Magmatic volatiles as tracers of volcanic activity at the surface and at depth

Studies of magmatic volatiles in volcanic systems have improved our understanding of magmatic evolution at depth, hydrothermal processes in the crust and degassing at the surface. In this thesis, I present three studies that investigate magmatic volatiles at three volcanic centers that range in size and style of activity. Stable carbon isotopes of soil gases collected at Long Valley caldera, California, reveal that CO2 gas emitted at the surface represents a mixture of atmospheric, biogenic and magmatic-hydrothermal sources of carbon. Magmatic-hydrothermal gases reach the surface along permeable fractures and faults that have formed due to an interplay between regional deformation and caldera resurgence. Carbon, oxygen, hydrogen and helium stable isotopes from fumarole samples at Cerro Negro volcano, Nicaragua, reveal that such faults, under the influence of regional extension, may provide conduits for ascent of gas from the mantle with minimal crustal interaction. Because of these efficient transport networks, changes in the stable isotope compositions of volcanic gases, in both space and time, may be used to monitor the degassing state of magmas at depth and detect potential recharge events. I have developed a methodology for a portable cavity ring-down spectrometer that can be used to characterize surface degassing, monitor changes in the isotopic composition of the gas in near-real time and increase warning times prior to an eruption at volcanic systems with very calm repose periods. These instruments are of great benefit at systems such as Cerro Negro and Hekla in Iceland, where high volatile contents in magmas drive explosive activity with little to no warning time prior to eruption. At Hekla volcano, I show that longer repose intervals lead to more evolved magmas with higher dissolved volatile contents. The magma chamber at depth may be stratified in composition and volatile content, with the most evolved and most volatile-rich material located at or near the top of the magma chamber. As a result, the initial eruptive phase of explosive eruptions at Hekla is dominated by explosive ejection of tephra. Due to a wide range in water contents and low carbon dioxide concentrations in the melt, only a single magma chamber at ~7 km depth can be proposed. Nevertheless, movement and storage of magmas at greater depths are likely; however, such magma plumbing is not recorded in the melt inclusions due to various degrees of volatile undersaturation.L'étude des éléments volatils dans les systèmes volcaniques contribue à une meilleure compréhension de l'évolution des magmas en profondeur, des procédés hydrothermaux dans la croûte et du dégazage en surface. Dans cette thèse, je présente trois études se penchant sur les éléments volatils à trois centres volcaniques de différentes tailles et différents styles d'activité. Les isotopes stables du carbone mesurés dans des échantillons de gaz du sol à la caldeira de Long Valley, en Californie, révèlent que le CO2 émis à la surface représente un mélange de carbone atmosphérique, biogénique et magmatique-hydrothermal. Les gaz magmatiques-hydrothermaux atteignent la surface le long de fractures et failles perméables qui sont issues de l'interaction entre la déformation régionale et la résurgence de la caldeira. Les isotopes de carbone, oxygène, deutérium et hélium d'échantillons de fumeroles au volcan Cerro Negro, au Nicaragua, démontrent que de telles failles, sous l'influence d'une extension régionale, peuvent servir de conduits pour le transport de gaz depuis le manteau, et ce, avec peu d'interaction avec la croûte. Grâce à ces réseaux de transport efficaces, les changements de compositions isotopiques des gaz volcaniques, dans l'espace et le temps, peuvent être utilisés pour surveiller le dégazage magmatique profond et détecter d'éventuelles réalimentations du système. J'ai développé une méthodologie pour l'application de terrain d'un spectromètre de cavité résonante pour surveiller le dégazage superficiel et les changements de composition isotopique des gaz en temps quasi-réel afin d'augmenter le délai d'avertissement avant les éruptions aux systèmes volcaniques caractérisés par des périodes de repos très calmes. De tels instruments offrent de grands avantages pour la surveillance de volcans tels que le Cerro Negro ou l'Hekla, en Islande, où des concentrations magmatiques élevées en volatils propulsent une activité explosive laissant que très peu de délai d'avertissement. À l'Hekla, je démontre que de plus longues périodes d'accalmie mènent à l'éruption de magmas plus évolués, plus riches en volatils dissouts. La chambre magmatique en profondeur est stratifiée, de sorte que le matériel plus évolué et plus riche en volatil est situé près du toit de la chambre. En conséquence, la phase initiale des éruptions explosives de l'Hekla produit d'abondants dépôts de tephra. Étant donné une grande variation de la teneur en eau et une faible concentration de CO2 dans le liquide magmatique, l'existence d'une chambre magmatique située à ~7 km de profondeur est proposée. Néanmoins, le transport et le stockage de magmas à de plus grandes profondeurs sont probables, bien que cette partie de l'architecture magmatique ne soit pas préservée par les inclusions vitreuses dû à des concentrations en volatils sous le niveau de saturation

Phase petrology reveals shallow magma storage prior to large explosive silicic eruptions at Hekla volcano, Iceland

Understanding the conditions that culminate in explosive eruptions of silicic magma is of great importance for volcanic hazard assessment and crisis mitigation. However, geological records of active volcanoes typically show a wide range of eruptive behavior and magnitude, which can vary dramatically for individual eruptive centers. In order to evaluate possible future scenarios of eruption precursors, magmatic system variables for different eruption types need to be constrained. Here we use petrological experiments and microanalysis of crystals to clarify the P–T–x state under which rhyodacitic melts accumulated prior to the H3 eruption; the largest Holocene Plinian eruption of Hekla volcano in Iceland. Cobalt-buffered, H2O-saturated phase equilibrium experiments reproduce the natural H3 pumice phenocryst assemblage (pl > fa + cpx > ilm + mt > ap + zrc) and glass chemistry, at View the MathML source850±15°C and PH2O of 130 to 175 MPa, implying shallow crustal magma storage between 5 and 6.6 km. The systematics of FeO and anorthite (CaAl2Si2O8) content in plagioclase reveal that thermal gradients were more important than compositional mixing or mingling within this magma reservoir. As these petrological findings indicate magma storage much shallower than is currently thought of Hekla's mafic system, we use the constrained storage depth in combination with deformation modeling to forecast permissible surface uplift patterns that could stem from pre-eruptive magma intrusion. Using forward modeling of surface deformation above various magma storage architectures, we show that vertical surface displacements caused by silicic magma accumulation at ∼6 km depth would be narrower than those observed in recent mafic events, which are fed from a lower crustal storage zone. Our results show how petrological reconstruction of magmatic system variables can help link signs of pre-eruptive geophysical unrest to magmatic processes occurring in reservoirs at shallow depths. This will enhance our abilities to couple deformation measurements (e.g. InSAR and GPS) to petrological studies to better constrain potential precursors to volcanic eruptions