Pétrologie, géochronologie (K-Ar) et géochimie élémentaire et isotopique (Sr, Nd, Hf, Pb) de laves anciennes de la Réunion : Implications sur la construction de l’édifice volcanique

The volcanic system of La Reunion is made of the coalescent Piton des Neiges and Piton de la Fournaise edifices. Its formation, associated with the activity of a mantle plume, is characterized by phases of submarine and subaerial growth, followed by a period of destruction, as described in the classical model proposed for Hawaiian Island volcanoes. Previous studies showed that the subaerial activity of La Reunion would have started around 2.2 Ma ago. Geochemical analyses carried out on the products associated with subaerial and submarine volcanism revealed their transitional chemical nature and their peculiar homogeneous isotopic compositions (87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd et 176Hf/177Hf) for a hotspot derived magmatism. In this study, we show that some unusual submarine lavas were recently identified below the basal series of Piton de la Fournaise volcano (dredged on the North-East Rift Zone of la Fournaise) and below the subaerial lavas outcropping at the base of the differentiated series of Rivière des Remparts, indicate that the evolution of La Reunion system is probably more complex than previously suggested. The question of the nature and origin of these lavas, together with their implication on the formation of La Reunion, is an issue of major interest in order to better constrain the global evolution of the volcanic system. As a consequence, new petrological, geochemical and geochronological investigations were conducted on the submarine part of La Reunion edifice. They revealed the existence of a geochemically exceptional group of lavas. Its composition is clearly different from common samples of La Reunion and presents (1) an enrichment in incompatible elements and (2) tends toward an enriched EM endmember. These chemical specificities reveal that the source of La Reunion magmatic products is (1) an heterogeneous source affected by (2) variable melting degrees. Moreover, two samples of this new group dated at 3.77 (0,08) and 3.34 (0,07) Ma extend considerably the period of activity of the island. These rocks are the oldest samples ever dated at La Reunion. The nature and stratigraphical location of subaerial and submarine samples from Piton des Neiges and Piton de la Fournaise imply a new interpretation of the global evolution of the island. Unlike previous studies, our results indicate that :(1) The differentiated subaerial lavas from Rivière des Remparts, due to their stratigraphical and geographical location underlying Piton de la Fournaise, and by analogy with the Piton des Neiges, cannot be linked to the activity of Piton de la Fournaise. (2) The isotope signature of the submarine lava group from the North-East Rift Zone of Piton de la Fournaise, reveals the heterogeneous character of the mantle source under La Reunion Island, that can be modelled as embedded eclogite in a matrix of spinel lherzolite, (3) The age of this submarine group and its location under the eastern flank of Piton de la Fournaise, imply a more complex model of evolution of La Reunion. Therefore, our geochemical and geochronological data are new arguments suggesting the existence of a third volcanic center on the island. This assumption confirms the previous petrological and geophysical evidence supporting the existence of this volcano at the East of La Reunion, commonly called Les Alizés volcano.Le système volcanique de La Réunion est formé de la coalescence des massifs du Piton des Neiges et du Piton de la Fournaise. Son édification, liée à l’activité d’un panache mantellique, est caractérisée par une phase de croissance sous-marine, puis subaérienne, suivie d’une période de dégénérescence, comme proposé classiquement pour les volcans boucliers océaniques d’Hawaii. De précédentes études ont montré que l’activité subaérienne de La Réunion aurait débuté il y a environ 2,2 Ma. Les analyses géochimiques menées jusqu’alors sur les produits associés à cette activité volcanique (subaérienne et sous-marine) ont montré un caractère chimique transitionnel avec une composition isotopique (87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd et 176Hf/177Hf) particulièrement homogène pour un volcanisme de point chaud. Dans cette étude, nous montrons que des laves sous-marines récemment identifiées sous la série basique du Piton de la Fournaise (au sein de la sur Rift Zone Nord-Est) ainsi que des laves subaériennes affleurant à la base de canyons incisés dans le massif (Série Différenciée de la Rivière des Remparts), présentent des caractéristiques ne s’inscrivant pas dans le modèle d’évolution proposé précédemment pour ce volcan. Se pose donc la question de la nature et de l’origine de ces laves, ainsi que de leur place et appartenance dans l’édification du système volcanique réunionnais. De nouvelles investigations pétro-géochimiques et géochronologiques ont été menées sur la partie sous-marine de l’édifice de La Réunion. Elles révèlent l’existence d’un groupe de laves exceptionnel. Leur composition se distingue clairement de celle des échantillons communément analysés à La Réunion et montre (1) un enrichissement en éléments incompatibles couplé isotopiquement à (2) un rapprochement vers un pôle mantellique enrichi de type EM. Ces particularités géochimiques démontrent que le panache mantellique possède (1) une source hétérogène affectée par (2) des taux de fusion variables. De plus, deux échantillons de ce nouveau groupe datés à 3,77 (0,08) et à 3,34 (0,07) Ma étendent considérablement la période d’activité connue de l’édifice. Ces âges remarquables font de ces laves les plus anciennes jamais datées à La Réunion. La nature géochimique ainsi que la position stratigraphique des laves de cette étude (échantillons subaériens et sous-marins des massifs du Piton des Neiges et du Piton de la Fournaise) impliquent une réinterprétation du schéma d’évolution global de l’île. Contrairement aux études précédentes, nos résultats sur ces laves montrent que : (1) Les laves différenciées de la Rivière des Remparts, qui sont des laves subaériennes, de part leur position stratigraphique et géographique sous-jacente au Piton de la Fournaise et par analogie avec le Piton des Neiges, ne peuvent être reliées à l’activité de la Fournaise, (2) Le signal isotopique du groupe de laves sous-marines de la Rift Zone Nord-Est de la Fournaise, révèlent l’hétérogénéité de la source du panache mantellique sous La Réunion, source que nous identifions comme des enclaves d’éclogite contenues dans une lherzolite à spinelle, (3) L’âge plus ancien de ces laves sous-marines et leur localisation sous le flanc Est de la Fournaise remet en questions le schéma jusqu’alors admis pour l’édification de l’île de La Réunion reposant sur la construction du Piton des Neiges puis celle, adjacente, du Piton de la Fournaise. En conséquence, nos données géochimiques et géochronologiques sont de nouveaux arguments en faveur de l’élaboration d’un modèle d’évolution plus complexe, suggérant l’existence d’un troisième massif volcanique. Il est en accord avec les précédents travaux de pétrologie et de géophysique suggérant l’existence d’un troisième édifice à l’Est de La Réunion, communément appelé le Volcan des Alizés

Petrology, geochronology (K-Ar) and elemental and isotopic geochemistry (Sr, Nd, Hf, Pb) of older lavas of Reunion : Implications for the construction of the volcanic edifice

Le système volcanique de La Réunion est formé de la coalescence des massifs du Piton des Neiges et du Piton de la Fournaise. Son édification, liée à l’activité d’un panache mantellique, est caractérisée par une phase de croissance sous-marine, puis subaérienne, suivie d’une période de dégénérescence, comme proposé classiquement pour les volcans boucliers océaniques d’Hawaii. De précédentes études ont montré que l’activité subaérienne de La Réunion aurait débuté il y a environ 2,2 Ma. Les analyses géochimiques menées jusqu’alors sur les produits associés à cette activité volcanique (subaérienne et sous-marine) ont montré un caractère chimique transitionnel avec une composition isotopique (87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd et 176Hf/177Hf) particulièrement homogène pour un volcanisme de point chaud. Dans cette étude, nous montrons que des laves sous-marines récemment identifiées sous la série basique du Piton de la Fournaise (au sein de la sur Rift Zone Nord-Est) ainsi que des laves subaériennes affleurant à la base de canyons incisés dans le massif (Série Différenciée de la Rivière des Remparts), présentent des caractéristiques ne s’inscrivant pas dans le modèle d’évolution proposé précédemment pour ce volcan. Se pose donc la question de la nature et de l’origine de ces laves, ainsi que de leur place et appartenance dans l’édification du système volcanique réunionnais. De nouvelles investigations pétro-géochimiques et géochronologiques ont été menées sur la partie sous-marine de l’édifice de La Réunion. Elles révèlent l’existence d’un groupe de laves exceptionnel. Leur composition se distingue clairement de celle des échantillons communément analysés à La Réunion et montre (1) un enrichissement en éléments incompatibles couplé isotopiquement à (2) un rapprochement vers un pôle mantellique enrichi de type EM. Ces particularités géochimiques démontrent que le panache mantellique possède (1) une source hétérogène affectée par (2) des taux de fusion variables. De plus, deux échantillons de ce nouveau groupe datés à 3,77 (0,08) et à 3,34 (0,07) Ma étendent considérablement la période d’activité connue de l’édifice. Ces âges remarquables font de ces laves les plus anciennes jamais datées à La Réunion. La nature géochimique ainsi que la position stratigraphique des laves de cette étude (échantillons subaériens et sous-marins des massifs du Piton des Neiges et du Piton de la Fournaise) impliquent une réinterprétation du schéma d’évolution global de l’île. Contrairement aux études précédentes, nos résultats sur ces laves montrent que : (1) Les laves différenciées de la Rivière des Remparts, qui sont des laves subaériennes, de part leur position stratigraphique et géographique sous-jacente au Piton de la Fournaise et par analogie avec le Piton des Neiges, ne peuvent être reliées à l’activité de la Fournaise, (2) Le signal isotopique du groupe de laves sous-marines de la Rift Zone Nord-Est de la Fournaise, révèlent l’hétérogénéité de la source du panache mantellique sous La Réunion, source que nous identifions comme des enclaves d’éclogite contenues dans une lherzolite à spinelle, (3) L’âge plus ancien de ces laves sous-marines et leur localisation sous le flanc Est de la Fournaise remet en questions le schéma jusqu’alors admis pour l’édification de l’île de La Réunion reposant sur la construction du Piton des Neiges puis celle, adjacente, du Piton de la Fournaise. En conséquence, nos données géochimiques et géochronologiques sont de nouveaux arguments en faveur de l’élaboration d’un modèle d’évolution plus complexe, suggérant l’existence d’un troisième massif volcanique. Il est en accord avec les précédents travaux de pétrologie et de géophysique suggérant l’existence d’un troisième édifice à l’Est de La Réunion, communément appelé le Volcan des Alizés.The volcanic system of La Reunion is made of the coalescent Piton des Neiges and Piton de la Fournaise edifices. Its formation, associated with the activity of a mantle plume, is characterized by phases of submarine and subaerial growth, followed by a period of destruction, as described in the classical model proposed for Hawaiian Island volcanoes. Previous studies showed that the subaerial activity of La Reunion would have started around 2.2 Ma ago. Geochemical analyses carried out on the products associated with subaerial and submarine volcanism revealed their transitional chemical nature and their peculiar homogeneous isotopic compositions (87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd et 176Hf/177Hf) for a hotspot derived magmatism. In this study, we show that some unusual submarine lavas were recently identified below the basal series of Piton de la Fournaise volcano (dredged on the North-East Rift Zone of la Fournaise) and below the subaerial lavas outcropping at the base of the differentiated series of Rivière des Remparts, indicate that the evolution of La Reunion system is probably more complex than previously suggested. The question of the nature and origin of these lavas, together with their implication on the formation of La Reunion, is an issue of major interest in order to better constrain the global evolution of the volcanic system. As a consequence, new petrological, geochemical and geochronological investigations were conducted on the submarine part of La Reunion edifice. They revealed the existence of a geochemically exceptional group of lavas. Its composition is clearly different from common samples of La Reunion and presents (1) an enrichment in incompatible elements and (2) tends toward an enriched EM endmember. These chemical specificities reveal that the source of La Reunion magmatic products is (1) an heterogeneous source affected by (2) variable melting degrees. Moreover, two samples of this new group dated at 3.77 (0,08) and 3.34 (0,07) Ma extend considerably the period of activity of the island. These rocks are the oldest samples ever dated at La Reunion. The nature and stratigraphical location of subaerial and submarine samples from Piton des Neiges and Piton de la Fournaise imply a new interpretation of the global evolution of the island. Unlike previous studies, our results indicate that :(1) The differentiated subaerial lavas from Rivière des Remparts, due to their stratigraphical and geographical location underlying Piton de la Fournaise, and by analogy with the Piton des Neiges, cannot be linked to the activity of Piton de la Fournaise. (2) The isotope signature of the submarine lava group from the North-East Rift Zone of Piton de la Fournaise, reveals the heterogeneous character of the mantle source under La Reunion Island, that can be modelled as embedded eclogite in a matrix of spinel lherzolite, (3) The age of this submarine group and its location under the eastern flank of Piton de la Fournaise, imply a more complex model of evolution of La Reunion. Therefore, our geochemical and geochronological data are new arguments suggesting the existence of a third volcanic center on the island. This assumption confirms the previous petrological and geophysical evidence supporting the existence of this volcano at the East of La Reunion, commonly called Les Alizés volcano

Heterogeneity in the mantle source of La Reunion Island

International audienc

Calderas, landslides and paleo-canyons on Piton de la Fournaise volcano (La Réunion Island, Indian Ocean)

International audienceBased upon a re-interpretation of previous data and a new field campaign, a structural evolution is proposed for the early history of Piton de la Fournaise volcano from 500 000 to 50 000 years. Conceptually, it is shown that the formation of a caldera in which lava flows are contained inside the caldera depression, gives time for erosion to excavate deep canyons on the external slopes of the volcano, for example, the Rivière des Remparts, the Rivière Langevin and the Rivière de l'Est canyons on Piton de la Fournaise volcano. These canyons are infilled when lavas, filling the caldera and overflowing its rim, are able again to flow on the external slopes of the volcano. In the past, this excavating/infilling process has occurred twice following the formation of the Rivière des Remparts and Morne Langevin calderas. The formation of the third caldera, the Plaine des Sables caldera, was followed by the excavation of the current canyons. In addition to this process, two large landslides have been documented in the field. The first, which happened about 300 000 years ago, is apparently the first episode of the break up of Piton de la Fournaise volcano, predating the formation of the four large calderas. The second landslide, which occurred 150 000 years ago and is considered to be less extensive, has carried away the entire southern flank of the Rivière des Remparts caldera

Magmatic and phreatomagmatic contributions on the ash-dominated basaltic eruptions: Insights from the April and November–December 2005 paroxysmal events at Karthala volcano, Comoros

International audienceBasaltic eruptions are commonly associated with lava emissions and relatively weak explosive activities, but they can sometimes produce strong explosive eruptive phases. In April and November 2005, two paroxysmal eruptive events occurred within the summit crater of Karthala basaltic shield volcano (Grande Comore Island, Comoros), which hosted a water lake before each of these events. Both 2005 ash plumes spread across the Comoros Archipelago and heavily impacted the whole Grande Comore Island. Associated deposits on the volcano summit are extremely fine-grained (up to 50 wt% of fine ash <63 μm for some analyzed layers) and rich in millimeter-sized rounded accretionary lapilli aggregates. Field observations, as well as textural and chemical analyses performed on both coarse- and fine-grained pyroclasts permit to identify juvenile and non-juvenile components and quantify their peculiar characteristics. Coarse ash (710–1000 μm) mainly consists of juvenile pumice particles (vesicle number density NV = 4.5 104 mm−3 and gas to melt ratio VG/VL = 1.5, on average), characterized by glassy groundmasses and representative of magma portions ascending quickly within the eruptive conduits (up to 10 m s−1). A relatively low amount of juvenile scoria particles are also observed in the coarse ash fractions, which are characterized by magma degassing (NV = 4.7 104 mm−3 and VG/VL = 0.5 on average) and associated crystallization (occurrence of dendritic microlites). Non-juvenile fragments (from blocks to coarse ash) are dense lava or intrusive fragments. Their amount decreases exponentially towards the fine ash fractions, which are mainly composed of juvenile, blocky, dense and glassy particles that are characterized by unambiguous textural signs of brittle fragmentation (hackle lines, stepped features and cracks). We support that Molten Fuel-Coolant Interactions between highly porous fast ascending basaltic magmas and external waters occurred during the paroxysmal phases of the studied eruptions, leading to a brittle-dominant and efficient regime of magma fragmentation. Variable but large amount of fine ash grains through the stratigraphic depth of the deposits can be ascribed to the brittle failure of the vesicle walls of the initial porous magma. Concurrently, thermohydraulic explosions caused the host rock fragmentation at shallow level, generating the relatively coarse non-juvenile particles. A short-lived episode of intense lava fountaining associated with steam explosions eventually occurred at the end of the November 2005 paroxysm, forming the last and relatively coarse tephra layer at the top of the studied eruptive sequence. Each paroxysmal phase lasted about a day as each associated water lake and shallow water table progressively vaporized and dried away. Both eruptions ended with lava pond and weak lava fountaining activities confined within the summit crater. We conclude that the contributions of both magmatic processes and phreatomagmatic interaction mechanisms ultimately generated the grain size, grain component and grain texture variabilities observed within the paroxysmal deposits. This work contributes to a better understanding of the generation of unusual fine ash from basaltic explosions as well as their eruptive dynamics and associated mechanisms, from magma ascent in the conduit to the fragmentation level and the interaction with intra-crateric lake waters