorso and Sack, 1995; Asimow and Ghiorso, 1998) were then used to model formation mechanisms. Finally, the 0601 sill olivine cumulate layer is com-pared with the Palisades Sill olivine horizon. While both olivine cumulate zones look superficially similar, detailed investigation reveals that a well developed trend of progressively increasing olivine upward from the base, as observed in the 0601 sill is best explained by crystal settling within an initial phenocryst-phyric magma, followed by in-situ differentiation, and cannot be explained by a slurry emplacement process.

A plethora of magmatic processing occurs in magma reservoirs, where melts are stored prior to eruption. Magma reservoirs are complex, open systems, and often multiple reservoirs are partially inter-connected from source to surface, giving rise to the term 'volcanic plumbing system'. Parental melts feeding these reservoirs can have diverse and distinct geochemical and petrological characteristics, and be variably evolved or enriched. These melts can also bring with them a crystal cargo that may remain in equilibrium in the magma reservoir, but may also be modified by reaction, resorption, crystallisation and diffusion. Melts and crystals can be transported between reservoirs, from the upper mantle and through the crust, leading to melt mixing, reactions and volatile exsolution. Basaltic volcanic systems are fed by primitive melts, and due to the rapid ascent of melts and short magma storage times, these volcanoes provide the best means of unravelling the mantle and crustal contribution to geochemical heterogeneity observed in erupted samples. Despite the potential chemical complexity of a magma reservoir, evidence for magma processing and reaction can be preserved in melt inclusion suites and the compositional structure of their host crystals. Magmatic processes during storage and transport at two basaltic volcanoes are investigated using two carefully selected eruptions: the 1669 eruption at Mt. Etna, and the 2007 Father's Day eruption at Kīlauea. A suite of diverse geochemical, petrological and petrographical observations, made at a range of length-scales, are combined and interpreted in tandem with geophysical monitoring data. The conclusions of these studies shed light on the architecture of each volcano's plumbing systems and basaltic plumbing systems in general. This thesis is divided into two parts. The first study unravels the crustal and mantle processes controlling melt geochemical heterogeneity at Mt. Etna, Sicily, during the 1669 eruption, the largest eruption in historical times. The 1669 melt inclusion suite arises from the mixing of two basaltic melts with similar major element compositions but very different trace and volatile element compositions. The melt geochemistry suggests that at least one end-member melt has been heavily influenced by assimilation of carbonate in the crust. The elevation in alkalis, caused by carbonate assimilation, enhances carbon and sulfur solubility in one end member. The melt inclusion suite indicates that mixing of these melts occurred in the shallow crust shortly before eruption and this mixing may be the cause of the enhanced $CO_{2}$ fluxes prior to eruptions at Mt. Etna. The second study is split into two parts. Each uses the eruptive products of the Father's Day eruption at Kīlauea and aims to unravel the connectivity of the plumbing system between the summit and East Rift Zone, with a focus on timescales of storage and transport. The first part investigates the melt geochemistry in terms of heterogeneity and volatile composition, and the second investigates the crystal cargo in terms of features of the macro-scale crystal cargo distribution and the micro-scale geochemical zoning of individual crystals. The integration of observations and models from these two studies constrains the pressure, temperature and composition of source magma feeding the Father's Day eruption. The eruption is investigated in the context of the "magma surge'' event that preceded the intrusion, as well as within the context of the longer-term trends in Kīlauea geochemistry at the summit and East Rift Zone. Melt inclusion and matrix glass volatile systematics provide insights into the degassing path of the magma and the duration of magma transport to the surface is constrained by diffusion modelling. Estimated timescales for ascent by diffusion modelling of macrocryst major element composition, melt inclusion water content and the melt Fe$^{3+}$/Fe$_{tot}$ ratio are in agreement with timescales observed from the geophysical data of $< $8 hours from reservoir depth to eruption. Both studies emphasise how petrological observations can supplement geophysical monitoring datasets collected at the surface to aid our interpretation of volcanic behaviour and eruption forecasting.

The subsurface igneous biome contains a vast portion of Earth's total biomass, yet we still know so little about it. Igneous environments such as iron-rich ocean crust and lava tubes may also host analogs to chemolithotrophically-driven life on other planets, so studying life in this biome is essential to understanding how life may survive on other planets. In this study, three igneous surface and subsurface environments were investigated for microbial preference for olivine, microbial physiologies and phylotypes present on olivine, and microbial growth on olivine in the laboratory via iron oxidation. These environments include a subseafloor borehole drilled into the ocean crust basalt basement, a lava tube with perennial ice, and a trio of Columbia River basalt-hosted freshwater terrestrial habitats. The subseafloor borehole (IODP Hole 1301A) is situated on the eastern flank of Juan de Fuca Ridge (JFR) and was used in the first long-term deployment of microbial enrichment flow cells using osmotically-driven pumps. The flow cells contained igneous minerals and glasses, for which cell density and microbial abundances were evaluated. Total cell density and viable oligotrophs were highest for Fe(II)-rich olivines. Organotrophic bacterial isolates were capapble of iron oxidation and nitrate reduction, and grew on olivine in the laboratory. Putative neutrophilic iron oxidizers were also isolated from igneous riparian and cave environments in northwest and central Oregon. Isolated bacteria from all three environments were capable of chemolithotrophic growth with olivine and oxygen or nitrate in the laboratory. Bacteria isolated from river basalt were putatively capable of producing alteration textures on olivine surfaces in culture. Microbial life in the igneous subsurface preferentially attach to Fe²⁺-rich minerals, which suggests that life in the subsurface is heterogeneously distributed. The isolation of oligotrophic iron oxidizers that grow on olivine suggests that olivine supports a chemolithotrophic subsurface community based on primary productivity via iron oxidation. This generation of biomass on olivine surfaces creates organic carbon-rich coated mineral surfaces that may support a more complex community. The identification of Mars analogs living in Oregon lava tubes and the discovery that iron oxidizers may produce biosignatures on olivine surfaces are key findings that may provide the foundation for a new chapter in the search for life on Mars.

La Grande-Comore est la plus grande île d'un archipel localisé dans le canal de Mozambique sur une croûte dont la littérature permet de suggérer une nature océanique. Le Karthala est le principal volcan bouclier de l'île, il est le seul dont on connaisse l'activité historique, qui se localise essentiellement le long de deux rifts zones et à leur intersection dans la caldeira sommitale. Un volcanisme ancien forme le massif du Badiner situé à son extrémité sud. Le faible degré de sous-saturation en silice et les compositions de ses laves nous indiquent qu'elles sont essentiellement le produit d'un degré de fusion partielle identique affectant une source unique ou le phlogopite et le grenat sont plus ou moins résiduels. Un modèle géophysique basé sur les taux de production magmatique des panaches mantelliques, ainsi que l'utilisation de résultats expérimentaux à hautes pressions, confirment une pression de fusion partielle élevée comprise entre 24 et 33 kbar. Les laves faiblement alcalines à transitionnelles des différents stades d'édification du Karthala ont des paragenèses variées : basaltes à olivine, océanites, ankaramites et basaltes à phénocristaux de plagioclase, qui témoignent de la diversité des processus de différenciation en jeu. L'évolution des compositions de ces laves nous a permis de mettre en évidence l'existence de deux chambres magmatiques distinctes. L'une profonde localisée à une profondeur d'environ 30 km (10 kbar), ou les liquides basaltiques subissent un fractionnement wehrlitique plus ou moins important à l'origine d'un enrichissement précoce en incompatibles. L'autre plus superficielle, localisée à la base de l'édifice volcanique, ou des fractionnements principalement océanitique et clinopyroxénitique, ainsi que gabbroïque à moindre échelle, ne leur font atteindre qu'un faible stade de différenciation (hawaiites et trachy-basaltes). (Doc Thèses)

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

La caractérisation des magmas primitifs des laves a pour objectif de mieux contraindre les conditions physico-chimiques de la fusion partielle, les modes d'extraction et de transport des magmas et la composition chimique et minéralogique du manteau terrestre. L'intérêt de l'étude des inclusions magmatiques piégées dans les phénocristaux précoces des basaltes réside dans l'isolation de ces liquides silicatés vis à vis des processus secondaires de différenciation et de mélange. Ce travail avait pour but la caractérisation des inclusions magmatiques dans des olivines primitives dans deux contextes géodynamiques distincts - les rides médio-océaniques et les points chauds océaniques – en s'articulant autour de deux exemples régionaux : la zone FAMOUS (ride médio-Atlantique Nord) et le point chaud de la Réunion.
Les inclusions magmatiques piégées dans un échantillon de la zone FAMOUS (ride médio-Atlantique Nord) se caractérisent par une variabilité importante de leurs teneurs en éléments majeurs et traces, qui excède largement la variabilité chimique des laves émises en surface dans la région. Les liquides inclus sont très primitifs (Mg# = 0.70-0.78) et présentent des similitudes de composition avec les liquides expérimentaux issus de la fusion partielle de lherzolites à spinelle à 1 GPa. Les compositions en éléments en traces évoluent depuis des compositions relativement appauvries ((La/Sm)N<0.75) jusqu'à des compositions légèrement enrichies ((La/Sm)N>1.2). Des modélisations géochimiques suggèrent qu'une grande part de la diversité chimique des inclusions résulte du processus de fusion polybare d'une source de composition homogène. Toutefois, une variation locale de la température potentielle et de la teneur en H2O du manteau semble requise pour reproduire certaines variations en éléments majeurs. Nous n'avons pas décelé de modifications chimiques des magmas liées à des interactions magma/roche (dissolution du clinopyroxène) lors de la ségrégation et l'ascension.
L'étude des inclusions magmatiques dans les olivines d'échantillons de l'île Maurice et l'île de la Réunion a mis en évidence une transition entre des liquides alcalins à transitionnels vers des basaltes à affinité tholéiitique. Cette évolution peut vraisemblablement être expliquée par une augmentation du degré de fusion d'une source péridotitique. D'autre part, la composition chimique et isotopique homogène au cours du temps du panache de la Réunion nous a autorisés à calculer la séquence d'incompatibilité des éléments traces lors du processus de fusion partielle à l'origine des liquides inclus. Les résultats indiquent un comportement très incompatible du Pb, alors que celui-ci est généralement considéré comme voisin du celui du Ce lors de la fusion dans un environnement océanique. Cette observation implique l'absence de sulfure résiduel dans la source du panache lors de l'extraction des magmas, ce qui singulariserait la source du panache de la Réunion des autres sources d'îles océaniques. Enfin, une modélisation de la source du panache suggère une composition relativement comparable à celle du manteau primitif, mais toutefois légèrement appauvrie en éléments les plus incompatibles. Ainsi, la source de la Réunion est constituée d'un manteau faiblement appauvri par l'extraction de la croûte continentale, qui, par la suite, n'a pas ou peu été modifié par les processus de différenciation ou de recyclage.

Les éléments volatils, principalement l'eau, sont enrichis dans les magmas d'arcs. Ils jouent un rôle prépondérant dans le magmatisme de zone de subduction, que ce soit en permettant la fusion du manteau ou en influençant l'explosivité des éruptions en surface. L'objectif de cette étude est la caractérisation (en éléments majeurs, traces, volatils et isotopes du bore) des liquides primaires des magmas d'arcs et de leurs sources, afin de discuter de l'influence des phases mobiles issues du slab dans leur genèse. L'approche adoptée est l'analyse des inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes de quatre volcans répartis dans trois zones de subduction : Vulcano, dans l'arc Eolien (Italie), le Mont Shasta, dans l'arc des Cascades (Californie, Etats-Unis), le Pichincha et le Pan de Azucar, dans l'arc Equatorien. Les inclusions primaires étudiées contiennent des liquides basaltiques sous-saturés en silice, plus ou moins riches en CaO, dérivant d'une source mantellique veinée de zones riches en amphiboles (±clinopyroxène, ±phlogopite) et ayant subi un degré variable de métasomatisme. Leurs compositions en éléments traces illustrent l'enrichissement de leurs sources mantelliques par des composés mobiles issus du slab et de compositions contrastées. Il existe d'importantes variations des compositions en éléments volatils entre les inclusions provenant de plusieurs échantillons d'un même volcan (le Mont Shasta), celles provenant de plusieurs volcans d'une même zone de subduction (le Pichincha et le Pan de Azucar) ainsi qu'entre les inclusions des trois zones de subduction étudiées (arc Eolien, arc Equatorien et arc des Cascades). L'étude de l'évolution des teneurs en éléments volatils en fonction des pressions de saturation indique que seules les teneurs en Cl et F des inclusions magmatiques sont représentatives des teneurs du magma primitif. Le dégazage précoce et la formation de globules de sulfure affectent les teneurs en H2O, CO2 et S, qui peuvent être utilisées en tant qu'estimations minimales des teneurs des magmas primitifs. Les compositions en Cl des sources mantelliques des inclusions étudiées varient de 3±1 ppm à 450±125 ppm et celles en F varient de 16±6 ppm à 147±32 ppm (Cl/F de 0,2±0,1 à 3,6±1,2). L'association des rapports Cl/F des sources avec l'enrichissement en Nb (par rapport aux MORB) des inclusions et leurs valeurs isotopiques en bore suggère la participation de deux principaux composés mobiles dans la source de ces inclusions : (1) un liquide silicaté issu de la fusion des sédiments déshydratés (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pan de Azucar, qui possèdent des faibles δ11B ainsi qu'un fort enrichissement en Nb par rapport aux MORB) ; (2) un fluide aqueux formé lors de la déshydratation de la croûte océanique (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pichincha). Selon les propriétés physico-chimiques des différentes zones de subduction, ce fluide peut avoir les caractéristiques d'un fluide supercritique et être plus ou moins riche en éléments traces. Les compositions des inclusions de la Sommata (Italie) et de l'échantillon 95-15 du Mont Shasta montrent des enrichissements intermédiaires de leurs sources comparé à celles des inclusions du Pichincha et du Pan de Azucar. Leurs sources semblent avoir été métasomatisées par un mélange entre les deux composés métasomatiques décrits ci-dessus.

Primitive ankaramite rocks differ from picrite by their richness in clinopyroxene (cpx>ol), their high CaO/Al2O3 values (>1, wt%) and their high normative di/ol values (>0.7, mol%). Ankaramite rocks are generally interpreted as a variety of basalt enriched in clinopyroxene crystals yet some studies suggest that ankararnite rocks crystallized from primitive ankaramitic melts. The origin of ankaramitic melts is of interest because their compositions differ from the picritic compositions of experimentally produced partial melts in equilibrium with mantle peridotite, yet many of their of their characteristics are similar to those of primitive mantle melts, i.e. high Mg# values, high Ni and Cr, and magnesian olivine phenocrysts. The four primitive ankaramite suites studied in this thesis are from the Ulakan Formation in Bali, and the Rinjani volcano in Lombok (Sunda arc), and from Merelava and Epi (Vanuatu arc). Primary melt inclusions in magnesian olivine phenocrysts (Fo>90) from each suite are studied to investigate the early stages of ankaramite magma evolution. The composition of these melt inclusions after homogenization are quite unlike picrite and have CaO/Al203 values which range up to —1.7, and are therefore ankaramitic. Additionally, the CaO/Al203 values of melt inclusions within the same grain are similar, but vary between phenocrysts. Critical assessment of the data suggests that the composition of melt inclusions trapped in olivine can be modified by Fe-Mg re-equilibration with the host, before the magma is erupted. This process might lower the original FeO* content of the trapped melt by several wt% ("Fe-loss"). The extent of "Fe-loss" depends on (1) the time spent by the host olivine phenocryst in the magma before eruption (residence time) and (2) the rate at which the re-equilibration occurred. Most of the compositions of homogenized melt inclusions in this study are affected by "Fe-loss" and are therefore not directly representative of the original trapped melt. A recalculation procedure is developed to reconstruct the original composition of the melt at the moment of trapping. Both, before and after recalculation, the compositions of melt inclusions display di/ol values >1, thus retaining their ankaramitic affinities. The CaO/Al203 values of melt inclusions are unaffected by this procedure. The recalculated melt inclusion compositions are also more silica-undersaturated (ne-, lc- and cs-normative) than the host ankaramite rocks, which range from ne- to hy-normative. If the melt inclusions are aliquots of the parent melts, these results suggest that the ankaramite magma formed by the aggregation of strongly-silica-undersaturated primitive ankaramite melts with high CaO/Al203 and high di/o/ values. A link may therefore exist between these trapped melts, the hypothetical primary melts and the formation of ankaramitic magmas. This link is explored experimentally at high pressures, using the composition of a representative melt inclusion in Fosq from the Lombok ankaramite suite as a starting mix composition. Liquidus and near-liquidus phase relations of this melt, under dry, hydrous, CO2-H20- and CO2-bearing conditions, and between 1 to 3 GPa pressures, lack orthopyroxene near the liquidus. Therefore a direct origin is excluded for this composition by partial melting of mantle peridotite (i.e. not a primary melt). Instead, the trapped melt inclusions may have been derived from even more mafic primary melts that were generated at higher temperatures and pressures than those prevailing when the ankaramitic magma aggregated. Two mechanisms are considered for the formation of these primary melts that have high CaO/Al203 values (>1): (a) partial melting of lherzolite at high pressures (>5 GPa) and (b) partial melting of lherzolite at lower pressures (<5 GPa) in the presence of CO2-rich mantle fluids. The natural phenocryst assemblage and composition of the host ankaramite rock are only duplicated experimentally under hydrous conditions. With increasing CO2 content in the fluid, the compositions of synthesized clinopyroxene crystals become less calcic and are unlike the natural phenocrysts. Thus the crystallization and aggregation of the ankaramite magma may have taken place under hydrous conditions at depths where olivine and clinopyroxene are co-crystallizing as phenocryst phases. In the case of the Lombok ankaramite suite, these conditions correspond to pressures equivalent to depths of around —35 km below the base of the arc crust. The aggregated ankararnite magma may mix and continue to crystallize isobarically and in-situ, thus producing the wide compositional range observed in olivine (—Fo75.91) and clinopyroxene (—Wo45-47En50-41Fs5-12) phenocrysts, as well as the variable zoning and resorption textures. Reaction and re-equilibration of this aggregated magma with the sub-arc mantle before eruption, may cause the silicaenrichment that distinguishes the wholerock ankaramite compositions from the melt inclusions in their olivine phenocrysts. Tiny pleonastic daughter spinel crystals with up to 65 wt% Al2O3 and virtually no chromium, occur within melt inclusions in olivine phenocrysts. These aluminous spinels could form in melt inclusions provided the trapped melt becomes sufficiently Al-enriched and Cr-depleted, following the fractional crystallization of olivine on the walls. Daughter aluminous spinels were found in the melt inclusions of olivine phenocrysts from all four ankaramite suites studied and may therefore, also occur in melt inclusions of other basaltic rocks. The occurrence of aluminous spinels in melt inclusions is therefore not evidence for the trapping of contaminant aluminous melts. This thesis attempts to 1) demonstrate that ankaramitic melts with CaO/Al203 values (>1) and normative di/ol values >0.7 exist and can be parental to ankaramite rocks; 2) describe the Fe-Mg reequilibration ("Fe-loss") process that affects melt inclusions in olivine phenocrysts before magma eruption; and 3) re-interpret the formation of aluminous spinel crystals in melt inclusions that have previously been interpreted as evidence for contaminant aluminous melts in basaltic magma chambers.

I report the solubility and diffusivity of water in lunar basalt and an iron-free basaltic analogue at 1 atm and 1350 °C. Such parameters are critical for understanding the degassing histories of lunar pyroclastic glasses. Solubility experiments have been conducted over a range of fO₂ conditions from three log units below to five log units above the iron-wüstite buffer (IW) and over a range of pH₂/pH₂O from 0.03 to 24. Quenched experimental glasses were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and secondary ionization mass spectrometry (SIMS) and were found to contain up to ~420 ppm water. Results demonstrate that, under the conditions of our experiments: (1) hydroxyl is the only H-bearing species detected by FTIR; (2) the solubility of water is proportional to the square root of pH₂O in the furnace atmosphere and is independent of fO₂ and pH₂/pH₂O; (3) the solubility of water is very similar in both melt compositions; (4) the concentration of H₂ in our iron-free experiments is <3 ppm, even at oxygen fugacities as low as IW-2.3 and pH₂/pH₂O as high as 24; and (5) SIMS analyses of water in iron-rich glasses equilibrated under variable fO₂ conditions can be strongly influenced by matrix effects, even when the concentrations of water in the glasses are low. Our results can be used to constrain the entrapment pressure of the lunar melt inclusions of Hauri et al. (2011).

Diffusion experiments were conducted over a range of fO₂ conditions from IW-2.2 to IW+6.7 and over a range of pH₂/pH₂O from nominally zero to ~10. The water concentrations measured in our quenched experimental glasses by SIMS and FTIR vary from a few ppm to ~430 ppm. Water concentration gradients are well described by models in which the diffusivity of water (D^*_water) is assumed to be constant. The relationship between D^*_water and water concentration is well described by a modified speciation model (Ni et al. 2012) in which both molecular water and hydroxyl are allowed to diffuse. The success of this modified speciation model for describing our results suggests that we have resolved the diffusivity of hydroxyl in basaltic melt for the first time. Best-fit values of D^*_water for our experiments on lunar basalt vary within a factor of ~2 over a range of pH₂/pH₂O from 0.007 to 9.7, a range of fO₂ from IW-2.2 to IW+4.9, and a water concentration range from ~80 ppm to ~280 ppm. The relative insensitivity of our best-fit values of D^*_water to variations in pH₂ suggests that H₂ diffusion was not significant during degassing of the lunar glasses of Saal et al. (2008). D^*_water during dehydration and hydration in H₂/CO₂ gas mixtures are approximately the same, which supports an equilibrium boundary condition for these experiments. However, dehydration experiments into CO₂ and CO/CO₂ gas mixtures leave some scope for the importance of kinetics during dehydration into H-free environments. The value of D^*_water chosen by Saal et al. (2008) for modeling the diffusive degassing of the lunar volcanic glasses is within a factor of three of our measured value in our lunar basaltic melt at 1350 °C.

In Chapter 4 of this thesis, I document significant zonation in major, minor, trace, and volatile elements in naturally glassy olivine-hosted melt inclusions from the Siqueiros Fracture Zone and the Galapagos Islands. Components with a higher concentration in the host olivine than in the melt (MgO, FeO, Cr₂O₃, and MnO) are depleted at the edges of the zoned melt inclusions relative to their centers, whereas except for CaO, H₂O, and F, components with a lower concentration in the host olivine than in the melt (Al₂O₃, SiO₂, Na₂O, K₂O, TiO₂, S, and Cl) are enriched near the melt inclusion edges. This zonation is due to formation of an olivine-depleted boundary layer in the adjacent melt in response to cooling and crystallization of olivine on the walls of the melt inclusions concurrent with diffusive propagation of the boundary layer toward the inclusion center.

Concentration profiles of some components in the melt inclusions exhibit multicomponent diffusion effects such as uphill diffusion (CaO, FeO) or slowing of the diffusion of typically rapidly diffusing components (Na₂O, K₂O) by coupling to slow diffusing components such as SiO₂ and Al₂O₃. Concentrations of H2O and F decrease towards the edges of some of the Siqueiros melt inclusions, suggesting either that these components have been lost from the inclusions into the host olivine late in their cooling histories and/or that these components are exhibiting multicomponent diffusion effects.

A model has been developed of the time-dependent evolution of MgO concentration profiles in melt inclusions due to simultaneous depletion of MgO at the inclusion walls due to olivine growth and diffusion of MgO in the melt inclusions in response to this depletion. Observed concentration profiles were fit to this model to constrain their thermal histories. Cooling rates determined by a single-stage linear cooling model are 150–13,000 °C hr^-1 from the liquidus down to ~1000 °C, consistent with previously determined cooling rates for basaltic glasses; compositional trends with melt inclusion size observed in the Siqueiros melt inclusions are described well by this simple single-stage linear cooling model. Despite the overall success of the modeling of MgO concentration profiles using a single-stage cooling history, MgO concentration profiles in some melt inclusions are better fit by a two-stage cooling history with a slower-cooling first stage followed by a faster-cooling second stage; the inferred total duration of cooling from the liquidus down to ~1000 °C is 40 s to just over one hour.

Based on our observations and models, compositions of zoned melt inclusions (even if measured at the centers of the inclusions) will typically have been diffusively fractionated relative to the initially trapped melt; for such inclusions, the initial composition cannot be simply reconstructed based on olivine-addition calculations, so caution should be exercised in application of such reconstructions to correct for post-entrapment crystallization of olivine on inclusion walls. Off-center analyses of a melt inclusion can also give results significantly fractionated relative to simple olivine crystallization.

All melt inclusions from the Siqueiros and Galapagos sample suites exhibit zoning profiles, and this feature may be nearly universal in glassy, olivine-hosted inclusions. If so, zoning profiles in melt inclusions could be widely useful to constrain late-stage syneruptive processes and as natural diffusion experiments.

Olivine is an important mineral phase in naturally cooled basaltic rocks. The morphology and composition of olivine are controlled by the cooling kinetics, and the mechanisms controlling the crystal growth directly impact the partitioning of elements. Cations partitioning between two phases may document on the crystallization conditions of rocks. Indeed, the major elements composing a mineral usually affect the chemical equilibrium of a system, while trace elements are sensitive to thermodynamic conditions and record the chemical reactions occurring in the system without modifying the bulk reactions. Therefore, major and trace elements partitioning between olivine and melt is greatly considered by petrologists investigating terrestrial rocks through the use of phases exchange reactions. In this study I explore the partitioning of major and trace elements between olivine and basaltic melt under conditions encountered by magmas during natural solidification path, and the cation substitution and charge balance mechanisms controlling the cations entrance in the lattice site of olivine crystals. In this context, I have performed undercooling (-ΔT) and cooling rate (CR) experiments under relatively reduced environment (QFM-2) and atmospheric conditions using a tholeiitic basalt from Hawaii. Experiments started from the same superliquidus temperature of 1250 °C and was cooled at the rates of 4, 20, and 60 °C/h to the final temperature of 1175 and 1125 °C (-ΔT = 35 and 85 °C, respectively). The olivine textural results indicate equilibrium at -ΔT = 35 °C, whereas strong disequilibrium occur at -ΔT = 85 °C. It is verified by the determination of the Fe-Mg exchange between olivine and melt. Indeed, low -ΔT experiments show bulk chemical equilibrium, while local equilibrium occurs at higher -ΔT. The forsterite content decreases as CR increases and a diffusive boundary layer develops in the melt next to the crystal interface. However, the principal cations (Mg, Fe, Mn, and Ca) enter the crystal lattice (M-site) at near-equilibrium, which is compatible with the establishment of a local equilibrium. Ti, Al, and P cations are incorporated in olivine lattice by substituting Si in the T-site. Ti incorporation is controlled by a homovalent substitution [TSi4+] ↔ [TTi4+], while heterovalent substitutions occur for Al and P, following [MMg2+, TSi4+] ↔ [MAl3+, TAl3+], and [2 TSi4+] ↔ [TP5+, TAl3+]. Although Cr is an octahedrally coordinated cation, it shows the same behaviour as cations entering in the T-site. Indeed, Cr is incorporated in the olivine lattice by forming a coupled substitution with a tetrahedrally coordinated cation [MMg2+, TSi4+] ↔ [MCr3+, TAl3+], in order to maintain the charge balance. To preserve the charge balance, disequilibrium incorporation of minor elements is governed by the same mechanisms that occur under equilibrium crystallization, which is consistent with interface local equilibrium.

abstract: Fluorine (F) is a volatile constituent of magmas and hydrous mantle minerals. Compared to other volatile species, F is highly soluble in silicate melts, allowing F to remain in the melt during magma differentiation and rendering F less subject to disturbance during degassing upon magma ascent. Hence, the association between fluorine in basalts and fluorine in the mantle source region is more robust than for other volatile species. The ionic radius of F- is similar to that of OH- and O2-, and F may substitute for hydroxyl and oxygen in silicate minerals and melt. Fluorine is also incorporated at trace levels within nominally anhydrous minerals (NAMs) such as olivine, clinopyroxene, and plagioclase. Investigating the geochemical behavior of F in NAMs provides a means to estimate the pre-eruptive F contents of degassed magmas and to better understand the degassing behavior of H. The partition coefficients of F were determined for clinopyroxene, olivine, plagioclase, and hornblende within melts of olivine-minette, augite-minette, basaltic andesite, and latite compositions. The samples analyzed were run products from previously-published phase-equilibria experiments. Fluorine was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) using an 16O- primary beam and detection of negative secondary ions (19F-, 18O-, 28Si-). SIMS ion intensities are converted to concentrations by analyzing matrix-matched microanalytical reference materials and constructing calibration curves. For robust F calibration standards, five basaltic glasses (termed Fba glasses) were synthesized in-house using a natural tholeiite mixed with variable amounts of CaF2. The Fba glasses were characterized for F content and homogeneity, using both SIMS and electron-probe microanalysis (EPMA), and used as F standards. The partition coefficients for clinopyroxene (0.04-028) and olivine (0.01-0.16) varied with melt composition such that DF (olivine-minette) < DF (augite-minette) < DF (basaltic andesite) < DF (latite). Crystal chemical controls were found to influence the incorporation of F into clinopyroxene, but none were found that affected olivine. Fluorine partitioning was compared with that of OH within clinopyroxenes, and the alumina content of clinopyroxene was shown to be a strong influence on the incorporation of both anions. Fluorine substitution into both olivine and clinopyroxene was found to be strongly controlled by melt viscosity and degree of melt polymerization.
Dissertation/Thesis
Ph.D. Geological Sciences 2012

Le volcan Kilauea, Hawaï, est probablement le système magmatique basaltique actif le plus étudié sur Terre, et représente donc un site privilégié pour l'étude des processus de solidification basaltique en milieu naturel. Une meilleure compréhension de la solidification magmatique est d'importance majeure dans le raffinement de modèles expliquant le dynamisme des chambres magmatiques, et son étude détaillée est susceptible de grandement améliorer notre connaissance de l'évolution globale des systèmes magmatiques. Dans ce contexte volcanique, les lacs de lave offrent une rare opportunité d'étudier directement la solidification magmatique et peuvent être considérés, en première approximation, comme des analogues superficiels de petites chambres magmatiques. Le but premier de ce doctorat est de déterminer et quantifier les principaux processus de solidification magmatiques à l'œuvre dans la genèse des basaltes tholéiitiques. Ce travail s'articule autour du minéral olivine comme composant central. Dans les deux premiers chapitres, l'approche est double, texture et géochimie, mais l'emphase porte sur l'aspect textural dont l'analyse de la distribution de la taille des cristaux (CSD) est la composante phare. Ce travail a été réalisé sur les laves produites par les éruptions de 1969-1974 (Mauna Ulu) et 1959 (Kilauea Iki) du volcan Kilauea. L'étude des coulées de lave produites par l'éruption du Mauna Ulu permet de mieux comprendre les processus actifs de solidification dans tout le système magmatique superficiel (la "tuyauterie") de l'édifice. L'étude du lac de lave Kilauea Iki renseigne quant à elle sur la solidification en système semi-fermé en sub-surface. Dans un dernier temps, il est question d'évaluer plus en détail l'influence de la déformation magmatique sur la structure interne des olivines, et de la quantifier, en utilisant une technique in situ récente de micro-diffraction des rayons X. Chacun des trois chapitres de cette thèse est un article publié ou destiné à la publication dans une revue scientifique internationale. L'article 1 présente les résultats en éléments majeurs et traces (roche totale), les compositions de l'olivine, et les CSDs de 11 échantillons de laves du Mauna Ulu. Les variations chimiques en roche totale sont interprétées comme étant partiellement produites par addition d'olivine dans le système magmatique. Les profiles CSD suggèrent qu'au moins deux populations d'olivines interviennent : (1) une population d'âges 3-40 ans, caractérisée par une faible densité de "gros" cristaux et des pentes CSD relativement faibles ; et (2) une population d'âges 1,5-15 ans, marquée par une forte densité de petits cristaux et des pentes CSD plus fortes. La gamme de compositions de l'olivine suggère que ces cristaux se sont formés à partir de magmas différents, probablement reliés par crystallisation fractionnée. La présence d'olivines déformées de toutes tailles couvrant la totalité de la gamme de compositions, montre que la population 1 provient principalement de la désintégration et assimilation d'un cumulat déformé. Cette population d'olivines représente un composant magmatique cumulatif précoce qui a subi du mûrissement textural. A l'inverse, la population 2 représente un composant magmatique tardif formé dans la région sommitale de stockage de magma. Nos résultats sont en accord avec l'hypothèse que ces deux composants magmatiques ont suivi deux trajets différents avant d'alimenter l'éruption du Mauna Ulu. Le magma contenant les olivines déformées aurait transité le long du décollement basal sous le Kilauea, puis remonté verticalement par des conduits de type "pipe" sous le rift du Mauna Ulu. Le magma contenant la plupart des olivines non déformées aurait quant à lui transité vers le réservoir sommital à travers le conduit magmatique principal, puis le long de la rift zone où les magmas se seraient finalement mélangés dans de petites chambres magmatiques satellites. La présence de fines zonalités inverses à la bordure de certains cristaux suggère que le mélange s'est fait juste avant l'éruption. L'article 2 présente les compositions et CSDs d'olivine provenant de scories et d'échantillons de forage (0-90 m de profondeur) du lac de lave Kilauea Iki. Trois populations d'olivines sont distinguées sur la base de leur composition en forstérite (Fo) : (1) une population riche en Fo (Fo85-88) ; (2) une population intermédiaire (Fo77-81) ; et (3) une population mineure appauvrie en Fo (Fo72-76). Les populations 1 et 2 sont composées à la fois de cristaux déformés et non déformés. La troisième population pourrait résulter d'une phase de recroissance tardive. Dans les 60 derniers mètres du lac, l'olivine est moins riche en Fo et la proportion de cristaux déformés augmente. Ces observations laissent penser à l'existence d'une stratification minéralogique et chimique verticale dans le lac de lave. L'analyse CSD a permis d'estimer les temps de résidence des olivines dans le magma, 1-60 ans, valeurs qui sont en accord avec les estimations préexistantes. Les CSDs sont globalement uniformes eu égard à la profondeur. Cependant, certaines caractéristiques spécifiques ressortent. Ainsi, les CSDs courbées sont considérées comme évidence de mélange de magmas ou de cristaux. L'inversion de pente aux petites tailles de la plupart des CSDs du lac de lave est interprétée comme résultant du mûrissement. Les résultats de la modélisation CSD suggèrent que la décantation / sédimentation des olivines et la convection à grande échelle ne sont pas significatives dans l'évolution du lac de lave. Enfin, la stratification verticale du lac peut être expliquée de différentes façons. Il peut s'agir d'une caractéristique originelle, résultat de la stratification de la chambre magmatique source. Cependant, plusieurs évidences montrent que le magma du lac a été fortement brassé pendant toute la durée de l'éruption ; cette première hypothèse n'est donc pas crédible. Le remplissage par la base du lac durant l'éruption serait une autre hypothèse à même d'expliquer cette stratification. Cependant, il nous manque encore de quoi définitivement valider cette théorie. L'article 3 présente l'analyse microstructurale in situ par micro-diffraction des rayons X (µXRD) d'olivines déformées et non déformées provenant d'une sélection d'échantillons préalablement étudiés dans les articles 1 et 2. Cette étude utilise une technique innovante, non destructive, peu coûteuse et rapide à mettre en œuvre permettant de recueillir des informations sur la structure interne des cristaux, ainsi que le mode et l'intensité de déformation. Les résultats ont permis de valider les observations pétrographiques de déformation faites à l'aide du microscope. Cette analyse µXRD a aussi permis de confirmer la présence de déformation pour toutes les tailles de grains d'olivine, sans corrélation simple avec leur chimie, et de quantifier cette déformation. Cette technique ne permet cependant pas une estimation simple des conditions pression-température de déformation ou de formation des cristaux, ni d'apporter d'informations sur l'histoire magmatique. Il a cependant été possible de fixer un seuil quantitatif au-delà duquel toute olivine est déformée de façon significative : full width at half maximum (FWHM) > 1°.