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

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

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

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

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

En comparaison aux éruptions basaltiques effusives, les éruptions basaltiques explosives sont relativement rares et leurs propriétés physiques sont mal comprises. L’objectif de cette thèse est d’étudier les causes à l’origine de l’explosivité des magmas basaltiques en caractérisant les produits volcaniques de l’éruption subplinienne trachybasaltique des Puys de La Vache-Lassolas (Chaîne des Puys, France) et des éruptions phréatomagmatiques et subpliniennes de magma basaltique tholéiitique du Grímsvötn (Islande). Les minéraux, verres matriciels et inclusions magmatiques (MI) ont été analysés à la microsonde électronique afin d’estimer les concentrations en éléments volatils (initiales et finales) et les pressions (P) et températures (T) de cristallisation, en utilisant la thermobarométrie basée sur l’équilibre clinopyroxène-liquide. Une étude expérimentale a été réalisée afin de mieux comprendre les limites de la thermobarométrie clinopyroxène-liquide à des pressions crustales et pendant l’ascension magmatique. Quatre éruptions de Grímsvötn ont été étudiées : deux phréatomagmatiques (celles de 1823 et 2004) et deux (sub-)pliniennes (1873 et 2011). Les éruptions subpliniennes ont des concentrations en éléments volatils plus élevées que celles des phréatomagmatiques. De plus, les premières sont également sujettes à une exsolution plus poussée du gaz dissous, ce qui se traduit par des émissions atmosphériques plus importantes. Quelle que soit l’explosivité d’une éruption du Grímsvötn, les équilibres clinopyroxène-liquide (verre matriciel ou MI) ont enregistré la même profondeur de cristallisation : ~15 km. Ceci suggère que la chambre magmatique superficielle du système magmatique du Grímsvötn puisse agir comme un réservoir dans lequel le gaz exsolvé d’un magma plus profond est stocké et accumulé entre les éruptions. La gamme de variabilité thermique des équilibres clinopyroxène-MI est plus restreinte pour les éruptions du 19ème siècle, ce qui suggère que le système magmatique du Grímsvötn était plus perméable en réponse à l’évènement volcano-tectonique du Laki (1783-84). La température moyenne des équilibres clinopyroxène-verre matriciel des quatre éruptions décroît avec le temps, suggérant que le système magmatique du Grímsvötn, dans son ensemble, est en cours de refroidissement. Les produits des Puys de La Vache-Lassolas ont enregistré une contribution magmatique plus profonde : vers 30 km. Les concentrations initiales en éléments volatils et leurs rapports sont plus proches de ceux des magmas d’arc que de tout autre contexte tectonique. Cette observation remet en question l’existence d’un point chaud sous la Chaîne des Puys. La contribution significative de magma d’origine profonde est en accord avec la cristallisation simultanée du clinopyroxène et de l’olivine. L’éruption des Puys de La Vache-Lassolas a émis 0,5 Tg de HF, 0,7 Tg de HCl et 7,3 Tg de SO2, illustrant le risque volcanique auquel est confrontée la population auvergnate. Afin de mieux contraindre les estimations pétrologiques de pression et température, une étude expérimentale au piston-cylindre a été réalisée. Elle porte sur la stabilité du clinopyroxène dans le magma tholéiitique de l’éruption 2014-15 d’Holuhraun (Islande). L’absence d’olivine dans la gamme de pression entre 0,5 et 1,0 GPa, associée à la présence de clinopyroxène indique que le clinopyroxène est la première phase au liquidus. Ceci confirme l’importance de la thermobarométrie clinopyroxène-liquide pour l’estimation des P et T de cristallisation des magmas tholéiitiques islandais. Les expériences au cours desquelles la pression a été diminuée de 1,0 à 0,5 GPa, puis maintenue constante, montrent que l’équilibre entre clinopyroxène et liquide n’est pas encore atteint après 24 heures à 0,5 GPa. Par conséquent, un temps de résidence de plusieurs jours à P et T constantes est nécessaire pour obtenir des estimations thermobarométriques fiables
Explosive basaltic eruptions are rare compared to effusive ones and the underlying physical mechanisms are poorly understood. The goal of this thesis is to study the causes of basaltic magma explosivity by characterizing the volcanic products of the subplinian eruption of trachy-basalt at the Puys de La Vache-Lassolas complex (Chaîne des Puys, France) and of phreatomagmatic and sub-plinian eruptions of tholeiitic magma at Grímsvötn volcano (Iceland). Minerals, matrix glasses and melt inclusions (Mis) were analysed with an electron microprobe to estimate volatile concentrations (initial and final), and pressure (P) and temperature (T) of crystallization using clinopyroxene-liquid thermobarometry. In addition, an experimental study was performed to better understand the limitations of clinopyroxeneliquid thermobarometry at moderate pressures and during magma ascent. Four eruptions were studied at Grímsvötn: two phreatomagmatic (AD1823 and AD2004) and two subplinian (AD1873 and AD2011). The subplinian eruptions have volatile concentrations higher than the phreatomagmatic ones, together with more efficient gas exsolution, leading to significantly higher atmospheric mass loading. Regardless of the eruptive regime, clinopyroxene-liquid (matrix glass or MI) equilibria in Grímsvötn magmas record the same depth of crystallization, namely ~15 km. This suggests that the shallow magma chamber of Grímsvötn plumbing system may only act as a reservoir in which gas exsolved from deeper origin is stored and accumulates between eruptions. The lower variability of clinopyroxene-MI equilibrium T in the 19th century eruptions, suggests important Grímsvötn magma system permeability following the Laki volcano-tectonic event end of 18th century. Average matrix glass-clinopyroxene equilibrium T decreases with time suggesting that Grímsvötn magma plumbing system as a whole may be slowly cooling over the last two centuries. Puys de La Vache-Lassolas products record a deeper magma contribution, from approximately 30 km depth. Initial volatile concentrations and ratios of the ~8.6 ka eruption are closer to those of arc magmas than to magmas from any other tectonic settings. This observation calls into a question the Chaîne des Puys hotspot hypothesis. The significant contribution of deep-derived magma is coherent with the crystallization of clinopyroxene contemporaneously with olivine. The Puys de La Vache-Lassolas eruption carried 0.5 Tg of HF, 0.7 Tg of HCl and 7.3 Tg of SO2 into the atmosphere illustrating the volcanic hazard to the Auvergne population. In order to better constrain petrological P-T estimations, a piston-cylinder experimental study of clinopyroxene stability in a tholeiitic magma (Holuhraun 2014-15, Iceland) was undertaken. The absence of olivine in the pressure range 0.5-1 GPa and the presence of clinopyroxene indicate that clinopyroxene is the first phase at the liquidus, confirming the importance of clinopyroxene-liquid thermobarometers when estimating P and T of crystallization of Icelandic tholeiitic magmas. Experiments in which P was decreased from 1 to 0.5 GPa and then kept constant show that equilibrium between clinopyroxene and liquid is still not reached after 24 hours at 0.5 GPa. Thus a residence time of several days at constant P and T is required to obtain reliable thermobarometric estimates

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

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

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

Le dégazage magmatique est l’une des principales manifestations de l’activité volcanique, avec des effets sur l'atmosphère terrestre. C'est un phénomène complexe car il dépend de la composition des magmas et de la solubilité des différentes espèces de gaz. La surveillance des gaz apporte des informations sur les systèmes magmatiques en profondeur et sur leur évolution. Ce chapitre décrit la composition, le comportement et les méthodes d'étude et de surveillance des gaz volcaniques.