Multi-technique geochronology of intrusive and explosive activity on Piton des Neiges Volcano, Réunion Island

MD was supported by the AuScope NCRIS2 program, Australian Research Council (ARC) Discovery funding scheme (DP160102427) and Curtin Research Fellowship. CP was supported by the company Austral Energy and by the ANRT CIFRE program (agreement n°2017/1175).The construction of ocean island basaltic volcanoes consists of a succession of eruptions, intrusions, and metamorphism. These events are often temporally ill-constrained because the most widely used radiometric dating methods applicable to mafic volcanic rocks (K-Ar or 40Ar/39Ar on whole rock or groundmass) are prone to inaccuracy when applied to slowly-cooled, altered, or vesicular and aphyric products. Here we adopt a multi-technique geochronology approach (including zircon U-Pb, phlogopite 40Ar/39Ar, zircon and apatite (U-Th)/He, and zircon double-dating) to demonstrate its efficacy when applied to basaltic volcanoes. Taking the main volcano of Réunion Island (Piton des Neiges) as a case study, we establish the time of the major plutonic, metamorphic, and explosive events that had resisted previous dating attempts. We document four stages of pluton emplacement and metamorphism at 2200 - 2000 ka, 1414 ± 8 ka, 665 ± 78 ka, and 150 - 110 ka, all coinciding with volcanism revival after quiescent intervals. We also date a major Plinian eruption at 188.2 ± 10.4 ka, coeval with the formation age of a large caldera, and, finally, we constrain the last eruption of Piton des Neiges to 27 ka, revising a previous estimate of 12 ka. By resolving several conundrums of Réunion's geological history, our multi-technique geochronology approach reveals that endogenous growth of a volcanic island proceeds as pulses at the beginning of renewed volcanism. We also demonstrate that cross-checking eruptions ages by diversified dating techniques is important to better assess the timing and recurrence of basaltic volcanic activity, with implications for hazard prediction.Publisher PDFPeer reviewe

Relations entre systèmes intrusifs et instabilités sur un volcan basaltique (Piton des Neiges, La Réunion)

Many basaltic volcanoes have experienced multiple flank destabilization episodes during their evolution. The study of these volcanic edifices has shown that both the internal structure and the intrusive system play a role in the initiation of flank destabilization. Arising from indirect observations, the recent models remain interpretative. On Reunion Island, the exceptional erosion of the Piton des Neiges provides a rare access to the inner structure of the basaltic edifice that is propitious to bridge these gaps.The first part of this manuscript focuses on the plutonic rocks outcropping in Mât River (cirque of Salazie) in order to improve our knowledge of the internal structure of Piton des Neiges. Our multidisciplinary study allows us to reveal the presence of plurikilometric magma chamber under the cirque of Salazie. This chamber would belong to an edifice older to 2.33 Ma located to the NNE from the actual summit of the Piton des Neiges. The magma chamber displays lithological variations from a peridotitic border made of dunite and wehrlite cumulates (Fo81-90) to an internal part more differentiated made of olivine gabbro, gabbro, and ferrogabbro layers (Fo70-79). This compositional variation is associated with a structural variation marked by the absence of visible dynamic structure in the border (implying in situ crystallization) to numerous dynamics structures at the core of the magma chamber (evidencing convection cells).The magma chamber is crosscut by a detachment intruded by tens of basic magmatic intrusions and overlapped by debris avalanche deposits. The second part of this thesis focuses on the detachment’s history and its dynamics. The cataclastic deformation of primary minerals in the plutonic rocks indicates that the detachment acted as a brittle zone. This is followed by a low temperature ductile deformation (< 250 °C) characterized by crystallization of chlorite, pumpellyite, zeolite and calcite in the detachment zone. These results suggest that deformation of basaltic volcanoes proceeds along hydrothermalized detachments rather than by spreading on a large hydrothermal system.At the top of the sill zone, sills are brechified and disseminated in the breccia. The third part of the thesis is to determine the role of these intrusions in the destabilization of volcanoes. The presence of an asymmetric magmatic fabric in the intrusion in contact with the breccia suggests that this sill was emplaced with a normal shear displacement of its hanging wall. This pioneering observation confirms the assumptions made previously about the major implication of sill intrusions in basaltic volcano flank instability.De nombreux volcans basaltiques ont connu de multiples épisodes de déstabilisation tout au long de leur évolution. L’étude de ces édifices volcaniques a démontré l’importance considérable de leur architecture interne et de leur système intrusif dans le déclenchement des déstabilisations. Découlant d’observations indirectes, les modèles élaborés demeurent néanmoins interprétatifs. Sur l’île de La Réunion, l’importante érosion du Piton des Neiges, en rendant accessible sa structure interne, en fait un atout majeur pour combler ces lacunes d'observation.La première partie de cette thèse se concentre sur les roches plutoniques à l’affleurement dans la rivière du Mât (cirque de Salazie) afin d’accroitre les connaissances de la structure interne du Piton des Neiges. Notre étude multidisciplinaire permet de proposer l'existence d'une chambre magmatique plurikilométrique excentrée du sommet actuel du Piton des Neiges. Ce réservoir, situé à l’aplomb du cirque de Salazie, appartiendrait à un édifice plus ancien estimé à plus de 2,33 Ma. La chambre magmatique montre une variation lithologique depuis une bordure péridotitique composée de dunite et wehrlite cumulative (Fo81-90) vers une zone interne plus différenciée, composée de gabbro à olivine, gabbro et ferrogabbro (Fo70-79). Cette variation compositionnelle s'accompagne d'une variation structurale marquée par l'absence de structure dynamique en bordure, traduisant ainsi une cristallisation in situ et par l'existence de nombreuses structures dynamiques témoins de la convection dans le cœur de chambre.Cette chambre magmatique est recoupée par un détachement injecté de plusieurs dizaines d’intrusions basiques et surmonté par une brèche d’avalanche de débris. La deuxième partie de cette thèse s’intéresse à l'histoire de ce détachement et à sa dynamique. La déformation cataclasique des minéraux primaires des roches plutoniques du détachement indique que cette structure s'est développée dans le domaine fragile. Une déformation ductile postérieure de basse température (< 250 °C), caractérisé par une cristallisation de chlorite, de pumpellyite, de zéolite et de calcite s'est ensuite développée dans le détachement. Ces résultats suggèrent que les édifices basaltiques s'effondrent par déformation le long de plans hydrothermalisés plutôt que sur de vastes systèmes hydrothermaux.Au toit de la pile de sills, des intrusions sont brèchifiés et disséminés dans la brèche. La troisième partie de la thèse a pour objectif d'analyser l'impact de ces intrusions sur la stabilité des volcans basaltiques. Nous montrons, par une analyse détaillée du sill au contact avec la brèche, l'existence d’une fabrique magmatique asymétrique révélatrice d’un déplacement co-intrusif de l’unité sus-jacente lors de l'injection magmatique. Cette observation pionnière confirme les hypothèses préalablement formulées sur le rôle majeur des sills dans la déstabilisation des volcans boucliers

The role of internal structure and intrusive system in the initiation of flank destabilization (Piton des Neiges, La Reunion)

L'étude des volcans basaltiques a démontré l'importance de leur architecture interne et de leur système intrusif dans le déclenchement de déstabilisations. Découlant d'observations indirectes, les modèles élaborés demeurent néanmoins interprétatifs. À La Réunion, l'importante érosion du Piton des Neiges, en rendant accessible sa structure interne, en fait un atout majeur pour combler ces lacunes d'observation. Ce travail s'est focalisé sur le cirque de Salazie dans le but d'accroitre les connaissances de la structure interne du volcan. Nous proposons ainsi l'existence d'une chambre magmatique litée plurikilométrique située à l'aplomb du cirque de Salazie qui appartiendrait à un édifice plus ancien estimé à plus de 2 Ma. Cette chambre est recoupée par un détachement injecté de plusieurs dizaines d'intrusions basiques et surmonté par une brèche d'avalanche de débris. La déformation cataclasique des minéraux primaires des roches plutoniques du détachement indique que cette structure s'est développée dans le domaine fragile. Une déformation ductile postérieure de basse température (< 250 °C), caractérisé par une cristallisation de chlorite, pumpellyite, zéolite et de calcite s'est ensuite développée dans le détachement. Au toit de la pile de sills, des intrusions sont brèchifiés et disséminés dans la brèche. Une analyse du sill au contact avec la brèche montre l'existence d'une fabrique magmatique asymétrique révélatrice d'un déplacement co-intrusif de l'unité sus-jacente. Ces résultats suggèrent que les volcans basaltiques s'effondrent par déformation le long de plans hydrothermalisés et confirment le rôle majeur des sills dans la déstabilisation des volcans boucliers.The study of volcanic edifices has shown that both the internal structure and the intrusive system play a role in the initiation of flank destabilization. Arising from indirect observations, the recent models remain interpretative. On Reunion Island, the exceptional erosion of the Piton des Neiges provides a rare access to the inner structure of the basaltic edifice that is propitious to bridge these gaps. Our study focuses on the plutonic rocks outcropping in Mât River (cirque of Salazie) in order to improve our knowledge of the internal structure of Piton des Neiges. Our study allows us to reveal the presence of layered plurikilometric magma chamber under the cirque of Salazie belonging to an edifice older to 2 Ma located to the NNE from the actual summit of the Piton des Neiges. The magma chamber is crosscut by a detachment intruded by tens of basic magmatic intrusions and overlapped by debris avalanche deposits. The cataclastic deformation of primary minerals in the plutonic rocks indicates that the detachment acted as a brittle zone. This is followed by a low temperature ductile deformation (< 250 °C) characterized by crystallization of chlorite, pumpellyite, zeolite and calcite in the detachment zone. At the top of the sill zone, sills are brechified and disseminated in the breccia. The presence of an asymmetric magmatic fabric in the intrusion in contact with the breccia suggests that this sill was emplaced with a normal shear displacement of its hanging wall. These results suggest that deformation of basaltic volcanoes proceeds along hydrothermalized detachments and confirm the major implication of sill intrusions in basaltic volcano flank instability

Structural and paleostress analysis within a fossil slow-spreading ridge: Tectonic processes involved during ocean expansion

International audienceThis study aims to decipher the spatio-temporal chronology of tectonic processes leading to ocean widening at a slow-spreading oceanic ridge axis, involving mantle and gabbro exhumation and volcanism. Structural and petrographic studies of deformed lithologies were performed on peridotites, gabbros and basalts from the Chenaillet ophiolite (Alps, France). Inversion of fault-slip data reveals N030° and N060° σ3 paleostress trends. The dominant N030° extension, is consistent with the NNW-SSE direction of volcano feeder-dykes and ENE dipping low-angle normal faults crosscutting the mantle. The N060° extension accords with the mantle dome structure formation to the east. Low-angle faults intersect roots of volcanoes that thus belong to their hanging walls. Hydrothermalism is contemporaneous with or postdates low-angle faulting. A feeder-dyke major virgation northwards, synchronous with eruptions, suggests a dextral transform fault consistent with a N120° σ2. Oceanic expansion mechanisms are clarified. At the surface, magma eruption occurs along on-axis active high-angle normal faults, their footwalls enabling mantle exhumation. At depth, off-axis high-angle faults become low-angle faults as they spread at shallow level. With westward drift of the lithosphere, the uppermost levels of the ridge shift westward faster, such that volcanoes move to an off-axis position while their roots are cut by low-angle faults