Dissertations / Theses on the topic 'Magmatisme – Islande'

Dans le but d'étudier l'activité volcanique et l'évolution magmatique des volcans sous-glaciaires de Grimsvötn, Bárdarbunga et Kverkfjöll, des téphras ont été systématiquement échantillonnés au sein de profils établis dans les sols autour du glacier de Vatnajökull en Islande. La composition en éléments majeurs de 921 échantillons de téphra a été analysée par microsonde, ce qui a permis, par comparaison avec la composition chimique des différents produits émis par ces systèmes volcaniques, de déterminer leur provenance. Les nouveaux résultats indiquent 3 groupes de composition distincts, présentant chacun des variations cohérentes avec une évolution cotectique. Si l'identification de ces groupes améliore la distinction compositionnelle entre les produits émis par les 3 systèmes volcaniques étudiés, une légère superposition des compositions demeure néanmoins entre ces différents groupes. L'analyse in situ des teneurs en éléments traces par ICP-MS à ablation laser permet toutefois d'affiner leur distinction. Ensemble, l'analyse des teneurs en éléments majeurs et traces permet d'améliorer significativement l'identification de la provenance des téphras basaltiques holocène qui peuvent avoir des compositions en éléments majeurs similaires autour de Vatnajökull. Régionalement, les profils étudiés dans les sols sont corrélés les uns avec les autres en utilisant des niveaux de téphras marqueurs clefs, et les unités intermédiaires sont corrélées grâce à des outils stratigraphiques et à leur composition chimique. Approximativement, 70% des couches de téphras viennent de Grimsvötn, Bárdarbunga ou Kverkfjöll. La fréquence éruptive de Grimsvötn indique que c'est le système volcanique le plus actif, suivi de Bárdabunga. En revanche, Kverkfjöll présente une activité épisodique avec des périodes de repos supérieures au millier d'années. La diminution de la fréquence éruptive observée il y a 2000-5000 ans dans les 3 systèmes volcaniques, est liée à une diminution de l'activité volcanique et non à des facteurs environnementaux. Pendant la préhistoire, une différence d'âge de 1000-3000 ans a été observée entre les pics d'activité à l'aplomb du panache mantellique (Grimsvötn et Bardarbunga) et les pics d'activité des volcans localisés au sud-ouest, dans la partie hors-rift de la Zone Volcanique Est (ZVE ; e. G. Kalta). Ceci suggère qu'une importante augmentation de l'activité volcanique dans cette partie du ZVE est attendue dans un futur proche car la fréquence éruptive maximum a été observée il y a 1000-2000 ans à Grimsvötn et Bárdarbung. L'évolution magmatique des 3 systèmes volcaniques étudiés est contrôlée par les processus de cristallisation fractionnée et de contamination crustale. Les teneurs en éléments traces indiquent des minéralogies similaires dans les différentes sources magmatiques sous les 3 volcans. Ceci permet alors d'accéder aux conditions relatives de fusion partielle du manteau source : Bárdarbunga à l'aplomb du centre du panache mantellique islandais produit des basaltes issus de plus forts degrés de fusion alors que les plus faibles degrés de fusion sont atteints sous Kverkfjöll, plus loin du centre du panache. Une source magmatique profonde semble avoir joué un rôle important dans l'activité de Grimsvötn et Bárdarbunga, avec un système de sills et dykes plus actif sous le système volcanique de Grimsvötn pendant la période de plus forte fréquence éruptive. Ce système a évolué en chambre magmatique il y a environ 1000 ans, ce qui explique les plus faibles fréquences éruptives observées à cette période. Un lien direct semble lié la fréquence éruptive à l'architecture de la chambre magmatique. Les variations de composition des basaltes issus de Grimsvötn et Bárdarbunga sont consistantes avec la présence d'une chambre magmatique active en profondeur

L'approche principalement géochimique menée (éléments majeurs et en trace, 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, etdelta 18O) a montré que : tout au long de l'histoire de l'Islande, le gradiant géothermique résultant de l'interaction ride-panache mantellique favorise la genèse des magmas acide par fusion partielle de la croûte métabasaltique au centre de l'île et par cristallisation fractionnée en périphérie. En se basant sur le point précédent et des échantillons datés, un modèle d'évolution géodynamique de l'Islande a pu être établit afin de rendre compte de la largeur anormalement élevée de l'île. La comparaison des roches acides (roches "continentales") émises en Islande, à Hawaï et à Kerguelen, avec celles de la croûte continentale primitive (TTG) a montré que les plateaux océaniques n'ont pas été un environnement favorable lors de la genèse de la croûte primitive.

Monogenetic volcanism is characterized by a large diversity of eruptive styles, morphologies and deposits. Monogenetic landforms are the result of a complex merging of internal (magma composition, vesiculation) and external (geological setting, fracturation, hydrogeology, substrate stratigraphy, etc) parameters that govern the physics of the eruptions. Changes in these parameters may cause variations in the eruption style several times during the course of such short-lived volcanoes. Monogenetic volcanoes may form in any type of geological environment with scoria cones being the most common volcano type and hydrovolcanic tuff rings, tuff cones, and maars as the second in abundance. These small-volume volcanoes are generally the result of short-lived eruptions but the activity in a monogenetic volcanic field might exceed the total life of composite volcanoes. The attention of this work was focused on the relation between monogenetic volcanic landforms and the external variables that influenced the dynamics of the eruptions (i.e. magmatism vs phreatomagmatism) through a multidisciplinary perspective, in marine and continental geological settings under which monogenetic volcanism may develop. Different case studies representative of this type of activity and of these different environments have been considered. The first one corresponds to the La Crosa De Sant Dalmai volcano (Garrotxa Volcanic Field, southern sector of the Catalan Volcanic Zone), a roughly circular asymmetrical maar-diatreme volcano, which is one of the most characteristic volcanic edifices of this continental monogenetic volcanic field and the largest Quaternary volcanic crater on the Iberian Peninsula. This edifice is an example of monogenetic landform, mostly composed of phreatomagmatic deposits with subordinate Strombolian phases, constructed on a mixed basement made of hard Paleozoic granites and schists rocks and soft Plio-Quaternary deposits. Here, I reconstructed the hydrogeological conditions of the substrate and the implication for the eruptive dynamics. As a second case study, I carried out detailed stratigraphic and sedimentological studies of the succession of El Golfo tuff cone (Lanzarote, Canary Islands). The main objective of the work was to describe in detail the structure and association of facies of this edifice and use this information to infer changes in eruption style and depositional processes. Another type of eruption was studied in the same archipelago at El Hierro, an island essentially characterized by basaltic volcanism with both Strombolian and Hawaiian activity. Here I reported the stratigraphic, lithological, sedimentological and petrographic characteristics of a felsic hydrovolcanic episode in order to discuss, transport/depositional mechanisms, dynamics, relative age and implications for hazard assessment on the island. Finally, the same type of methodology was applied at Deception Island (Southern Shetland Archipelago, Antarctica), determining the lithological and sedimentological characteristics, and clasts distribution (isopach and isopleth maps) of the eruption of 1970. This information was, then, used to determine depositional processes, eruption style and physical parameters (i.e. plume height, erupted volume, VEI) of the eruption in order to compare this episode with the previous 1967 episode, and to deduce their implications to conduct hazard assessment at the island. Each work represents a diverse aspect of hydrovolcanism and the results obtained helped to better understand the eruptive behavior of this type of volcanoes, which is a fundamental task in order to understand the possible future hazards associated with this type of volcanism. The results obtained can be applied to monogenetic volcanic fields worldwide and are, therefore, useful to reconstruct the evolution of a certain volcanic fields, through the study of single monogenetic volcanoes, and to evaluate the possible volcanic hazards, as similar eruptions represent a serious threat, which is often underestimated. A more systematic study is, thus, needed in order to understand the role of shallow-level conditions in the formation of specific volcano types in such complex volcanic fields.
El vulcanismo monogenético se caracteriza por una gran diversidad de estilos eruptivos, morfologías y depósitos. Los tipos de edificios que se forman son el resultado de una compleja combinación de parámetros que rigen la física de la erupción. La atención de este trabajo se centra en la relación entre los edificios volcánicos monogenéticos y las variables externas que influyen en la dinámica de las erupciones (es decir, magmatismo vs freatomagmatismo) a través de un punto de vista multidisciplinar, en ambientes continentales y marinos en los que el vulcanismo puede desarrollar. Diferentes estudios, representativos de este tipo de actividad en diferentes entornos geográficos y geológicos, se han llevado a cabo. El primer ejemplo corresponde al volcán de La Crosa de Sant Dalmai (Campo Volcánico de La Garrotxa) donde se han reconstruido las condiciones hidrogeológicas del sustrato y la implicación para la dinámica eruptiva. Como segundo caso de estudio, se ha realizado una estratigrafía de detalle del cono de toba de El Golfo (Lanzarote, Islas Canarias), donde se han estudiado los mecanismos de emplazamiento de los depósitos para inferir cambios en la interacción magma/agua. Otro tipo de erupción se ha investigado en el mismo archipiélago, en la Isla de El Hierro, determinando las características físicas de un episodio félsico de origen hidrovolcánico ocurrido en una isla que se caracteriza esencialmente por el vulcanismo basáltico tanto Estromboliano como Hawaiiano. Por último, este mismo tipo de metodología se ha aplicado a la Isla Decepción (archipiélago de las Shetland del Sur, Antártida), estableciendo los parámetros físicos de la erupción del 1970 con el fin de comparar este episodio con el evento anterior del 1967, y deducir sus consecuencias para llevar a cabo la evaluación de peligrosidad en la isla. Los resultados obtenidos pueden ser aplicados a campos volcánicos monogenéticos en todo el mundo y, por tanto, son útiles para reconstruir la evolución de ciertos campos volcánicos, a través del estudio de volcanes monogenéticos individuales, para evaluar los posibles riesgos volcánicos, teniendo en cuenta como erupciones similares representan una grave amenaza, que es a menudo subestimada.

Seismic, deformation, and gas activity (unrest) typically precedes volcanic eruptions. Successful volcanic event forecasting depends on the quality of the surveillance network for detecting any changes in volcano behaviour. To interpret the geochemical and geophysical precursors correctly it is important to understand the volcanic processes that occur prior and during volcanic eruptions. Detailed knowledge of the volcano internal structure, the rheology of the magmas, the time scales of the processes occurring at depth and the characteristics of past unrest episodes, must be combined with an adequate monitoring network to improve the volcanic hazard forecast. However, these aspects have received little attention in monogenetic volcanoes. The aim of my PhD Thesis is to improve our understanding on monogenetic volcanism, its causes and dynamics, and to help anticipating the volcanic activity. I have focused on three main aspects of this problem. The first one is the calculation of the rheological properties of magmas during mixing. The second aspect I have addressed are the processes and time scales that lead to monogenetic eruptions with the aim to better interpret volcanic unrest and improve eruption forecasts. Finally, I have investigated the seismic unrest periods of historical monogenetic eruptions from a compilation of historical accounts worldwide. The results provide a conceptual framework for better anticipating monogenetic eruptions and should lead to improved strategies for mitigation of their associated hazards and risks.
Las erupciones volcánicas están generalmente precedidas por la actividad sísmica, la deformación y la desgasificación (unrest). El éxito en la predicción del evento volcánico depende de la calidad de la red de vigilancia para detectar cualquier cambio en el comportamiento del volcán. Para interpretar los precursores geoquímicos y geofísicos correctamente es importante entender los procesos volcánicos que ocurren antes y durante las erupciones volcánicas. El conocimiento en detalle de la estructura interna del volcán, la reología de los magmas, las escalas de tiempo de los procesos que ocurren en profundidad y las características de los episodios pasados de unrest, debe combinarse con una red de vigilancia adecuada para mejorar el pronóstico de los eventos volcánicos. Sin embargo, estos aspectos han recibido poca atención en los volcanes monogenéticos. El objetivo de mi tesis doctoral es mejorar nuestra comprensión sobre el vulcanismo monogenético, sus causas y su dinámica, con el objetivo de mejorar la posibilidad de anticiparse a la actividad volcánica. Me he centrado en tres aspectos principales de este problema. El primero es el cálculo de las propiedades reológicas de los magmas durante los eventos de mezcla. El segundo aspecto es el estudio de los procesos, junto con sus escalas temporales, que llevan a erupciones monogenéticas con el fin de interpretar mejor la actividad volcánica y mejorar los pronósticos de una erupción. Por último, he investigado los períodos de unrest sísmico de erupciones monogenéticas históricas en todo el mundo mediante una compilación de documentos históricos. Los resultados proporcionan un marco conceptual que permite mejorar la predicción de erupciones monogenéticas y deberían conducir a mejores estrategias para mitigar sus peligros y riesgos asociados.

Field evidence from exposed plutonic rocks indicates that mafic-felsic magma interaction is an important process during the construction and evolution of magma chambers. The exhumed, ~140 Ma, Halfmoon Pluton of Stewart Island, New Zealand is characterized by a sequence of mingled mafic sheets and enclaves preserved within an intermediate-felsic host, and provides a unique opportunity to directly investigate the physico-chemical processes that operate within an arc setting. Interpretation of mingling structures and textures in the field, in combination with extensive petrographic, geochemical and geochronological data, allow for conclusions to be reached regarding the nature of the mafic-felsic magma interactions, and the physical, chemical and thermal processes responsible for the generation and evolution of the calc-alkaline magmas. Detailed documentation and interpretation of mafic-felsic magma mingling structures and textures reveal that the Halfmoon Pluton formed incrementally as the result of episodic replenishments of mafic magma emplaced onto the floor of an aggrading intermediate-felsic magma chamber. Physico-chemical processes identified include fractional crystallization and accumulation of a plagioclase – hornblende – apatite – zircon mineral assemblage, episodic replenishment by hot, wet basaltic magmas, magmatic flow and compaction. Early amphibole and apatite crystallization played an important role in the compositional diversity within the Halfmoon Pluton. Variations in the style of magma mingling preserved within the magmatic “stratigraphy” indicate that processes operating within the chamber varied in space and time. Variations in mineral zoning and composition within hornblende indicate that the Halfmoon Pluton crystallized within a magma in which melt composition fluctuated in response to repeated mafic magma replenishments, fractionation, crystal settling and convection. Mineral assemblages, chemical characteristics, isotopic data and geochronological evidence indicate that the amphibole-rich calc-alkaline Halfmoon Pluton was emplaced into a juvenile arc setting, most probably an island-arc. Data are consistent with a model whereby ‘wet’ amphibole-rich basaltic magmas pond at the crust-mantle interface and episodically rise, inject and mingle with an overlying intermediate-felsic magma chamber that itself represents the fractionated product of the mantle melts.

Ce travail consiste en une étude de déformation portant sur le Nord de l'Islande, en employant la méthode InSAR DIAPASON, sur la période post-rifting (92-02) qui fait suite à l'épisode de rifting majeur de Krafla (75-94). Deux types de signaux ont été identifiés : - un signal local, autour du volcan Krafla, affectant une zone de 10 x 30 km, et marqué par un mouvement essentiellement subsidant de vitesse constante (3 cm. An-1 au maximum). Ce signal posséderait une source peu profonde (entre 6 et 3 km) composée d'une chambre magmatique prolongée au Nord et au Sud par des sills. - un signal régional affectant l'ensemble de la zone étudiée (100 x 10 km) révélé au premier ordre dans les interférogrammes radar par des franges parallèles en direction N20ʿE. Le nombre de franges augmente linéairement avec le temps. Celles ci pourraient correspondre à des vitesses de déplacement avec composante horizontale et verticale, dont les modèles de croûte purement élastique ne peuvent rendre compte
This work consists of a study of North Iceland using the DIAPASON InSAR method over the 1992-2002 post-rifting period which immediately follows the Krafla 1975-1984 major rifting episode. Two types of signal have been identified : - A local signal, around Krafla volcano, affecting a 10 x 30 km area, essentially marked by a vertical subsidence signal at a constant rate (3 cm/y maximum). The signal source appears to be shallow (3 to 6 km depth) and made up of a magma chamber prolonged north and south by sills. - A regional signal affecting the whole of the studied area (100 x 10 km) revealed to the first order by parallel N 20ʿE fringes in the interferograms. The number of fringes increases linearly with time. This signal may represent displacements with both horizontal and vertical components which purely elastic crust models cannot properly account for

The British Tertiary Volcanic Province comprises central volcanic complexes with positive gravity and magnetic anomalies, some centres associated with both large volumes of continental flood basalts and regional dyke swarms. The Lundy Island is the southern most expression of Tertiary volcanism and consists of granite intruded by around 200 dykes and associated with positive gravity and magnetic anomalies. The Lundy Dyke Swarm comprises basalt/dolerite and trachyte to rhyolite intrusions within host Tertiary granite (58.7 ± 1.6 Ma) and Devonian sediments. Outcrops of dykes are confined to coastal exposures on Lundy as they are veneered by peat over most of the island. Dykes present paired magnetic anomaly profiles, which allows their trends tobe determined by proton magnetometry. The dykes have a radial disposition superimposed on a ENE-WSW regional trend. Anisotropy of magnetic susceptibility studies indicate that magma for the radial component was emplaced at shallow to moderate inclinations, suggesting a relatively shallow origin near to the western border of Lundy Island. The regional component was emplaced at shallow to sub-horizontalangles, suggesting lateral movement of magma from a possible source 12 km to the northwest. Geochemical signatures indicate that the Lundy Dyke Swarm was transitional between plume-related magmatism and partial melting of the lithospheric mantle, the magma being stored in several small storage bodies at differing depths in the upper continental crust, rather than in one large magma chamber. Basic dykes at Lee Bay (60 ± 0.6 to 63.1 ± 0.7 Ma) pre-date the Lundy Dyke Swarm and were derived from a discrete magma chamber, possibly near to Morte Point. Conversely, other dykes in North Devon (Fremington dyke - 292.4 ± 1.7 Ma; Horse-Shoe Rocks - 339.6 ± 7.4 Ma) are not directly related to Tertiary magmatism, even though the Horse-Shoe Rocks have a Tertiary palaeomagnetic overprint. The Lundy Igneous Complex (comprising granite, dykes and sub-surface basic rocks) is situated close to the intersection of the Variscan Front and the Welsh Caledonides massif where the continental thickness is between 25 and 27 km. Emplacement of magma was assisted by the heavily fractured nature of the host sediments. However, a large positive gravity anomaly to the northwest of Lundy Island does not have a corresponding magnetic anomaly and so is interpreted as the response to relatively dense uplifted basement in the Lundy Horst rather than a large volume of basic rocks. Thus, the Lundy Igneous Complex probably did not produce sub-aerial volcanic activity, as pressure in the magma chamber would not have exceeded the overlying litho static load, despite the fractured nature of the host rocks.

L’étude des basaltes des îles océaniques (OIB) révèle la complexité du manteau terrestre, dont la composition chimique est hautement variable. Décrypter l’implication des lithologies des roches sources et des processus à l’origine des OIB est complexe car les magmas sont transformés lors de leur ascension jusqu’à la surface. Ceci est particulièrement critique dans le cas des îles Canaries, où la lithosphère est considérée comme particulièrement épaisse (>110 km Fullea et al., 2015). Afin de mieux contraindre la composition chimique des magmas primitifs et les lithologies mantelliques plausiblement impliquées, deux éruptions historiques de l’île de Lanzarote, les éruptions de Timanfaya (1730-1736) et celles de 1824, ont été étudiées. En effet, ces deux éruptions offrent une opportunité unique d’étudier les mécanismes de génération des magmas et leurs compositions dans un contexte où le manteau est hétérogène. L’éruption de historique de Timanfaya (1730-1736) a émis des magmas qui ont évolué de basanites à basaltes alcalins, pour atteindre des compositions tholeitiques à la fin de l’éruption. La dernière éruption de l’île, en 1824, a produit des basanites extrêmement riches en volatils. L’hétérogénéité du manteau est démontrée à l’extrême à Lanzarote où une seule éruption présente une variation de compositions chimiques équivalente à la diversité de celles des OIB dans le monde. L’extrême hétérogénéité est systématique pour les compositions des roches totales et des téphras à l’échelle d’une éruption, mais est encore amplifiée à l’échelle du minéral et des inclusions magmatiques contenus dans un même échantillon de téphra.Les concentrations des éléments traces et leurs rapports dans l’olivine (e.g. Ni, Mn et Ca) sont de précieux marqueurs des lithologies mantelliques à l’origine des magmas. En effet, les rapports Ni x (FeO/MgO), corrigé du fractionnement, et Fe/Mn sont des indicateurs de lithologies avec ou sans olivines. Il est considéré qu’ils peuvent montrer, dans la plupart des cas, l’ajout d’un liquide magmatique dérivé d’une pyroxénite dans les magmas primaires. La mesure des compositions des éléments traces des olivines des éruptions de 1730-1736 et de 1824 montrent les implications variables de plusieurs lithologies mantelliques au cours du temps. Lors de la fusion d’une lithologie ne contenant pas d’olivines, comme la pyroxénite, de hautes teneurs en Ni et de faibles teneurs en Mn et Ca sont attendues. Les basanites de Lanzarote présentent les plus grandes variations géochimiques, couvrant le champ compositionnel des olivines des MORB et des OIB du monde entier, tandis que les produits plus tardifs, c’est-à-dire les basaltes alcalins et les tholéites, ont des teneurs typiques de liquides magmatiques dérivés de pyroxénites. Les teneurs en forstérite (Fo) des olivines diminuent systématiquement avec le temps durant l’éruption de 1730-1736 et la proportion de liquide primaire saturé en silice augmente dans les mélanges de magmas primitifs avec le temps. A la fin de l’éruption, les magmas tholéitiques cristallisent des olivines dont la teneur en Fo est faible, alors que les concentrations en Mn et Ca augmentent simultanément avec le rapport Ca/Al pour des rapports Fe/Mn et Ni x (FeO/MgO) relativement constants. Ces observations sont expliquées par une augmentation de la fusion par décompression à température légèrement plus faible. D’autre part, les basanites de l’éruption de 1824 possèdent les olivines ayant les teneurs en Fo les plus élevées, et des teneurs en éléments traces dépassant la variabilité des basanites de l’éruption de Timanfaya. Le fait que les basanites de Lanzarote contiennent des olivines dont les compositions en éléments traces recouvrant le champ des MORB et des liquides pyroxènitiques est expliqué par la fusion d’une source contenant des lithologies hétérogènes, induite par un flux de CO2, générant ainsi des magmas aux compositions diverses. (...)
The study of oceanic island basalts (OIB) reveals the complexity of the mantle, which composition is highly variable. Deciphering the source lithologies and processes involved in the OIB formation is challenging since the magmas are transformed on their way to the surface. This is especially critical at Canary Islands where the lithosphere is thought to be remarkably thick (>110 km Fullea et al., 2015). In order to better constrain the composition of primitive magmas and the plausible mantle lithologies involved, two historical eruptions recorded at Lanzarote island, Timanfaya 1730-1736 and 1824 eruptions have been investigated. Indeed, these two eruptions offer a unique opportunity to investigate the mechanisms of magma generation and composition in the context of mantle heterogeneity. The Timanfaya, 1730-1736 historical eruption emitted magmas that evolved from basanites through alkali basalts, finally reaching tholeiitic compositions at the end of the eruption. In 1824 the last eruption on the island produced extremely volatile-rich basanite. The heterogeneity of the mantle is demonstrated to the extreme in Lanzarote where a single eruption exhibits compositional variations similar to the span of the OIB worldwide. The extreme heterogeneity is systematic from whole rock lava and tephra at eruption scale but amplified at mineral and melt inclusion scale within a single tephra sample of the eruption.The use of trace element concentrations and ratios of olivine (e.g. Ni, Mn, and Ca) are valuable indicators of the mantle source lithology, namely, the fractionation-corrected Ni x (FeO/MgO) and Fe/Mn as probes of olivine absent or present lithologies, often taken as pyroxenite-derived component in mixtures of primary melts. The measured trace element concentrations in olivine from the 1730-1736 and 1824 eruptions reveal variable mantle lithologies involved in the magma generation with time. Higher Ni and lower Mn and Ca contents are expected when melting Ol-free source, such as pyroxenite lithologies. The basanites exhibit the largest variation covering the range of olivine in MORB and OIB worldwide whereas later produced alkali-basalts and tholeites have values typically expected from pyroxenite derived melts. The Fo content decreases systematically with time during the 1730-36 eruption and the proportion of silica-saturated primary melt increased in the parental magma mixture with time. At the end of the eruption, tholeiite magmas crystallized olivine with lower Fo content, whereas those concentrations of Mn and Ca increased together with Ca/Al at relatively uniform Ni x (FeO/MgO) and Fe/Mn, all of which is readily explained by increased decompression melting at slightly lower temperature. The basanite from the eruption that took place in 1824 has olivine with the highest Fo content and trace element variability expanding the range of the Timanfaya basanite. The fact that Lanzarote basanites contain olivine with trace element systematic spanning that of MORB and pyroxenite melt is explained by CO2-flux melting of a lithologically heterogeneous source, generating the diverse compositions. In addition, early reactive porous flow through the depleted oceanic lithosphere and equilibration with harzburgite restite caused Ni depletion of the earliest percolating pyroxenite melt from which olivine crystallized and probably leaving dunite channels. After the channel formation mantle nodules could be brought to the surface. The fact that olivine compositions and basanite magma were reproduced approximately a century later may reflect episodic carbonatic fluxing in the slowly uprising Canarian mantle plume. (...)

Cone-sheet swarms are magmatic sheet intrusions and part of volcanic plumbing systems and are pathways for magma to the Earth’s surface, where they feed volcanic eruptions. The analysis of cone-sheets provides information on the geometry of the magmatic plumbing system of a volcano and allows to understand processes and dynamics of magma transport. This is important to interpret information during a volcanic crisis and to help reduce risks to humans and infrastructure. In order to create a realistic model, the structure and shape of cone-sheet complexes can be reconstructed in three-dimensional space. Most cone-sheet swarms are not sufficiently exposed to allow such a reconstruction. The Tejeda cone-sheet swarm on Gran Canaria (Canary Islands, Spain), however, is an excellent location to study a cone-sheet complex in great detail, as it is exposed over 15 kmhorizontally and 1000 m vertically. This allows to determine its geometry in 3D space. The felsic deposits of the Miocene Tejeda caldera were intruded by cone-sheets between 11.7 and 7.3 Ma. Schirnick et al. (1999) assumed straight cone-sheets, based on 2D projections, and suggested that the Tejeda cone-sheet swarm is formed by a stack of uniformly dipping, parallel intrusive sheets that converge towards a common, static, laccolith-like source, forming a concentric structure around acentral axis that has the geometry of a truncated cone. This hypothesis was tested in this study, using structural data from Schirnick (1996) as well as additional data collected in the field. Using the software Move™, the extensive data set was visualized and projected in three dimensional space. The underlying magmatic source of the cone-sheets was reconstructed using two different approaches, with the first one based on sets of cross-sections to select intersection points, following an approach prognosed by Burchardt et al. (2013a). To improve the quality of the reconstruction of the magma chamber, a second method was developed using geometric calculations in MATLAB. The results indicate that individual cone-sheets are straight with parallel to slightly fanning dips, which can be steeper in the central part of the cone-sheet complex. They converge towards a common centre, creating a sub-spherical geometry of the source of the cone-sheet complex. Comparison of the two approaches used for the magma chamber reconstruction indicate that the second approach (geometric calculations) produces less uncertainties in data interpretation. The modelling results lead to the proposition of a dynamic model for the emplacement of the Tejeda cone-sheet complex. Cone-sheets would start to intrude from a reservoir situated at about 4500m below sea level that became successively shallower with time.
Inverterade koniska intrusionssvärmar är en del av det underjordiska vulkaniska systemet som möjliggör vägar för magma till jordens yta, där de livnär vulkaniska utbrott. Genom analys av inverterade koniska intrusioner kan information om geometrin hos magmatiska system erhållas vilket gör det möjligt att förstå magmans processer och transportdynamik. Detta är viktigt då det hjälper att tolka information under vulkaniska kriser och kan bidra till att minska risker för människor och infrastruktur. För att skapa en realistisk modell, kan strukturer och former av komplexa inverterade koniska intrusionssvärmar rekonstrueras i ett tredimensionellt utrymme. De flesta inverterade koniska intrusionssvärmar är inte tillräckligt blottade på jordens yta för att möjliggöra en sådan rekonstruktion.Tejedas inverterade koniska intrusionssvärm på Gran Canaria (Kanarieöarna, Spanien) är dock utmärktbelägen för att studera ett inverterat koniskt intrusionskomplex i detalj, detta då den är blottad i över 15 km horisontell och 1000 m i vertikal utsträckning. Detta gör det möjligt att bestämma dess geometrii tre dimensioner. De felsiska avlagringarna av den Miocena Tejeda kalderan blev intruderade av inverterade koniskaintrusioner mellan 11,7 och 7,3 Ma. Schirnick et al. (1999) antog att dessa intrusioner var raka, baseratpå 2D-projektioner, och föreslog att Tejedas inverterade koniska intrusionssvärm bildades som enlikformigt stupande stapel av parallella intruderande plan som konvergerar mot en gemensam, statiskoch lakkolitisk källa, vilken i sin tur bildar en koncentrisk struktur runt en central axel med samma geometri som en inverterad stympad kon. Denna hypotes undersöktes i detta arbete, med hjälp avstrukturell data från Schirnick (1996) samt ytterligare data insamlat från fält. Den omfattande datamängden visualiserades och projicerades i tre dimensioner med hjälp av mjukvaran Move™. Denunderliggande magmatiska källan till det inverterade koniska intrusionskomplexet rekonstruerades medhjälp av två olika metoder, den första är baserad på tvärsnitt där planens skärningspunkter kan studeras, följt av ett tillvägagångssätt framställt av Burchardt et al. (2013a). För att förbättra kvalitén pårekonstruktionen av magmakammaren utvecklades en andra metod med hjälp av geometriskaberäkningar i MATLAB. Resultaten tyder på att enskilda inverterade koniska intrusioner är raka med parallellt till svagt flacktstupning, vilka kan vara brantare mot den centrala delen av komplexet. De konvergerar mot ettgemensamt centrum, vilket skapar en sub-sfärisk geometri hos källan till det inverterade koniskaintrusionskomplexet. Jämförelse av de två metoderna som används för magmakammarens rekonstruktion tyder på att denandra metoden (geometriska beräkningar) ger färre osäkerheter i tolkningen. Modelleringsresultatettyder på en dynamisk modell för bildningen av Tejedas inverterade koniska intrusionskomplex. Enligtdessa resultat skulle de inverterade koniska intrusionerna till en början ha utgått från en reservoarungefär 4500 m under havsytan som med tiden förflyttade sig mot grundare nivåer.

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

Par le biais d'analyses précises des déséquilibres radioactifs des séries de l'uranium, permises par des améliorations effectuées aussi bien au niveau de l'acquisition des données par spectrométrie de masse qu'au niveau de la qualité de la chimie, deux grandes questions ont été abordées et des réponses au sujet des périodes de glaciation en Islande et la pétrogenèse des laves Andines ont été proposées.
Deux méthodes ont été utilisées pour permettre la datation de coulées de laves de la péninsule de Reykjanes et de l'île d'Heimaey, en Islande, directement en rapport avec les périodes de déglaciation ou de réchauffement autour de la dernière période glaciaire. Une méthode originale basée sur l'utilisation des veines de ségrégation présentes dans les coulées de laves a été mise au point. Cet objet géologique particulier permet de s'affranchir des xénocristaux lors de l'application de la méthode de l'isochrone interne dans le système 238U-230Th, du fait même de son mode de formation. Grâce à cette méthode et à son utilisation sur une coulée de lave de la région de Reykjanes et une coulée au nord de l'île d'Heimaey des contraintes sont apportées à la fois sur la géologie quaternaire de la région de Reykjavik et sur l'âge de la fin de la glaciation de Würm sur l'île d'Heimaey. En parallèle, l'homogénéité des laves historiques et holocènes de la péninsule de Reykjanes, en ce qui concerne les rapports (230Th/232Th) et Th/U, a permis de dériver dans le temps le rapport (230Th/232Th) pour déterminer l'âge de coulées datant de la période glaciaire. Ainsi il a été confirmé que l'excursion magnétique enregistrée dans la coulée de Skálamælifell est très probablement la même que celle de Laschamp-Olby et qu'à cette époque (environ 48.000 ans) le glacier, recouvrait la péninsule de Reykjanes. Par cette même méthode l'étendue du glacier a également été contrainte par la datation d'un bouclier de picrite aux environs de 22.000 ans, âge, pourtant en pleine glaciation, où la péninsule devait être libre de toute chape de glace.
Dans un deuxième temps, la pétrogenèse des laves de l'arc Andin a été contrainte dans le temps et l'espace. Des excès quasiment systématiques de 226Ra par rapport à 230Th dans les laves des zones volcaniques australes, sud et nord des Andes (AVZ, SVZ et NVZ) nous renseignent sur le temps de remontée des magmas après leur formation qui est nécessairement rapide (moins de 8.000 ans pour conserver ces déséquilibres). Un lien a également pu être fait entre l'activité éruptive et les excès de 238U (et dans une moindre mesure 226Ra) par rapport à 230Th. Cette observation suggère que les volcans les plus actifs (Villarrica et Llaima pour la SVZ) sont ceux dont la source est la plus enrichie en fluides, provenant de la plaque subduite et des sédiments qui la couvrent, lors de la fusion partielle du coin de manteau et que les déséquilibres nous renseignent sur le contexte géodynamique à l'échelle régionale. Enfin l'étude plus fine de volcans particuliers (Nevado de Longavi (SVZ) et Guagua Pichincha (NVZ)), suggère que les déséquilibres radioactifs des séries de l'uranium enregistrent l'évolution d'un volcan. Ainsi l'histoire complexe du Nevado de Longavi peut être appréhendée par cette approche et les signaux particuliers de ce volcan peuvent être traduits en terme de variation de fusion partielle de la source, cristallisation fractionnée ou contamination crustale. Dans le cas du Guagua Pichincha c'est la source du volcanisme adakitique qui pourra être discutée grâce à l'étude des excès de 238U et 226Ra par rapport à 230Th et un modèle de formation d'adakites par fusion partielle du coin de manteau hydraté puis cristallisation de grenat à haute pression sera proposé.

This work focuses on crustal interaction in magmatic systems, drawing on experimental petrology and elemental and isotope geochemistry. Various magma-chamber processes such as magma-mixing, fractional crystallisation and magma-crust interaction are explored throughout the papers comprising the thesis. Emphasis is placed on gaining insights into the extent of crustal contamination in ocean island magmas from the Canary Islands and the processes of magma-crust interaction observed both in nature and in experiments. This research underscores that the compositions of ocean island magmas, even primitive types which are classically used as probes of the mantle, are susceptible to modification by crustal contamination. The principal mechanisms of contamination identified from work on both Tenerife and Gran Canaria (Canary Islands) are assimilation and partial melting of the pre-existing island edifice and intercalated sediments by newly arriving magma (i.e. “island recycling”). The information that we can gain from studying solidified magma and entrained crustal xenoliths concerning the rates and mechanisms of crustal assimilation is, however, limited. To address this shortcoming, a series of time-variable crustal carbonate assimilation experiments were carried out at magmatic pressure and temperature using natural materials from Merapi volcano, Indonesia. A temporally constrained reaction series of carbonate assimilation in magma has hence been constructed. The experiments were analysed using in-situ techniques to observe the progressive textural, elemental, and isotopic evolution of magma-carbonate interaction. Crucially, carbonate assimilation was found to liberate voluminous crustally-derived CO2 on a timescale of only seconds to minutes in the experiments. This points to the role of rapid crustal degassing in volcanic volatile budgets, and, pertinently, in magnifying hazardous volcanic behaviour. This thesis, therefore, delivers detailed insights into the processes of magma-crust interaction from experiments and geochemistry. The outcomes confirm that crustal processes are significant factors in both, i) ocean island magma genesis, and ii) magma differentiation towards compositions with greater explosive potential which can, in turn, manifest as hazardous volcanism.
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Dans le secteur de taxco-zihuatanejo (Mexique méridional) affleurent six séquences volcano-sédimentaires et/ou volcano-plutoniques d'arc datées du jurassique supérieur au crétacé inferieur qui se sont accrétées au craton nord-américain à la fin du crétacé inférieur. La séquence de taxco-taxco viejo comprend des andésites, des dacites et des rhyolites calco-alcalines inter stratifiées dans une sédimentation exclusivement détritique. Elle est affectée par un métamorphisme syncinématique de basse température (221-276c). Cette formation représente vraisemblablement le témoin d'un arc insulaire édifié sur un substratum continental. La séquence de teloloapan comprend des pillow lavas basiques surmontes en concordance par des dépôts volanoclastiques à lentilles de calcaires récifaux de l'aptien et des calcaires récifaux de aptien-albien. Elle est affectée par deux métamorphismes de bas degré: (i) hydrothermal océanique et (ii) syn-cinématique. Le volcanisme comprend surtout des basaltes et des andésites calco-alcalins avec de rares roches acides (andésites et rhyolites tholeiitiques). Comparées aux séries calco-alcalines d'arc intra-océanique les basaltes et andésites sont enrichis en hfse et lree. Les basaltes et andésites présentent des différences géochimiques et un nd compris entre 4,6-1,6. Cette séquence s'est développée dans un environnement d'arc insulaire intra-océanique. La séquence plutono-volcanique d'arcelia comprend un ensemble plutonique qui repose en klippe sur des basaltes en coussins recoupes par des filons basiques. La sédimentation est soit micritique au sein de la pile volcanique soit pelitique à radiolaires au sommet et datée de l'albien-cénomanien. Laves et filons sont affectés par un métamorphisme statique et hydrothermal prehnite-pumpellyite. Les roches basiques d'arcelia y compris les rhyolites montrent des affinités de tholeiite typique d'arc insulaire intra-océanique (nd compris entre +8 et +6). La séquence de huetamo représente le comblement d'un bassin fortement subsident qui se développe entre des îles volcaniques appartenant à un environnement d'arc insulaire. La séquence volcano-sédimentaire de zihuatanejo alocenomanienne est composée de pyroclastites et de laves calco-alcalines déjà différenciées, associées à des calcaires récifaux et/ou des couches rouges continentales. Le complexe de subduction de las ollas comprend des blocs de roches basiques et ultrabasiques enchâssés dans une matrice de serpentine ou de flysch. Ces blocs sont affectés par un métamorphisme hp-bt. Les roches basiques montrent des affinités de tholeiites d'arc, appauvries en terres rares légères. Leurs caractères géochimiques communs suggèrent qu'elles représentent des fragments dissociés d'une croûte supérieure d'un arc insulaire intra-océanique, formée aux tous premiers stades de l'activité de l'arc. Les affinites magmatiques des séries d'arc mésozoïques du Guerrero terrane sont très diversifiées à la fois d'une séquence à l'autre et à l'intérieur d'une même séquence. Cependant, deux ensembles peuvent être reconnus: (i) des tholeiites d'arc appauvries à légèrement enrichies en lree, composées exclusivement de basaltes et de leurs filons nourriciers et présentés a arcelia et las ollas. Quelle que soit la séquence, des cumulats ultrabasiques et basiques sont tectoniquement associés aux laves. Leur source mantellique appauvrie (nd compris entre +8 et +5. 5) est du type lherzolite a spinelles ; (ii) des séries calco-alcalines enrichies ou appauvries en hfs. Les roches basiques prédominent dans la série calco-alcaline enrichie en hfs (famille i), représentée par les basaltes et les andésites de l'aptien-albien de teloloapan et qui dérivent d'une source enrichie de type lherzolite à grenat. La série appauvrie en hfs (nd compris entre +9 et +7,5) est représentée par les andésites de zihuatanejo et les galets de l'aptien-albien de huetamo (famille ii) et qui dérive d'une source mantellique appauvrie, identique à celle des tholeiites mais avec des taux de fusion partielle moins élevés. Enfin la famille iii regroupe les laves de taxco et présente des caractères intermédiaires entre les familles i et ii. Ainsi, les séquences magmatiques orogéniques du Guerrero terrane reflètent la complexité de cet arc ou de ces arcs qui, néanmoins, ont fonctionné pratiquement en même temps

Malgré l’homogénéité isotopique des laves de La Réunion, une certaine diversité des produits est observée sur les deux principaux volcans de l’île, le Piton des Neiges et le Piton de la Fournaise, d’un point de vue pétrographique et chimique. En effet, si la majorité des laves émises sont des basaltes transitionnels dont l’évolution est principalement contrôlée par la précipitation et/ou l’accumulation d’olivine, certaines laves plus ou moins anciennes montrent des caractéristiques pétrologiques et géochimiques particulières, qui témoignent de conditions magmatiques variées et de systèmes de stockage et transfert relativement complexes. C’est le cas des « Basaltes Porphyriques à Plagioclase », des basaltes des cônes excentriques dits « adventifs » et de ceux du cratère Hudson (éruption de 1998), sur lesquels portent les travaux de cette thèse. L’étude pétro-géochimique des laves est couplée à celle des inclusions magmatiques des minéraux, naturellement vitreuses ou homogénéisées par chauffage expérimental, afin de caractériser l’origine des magmas et les processus responsables de leur évolution, en contexte de point chaud océanique. Les rapports d’éléments en traces incompatibles des inclusions magmatiques piégées dans les olivines précoces (Fo > 85) des cônes adventifs sont utilisés pour identifier la nature de la source du panache mantellique de La Réunion. Les résultats suggèrent que les magmas des cônes adventifs ont une origine chimiquement comparable à celle de l’ensemble des laves réunionnaises, intermédiaire entre un domaine mantellique relativement primitif et un domaine légèrement appauvri, presque non-affecté par les processus de recyclage. De faibles degrés de fusion partielle de cette source génèrent les concentrations enrichies en éléments en traces des inclusions magmatiques. Les Basaltes Porphyriques à Plagioclases, pouvant contenir jusqu’à 35 % de plagioclases millimétriques, ont été émis sur les deux volcans. Les compositions des inclusions magmatiques des macrocristaux de plagioclase (An 84.2-71.7 ) et les observations texturales des cristaux mettent en évidence leur caractère hérité. Les magmas parentaux des cristaux évoluent essentiellement par cristallisation de clinopyroxène et de plagioclase. Les contrastes de densité entre les phases permettent la ségrégation des plagioclases par flottaison, et leur accumulation au toit de la chambre. Les Basaltes Porphyriques à Plagioclase sont formés par la remobilisation de ces zones d’accumulation riches en plagioclase lors de l’arrivée d’un nouveau magma. Les périodes très spécifiques d’éruption de ces basaltes correspondraient à une diminution du flux magmatique dans la croissance des volcans, favorisant la cristallisation de plagioclase. Les textures des laves des cônes adventifs et du cratère Hudson, ainsi que les inclusions magmatiques des olivines de ces laves témoignent d’une histoire complexe des cristaux, et de l’importance des processus de recyclage dans le système d’alimentation magmatique du Piton de la Fournaise. Les olivines sont nettement plus magnésiennes (Fo > 85) que celles des laves historiques. Les compositions chimiques des laves montrent que la majeure partie correspond à des basaltes légèrement alcalins, appelés « Mid-Alkaline Basalts », qui sont appauvris en CaO mais enrichis en éléments compatibles et incompatibles. Les compositions isotopiques et en éléments en traces leurs suggèrent une origine commune avec celle des laves historiques, bien que le taux de fusion partielle à l’origine des « Mid-Alkaline Basalts » soit plus faible. Un fractionnement profond de clinopyroxène et de plagioclase expliquerait leur formation. L’ensemble de ces résultats suggère que du magma d’origine profonde peut remonter directement, sans passer par le système central du volcan
Despite the isotopic homogeneity of the La Réunion lavas, a petrographic and chemical diversity is observed in the products of the two main volcanoes of the island, le Piton des Neiges and le Piton de la Fournaise. Although the majority of the lavas are transitional basalts which are mainly controlled by olivine fractionation and/or accumulation, some relatively old lavas show petrological and geochemical characteristics that reflect various and relatively complex magmatic conditions, as well as storage and plumbing systems. This is for instance the case of the Plagioclase Ultraphyric-Basalts, basalts from the eccentric ‘adventive’ cones and from the Hudson crater (1998 eruption), on which this works deals with. The petro-geochemical study of the lavas is coupled with the investigation of naturally vitreous or experimentally quenched mineral-hosted melt inclusions, in order to characterize the origin of the magmas and their evolution processes in an oceanic hotspot context. The incompatible trace element ratios of the melt inclusions trapped within early-formed olivine crystals (Fo > 85) from the adventive cones are used to identify the nature of the La Réunion mantle plume source. The results suggest that magmas of the adventive cones originate from chemical source comparable to that of all the La Réunion lavas. This source is intermediate between a primitive-like mantle domain and a depleted one, almost unaffected by recycling processes. Small degrees of melting of this source can explain the enriched trace element concentrations of the melt inclusions. Plagioclase-bearing ultraphyric basalts, which can have up to 35 % millimetre-sized plagioclase crystals, were erupted during some stages of building of the two volcanoes. The compositions of the melt inclusions hosted in the plagioclase macrocrystals (An 84.2-71.7 ) and textural observations of the crystals highlight their inherited character. The parental melts of the crystals mainly evolve by clinopyroxene and plagioclase crystallization. Density contrasts between the phases allow plagioclase segregation by flotation and their accumulation at the top of the chamber. The Plagioclase Ultraphyric-Basalts are derived from the remobilization of this plagioclase-rich accumulation zones, upon input of a new batch of magma. The specific eruption periods of these basalts would correspond to decreases in the magma supply, which promoted plagioclase crystallization. Lava textures of the adventive cones and Hudson crater and their olivine-hosted melt inclusions reflect a complex history of the crystals, and the role of recycling processes in the magma feeding system of the Piton de la Fournaise volcano. The olivine crystals are clearly more magnesian (Fo > 85) than those found in the historical lava ones. The chemical compositions of the lavas show that they correspond for the most part to slightly alkaline basalts, called “Mid-Alkaline Basalts”, which are depleted in CaO and enriched in compatible and incompatible elements. Isotopic and trace element compositions suggest that they have a common origin with the historical lavas, but partial melting degrees are lower for the “Mid-Alkaline Basalts”. Clinopyroxene and plagioclase deep fractionation would explain their formation. All the results suggest that the ascent of deep-seated magma clearly could bypass the central volcanic system

Evolution de l'ile de la reunion, exemple de volcanisme intraplaque, plus particulierement du piton de la fournaise ou au cours des 500 000 dernieres annees, la tectonique d'effondrement a ete sub-continue et s'est manifestee par des caldeiras. Leur migration marque un deplacement des reservoirs dans l'edifice. Le glissement du grand brule semble sub-contemporain de la phase d'effondrement de l'enclos. L'activite recente est concentree sur le cone central a sa base et le long des rifts zones. Les transferts de magma entre les zones profondes et le reservoir superficiel ne sont pas continus. Les donnees de surveillance, depuis 1980 permettent de caracteriser les phenomenes precurseurs des eruptions et les mecanismes des intrusions et de la fracturation. Les consequences volcanotectoniques des deformations remanentes associees aux intrusions frequentes dans la zone centrale sont etudiees en terme de prevision et de l'evolution du volcan a moyen terme

Les régions caraïbes et nordandines comportent, au crétacé, des séries magmatiques basiques, volcaniques ou ophiolitiques. L'étude petrologique analytique (majeurs, traces, terres rares, microsonde) de quelques séries du Costa Rica, de Colombie et d'Équateur, a permis leur identification magmatique et dynamique. La comparaison des laves à certaines séries volcaniques océaniques actuelles a conduit à une réinterprétation magmatique et géodynamique globale. Au Costa Rica, la péninsule de Santa Elena est formée d'une large nappe ophiolitique tholeiitique avec péridotites, cumulats gabbroiques et dolerites diverses (n-morb). Les iles Murcielago sont couvertes de ferrobasaltes t-morb. Santa Elena représente un témoin de croute océanique crétacée mis en place vers 70 ma et Murcielago un lambeau de plateau océanique soudé à l'Amérique centrale. La Colombie offre, au crétacé, et du nord au sud de la cordillère occidentale, un large éventail de formations océaniques: la série du Boqueron de Toyo, à volcanisme basaltique et intrusions diorito-tonalitiques (92 ma) témoigne du fonctionnement d'un arc insulaire immature. La série d'Altamira, a cumulats gabbroiques et basaltes primitifs illustre l'ouverture vers 80 ma d'un bassin en arrière de l'arc précédent. Le massif de Bolivar, correspond, avec ses cumulats tholeiitiques (i ou iia), a la croute océanique. La coupe de Buenaventura a Buga, avec ses nappes empilées riches en sédiments océaniques et en basaltes de type t-morb évoque des terrains constitués en plateau océanique et accrétés à la marge sud-américaine. En Équateur, le crétacé supérieur de la cordillère occidentale offre une situation analogue: des lambeaux de croute océanique sont dispersés le long d'une grande suture ophiolitique oblitérée par l'arc volcanique de Macuchi. La série de la Quebrada San Juan est l'équivalent de celle de Bolivar. Les basaltes (t-morb) du Grupo Pinon de la cote correspondent aussi à du matériel de plateau océanique accrété au bâti sud-américain

Volcanic arcs are the primary seat of subaerial volcanism and where continental crust is created. Since the advent of plate tectonics theory in the last half century, many of the processes that govern arc magmatism have been described in detail. However, understanding the development and eruption of upper crustal magma reservoirs remains a fundamental challenge. Here we develop and implement new geochemical approaches, and combine our results with those from other disciplines, to explore the location, formation, and eruption of upper crustal magma reservoirs, with the ultimate goal of linking these processes to the underlying process of plate tectonics. Our study area is the central-eastern Aleutian arc, one of the most volcanically active regions on earth, where significant along-strike variability in subduction parameters, magma compositions, and volcanic activity exists. To advance understanding of magma reservoirs, it is essential to hone our tools for gauging magma depth. Melt inclusion analysis is the first in the toolbox for petrologists, but recent studies have raised questions about the accuracy of this approach. Vapor bubbles commonly form in melt inclusions after entrapment. These bubbles may sequester a substantial portion of the total volatile contents of the melt inclusion, which is problematic because depth estimates are based on melt volatile contents. In Chapter 1, we explore vapor bubble growth in melt inclusions by describing the processes, and their timescales, that lead to bubble growth and developing new methods to retrieve accurate depth estimates from melt inclusions. Our new methods have situational strengths. In concert, they enable extraction of reliable depth information, unlocking the true potential of melt inclusions to measure depth. With an improved understanding of melt inclusions, we next investigate eruption run-up. During run-up, crustal-scale magmatic systems can be activated, providing a unique opportunity to peer into their structure. In Chapter 2, our goal is to study eruption run-up and determine how magmas are stored in the months, days, and hours leading to volcanic eruption. As a case study, we investigate the 1999 eruption of Shishaldin volcano, of interest because the run-up was months, an unusually long duration, and, despite 43 million cubic meters of tephra ejected in the eruption, no eruption-related deformation was detected in satellite imagery. We develop a new approach for studying run-up that combines diffusion modeling, which gives information on the timing of magmatic processes preceding eruption, with melt inclusion analysis, which gives depth information. Results are combined with those from shear-wave splitting analysis and other geophysical methods. We identify a shallow magmatic system that existed prior to the run-up to the 1999 eruption. A substantial fraction of the magma that was erupted was delivered to the shallow reservoir ~50 days prior to the eruption. More broadly, our results indicate that open-system volcanoes, such as Shishaldin, may commonly have long run-up durations. Our work on run-up demonstrates the strength of the forensic approach for studying magma reservoirs, but it leads us to question what can be understood in real time. One powerful approach for understanding the state and location of magma reservoirs in real time is the study of volcanic gas emissions. However, interpretation of gas data is a major challenge. To improve our ability to use gas data to understand plumbing systems, and to investigate the shallow magmatic plumbing system of an open-vent volcano, we perform a melt inclusion study of the degassing system at Cleveland in Chapter 3. We focus on Cleveland volcano, one of the most active volcanoes in the US. We develop an empirical degassing model based on melt inclusion data. We use the degassing model to interpret gas composition and flux measurements at Cleveland. Our results indicate gas emissions are generated in a shallow, convecting magmatic system, which is consistent with geophysical observations. After detailing plumbing systems at Shishaldin and Cleveland, we investigate global trends in magma storage depth in Chapter 4. Geophysically imaged magma storage depths are mostly ~0-20 km depths. The reason for the dramatic variability is not well known. We compile geophysical estimates of magma storage depth and compare these data to magmatic water contents. The initial water content of magma is thought to exert a key control over magma storage depth because as magmas ascent, they degas water. Concurrently, melt viscosity increases and crystallization may be induced. Both these processes promote slowing of magma ascent. We find a strong correlation between magma storage depth and magmatic water contents at the 24 volcanoes that have estimates for both. A global compilation of magma storage depths at 97 volcanoes has a distinct mode at 6 ±3 km, which coincides very closely with the average depth at which arc magmas become water saturated (6 ±3 km) based on maximum water content estimates from a compilation of 77 volcanoes. Melt inclusions from the eastern-central Aleutians do not show evidence of degassing or diffusive loss of water, indicating that water content is a strong control over magma storage depth. The trend exists globally, despite a large range in potential upper crustal controls (thickness, age, stress state, etc.). In Chapter 5, we move deeper in the arc to understand the underlying processes of subduction and arc magma genesis. Slab depth in the central-eastern Aleutians varies from a near global minimum of 65 km in west (near Seguam) to a more common value of 100 km in the east (near Shishaldin). The cause for this variability is not well known. The thermal structure of the wedge is thought to play a key role in determining where mantle melting occurs, and subduction parameters (slab age, dip, velocity, etc.) exert first order controls on wedge thermal structure. Therefore, subduction parameters are likely to some extent modulate slab depth. However, the mantle-slab coupling depth also has a key influence on the thermal structure of the wedge. Therefore, the coupling depth must also play a role in determining slab depth. A potential third factor is the extent of lateral melt migration in the wedge. In the central-eastern Aleutians, variations in slab depth are reflected in variations in major, trace, and volatile elements. Chemical trends are most consistent with a shallow slab-mantle coupling depth of 50 km throughout the corridor. Results from slab top thermometry suggest that significant lateral variation is unlikely. We speculate that the change in slab depth across the corridor is likely a result of the significant decrease in trench fill sediment thickness moving east.

La série de roche volcanique Thingmúli en Islande est très bien connue comme un exemple classique de liquides issus de cristallisation fractionnée. Dans ce projet deux objectifs ont été fixés. Le premier consiste à tenter de déterminer quelle est l’origine des macrocristaux de plagioclases tandis que le second consiste à déterminer si la cristallisation fractionnée de ces macrocristaux peut produire une variation chimique observable dans les différents types de laves d’un même volcan. La cristallisation fractionnée sera étudiée ici, autant comme un processus chimique qu’un processus physique. Cette étude prend donc en compte la chimie des roches ainsi que la taille des cristaux afin de vérifier et clarifier l’effet de la cristallisation fractionnée. Une analyse au XRF de l’Université de Liège a été réalisée afin d’obtenir la concentration roche-totale de tous les éléments des échantillons. Puis une analyse à la microsonde électronique de l’Université Laval a été faite afin d’obtenir les éléments majeurs des plagioclases. Pour finir, une analyse au LA-ICP-MS a été réalisée à l’Université du Québec À Chicoutimi afin d’obtenir les concentrations des éléments traces des plagioclases des échantillons. Parallèlement à cela, une étude texturale a été réalisée à l’aide des courbes CSD (Crystal Size distribution). Pour répondre au premier objectif, des calculs avec les équations de Namur et al. (2012) et une comparaison des coefficients de partage avec la compilation de données de Bédard (2006) ont été effectués. Il en est ressorti que la plupart des macrocristaux qui composent les roches sont des antécristaux en déséquilibre avec le liquide initial. La plupart de ces liquides ont déjà eu un fractionnement des plagioclases avant l’incorporation d’antécristaux. Pour atteindre le second objectif, un bilan de masse, une modélisation du fractionnement avec l’équation de Rayleigh et une modélisation avec le logiciel Pele ont été réalisés. Suite au bilan de masse, lors du fractionnement, l’effet de la cristallisation des macrocristaux de plagioclases ne semble pas faire une grande différence entre le liquide restant et les roches totales. En effet, l’écart créé n’est pas suffisant (1 à 3 %) par rapport à la réalité observée. La modélisation du fractionnement avec l’équation de Rayleigh a montré que la tendance générale des courbes de fractionnement ne semblait pas être vraiment en accord avec la tendance générale des données roches totales de nos échantillons. Or, si le fractionnement ne suit pas la tendance générale créée par les roches totales, cela signifie que les macrocristaux de plagioclases ne sont pas les seuls responsables de l’évolution chimique du magma. Pour finir, la modélisation avec le logiciel Pele a démontré que la cristallisation des plagioclases se produit majoritairement entre 1200 et 1000 °C, donc que la plupart des plagioclases se retrouvant dans les roches intermédiaires et felsiques (ayant des températures de formation plus froides) se sont formés lors de la formation des basaltes. Donc les macrocristaux de plagioclases ne peuvent pas à eux seuls expliquer l’évolution et la variation chimique de la suite magmatique. Cela implique que le fractionnement simultané de plusieurs phases minérales (plagioclases, clinopyroxènes, magnétites…) ainsi qu’un apport extérieur de matière semble être à l’origine de la différentiation du magma de la suite volcanique de Thingmúli. D’après l’étude texturale, il semblerait que lors de la création des basaltes, il y a eu un premier mélange de magma créant les ruptures de pente sur les CSD ayant les plagioclases les plus matures. Puis, avant l’éruption des rhyolites, il y aurait eu mélange d’un autre magma leur apportant de nouveaux antécristaux.

The origin of silicic magma in basalt-dominated oceanic settings is fundamental to our understanding of magmatic processes and formation of the earliest continental crust. Particularly significant is magma-crust interaction that can modify the composition of magma and the dynamics of volcanism. This thesis investigates silicic magma genesis on different scales in two ocean island settings. First, volcanic products from a series of voluminous Neogene silicic centres in northeast Iceland are investigated using rock and mineral geochemistry, U-Pb geochronology, and oxygen isotope analysis. Second, interfacial processes of magma-crust interaction are investigated using geochemistry and 3D X-ray computed microtomography on crustal xenoliths from the 2011-12 El Hierro eruption, Canary Islands. The results from northeast Iceland constrain a rapid outburst of silicic magmatism driven by a flare of the Iceland plume and/or by formation of a new rift zone, causing large volume injection of basaltic magma into hydrated basaltic crust. This promoted crustal recycling by partial melting of the hydrothermally altered Icelandic crust, thereby producing mixed-origin silicic melt pockets that reflect the heterogeneous nature of the crustal protolith with respect to oxygen isotopes. In particular, a previously unrecognised high-δ18O end-member on Iceland was documented, which implies potentially complex multi-component assimilation histories for magmas ascending through the Icelandic crust. Common geochemical traits between Icelandic and Hadean zircon populations strengthen the concept of Iceland as an analogue for early Earth, implying that crustal recycling in emergent rifts was pivotal in generating Earth’s earliest continental silicic crust. Crustal xenoliths from the El Hierro 2011-2012 eruption underline the role of partial melting and assimilation of pre-island sedimentary layers in the early shield-building phase of ocean islands. This phenomenon may contribute to the formation of evolved magmas, and importantly, the release of volatiles from the xenoliths may be sufficient to increase the volatile load of the magma and temporarily alter the character and intensity of an eruption. This thesis sheds new light on the generation of silicic magma in basalt-dominated oceanic settings and emphasises the relevance of magma-crust interaction for magma evolution, silicic crust formation, and eruption style from early Earth to present.