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N° d"Ordre : D.U. 2460

Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II

(U.F.R. Sciences et Technologies)

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES FONDAMENTALES

N° 789

THESE

Présentée pour obtenir le grade de

DOCTEUR D"UNIVERSITE

Spécialité : Géochimie - Volcanologie

Par

Gabrielle MENARD

Diplômée d"Etudes Approfondies

Comportement des éléments traces au cours des processus de dégazage. Etude des volcans Piton de la Fournaise (Réunion) et Lascar (Chili) Soutenue publiquement le 27 mai 2014 devant la commission d"examen composée de : Patrick Allard Directeur de recherche, IPGP , Paris Rapporteur Alain Bernard Professeur, LGM, Bruxelles Rapporteur Séverine Moune Physicien adjoint, OPGC, Clermont-Ferrand Directrice de thèse Christian Pin Directeur de recherche, LMV, Clermont-Ferrand Invité Estelle Rose-Koga Chargé de recherche, LMV, Clermont-Ferrand Directrice de thèse Benoît Villemant Professeur, ISTeP, Paris Examinateur Ivan Vlastélic Chargé de recherche, LMV, Clermont-Ferrand Directeur de thèse 3

Abstract

This study is aimed at better understanding the behavior of trace elements - and notably those of light elements such as Li and B - during magma degassing processes. For this purpose, we used a geochemical approach based on the analysis of fresh lavas and volcanic aerosols from Piton de la Fournaise (Réunion) and Lascar (Chile) volcanoes, respectively. Firstly, this thesis work focused on the role of gas transfers in triggering major eruptions and the time scales involved. Trace element analyses of recent lavas (1998-2008) of Piton de la Fournaise reveal anomalous abundances of volatile elements (e.g., Li, Cu, B, Tl, Bi, Cd) a few days prior to the April 2007 summit collapse. The kinetic (diffusive) fractionation of elements accounts for the observed anomalies. The short time-scales required to fractionate Li from Cd diffusively (minutes to hours) and Cd from Bi (few hours to two days) support the idea that the magmas underwent rapid pressure variations a few days before the summit collapse. Secondly, this study concentrated on the quiescent degassing activity of Lascar volcano. Both major gaseous species and trace element enrichment in gas and aerosols collected in the sustained plume over the period 2009 to 2012 suggest the involvement of two main degassing sources with contrasted geochemical signatures: a deep magmatic reservoir and a shallow hydrothermal system. Contributions from these two dominant sources vary with time in response to changes in volcanic activity. This temporal evolution has been shown not only by well-known tracers such as SO

2 and HCl, but also by a trace element both volatile and highly

fluid-mobile such as B. To determine the bulk boron concentration of our samples, we have developed a robust low-blank method based on isotope dilution ICP-MS. Applied to lavas of Piton de la Fournaise, this technique allowed us to quantify the amount of B lost during magma degassing (10-30%) and its dependency on degassing conditions. Applied to aerosols of Lascar, it enabled us to show that B volatility is enhanced during hydrothermal processes (gas-water, gas-rock interactions). Finally, applied to fertile peridotite xenoliths, it led us to establish new constraints on the behavior of B during mantle processes and estimate a primitive mantle B content of 0.26 ± 0.04 ppm.

Discipline: Geochemistry - Volcanology

Keywords: Piton de la Fournaise, Lascar, magmatic degassing, trace elements, lavas, volcanic aerosols, volatility, diffusion. 4 5

Je dédie ce manuscrit à ma mamie

Et mon beau-père

6 7 "Il meurt lentement

Celui qui ne change pas de cap

Lorsqu"il est malheureux

Au travail ou en amour,

Celui qui ne prend pas de risques

Pour réaliser ses rêves,

Celui qui, pas une seule fois dans sa vie,

N"a fui les conseils sensés

Vis maintenant,

Risque-toi aujourd"hui"

Pablo Neruda

8 9

Remerciements

Et voilà ça y est, c"est déjà la fin de ces quatre années de vie clermontoise... Au début, je

dois l"avouer, j"avais un peu peur de quitter ma Bretagne natale pour partir au fin fond de la France, au milieu de nulle part, loin de l"Océan... Aujourd"hui, c"est avec un grand pincement au coeur que je dois de partir. Merci du fond du coeur à toutes les personnes formidables qui

ont participé, de près ou de loin, à mon épanouissement personnel et professionnel, et ont

contribué à ce que je suis aujourd"hui. Je tiens en premier lieu à remercier la Région Auvergne pour avoir financé ce travail de

recherche et à Pierre Schiano pour m"avoir accueilli au sein du Laboratoire Magmas et

Volcans (LMV) pour le réaliser.

J"associe à ces remerciements mon directeur de thèse, Ivan Vlastélic, pour la confiance qu"il m"a accordé en me confiant ce sujet passionnant. Merci de m"avoir guidé, de m"avoir

conseillé, d"avoir été là pour moi quand j"en ai eu besoin, et de m"avoir fait confiance, même

dans les moments où moi j"en ai manqué. J"ai eu beaucoup de plaisir à travailler avec toi que

ce soit en salle blanche ou sur le terrain. J"espère atteindre ta rigueur scientifique et technique.

Merci pour tout Ivan.

Et puis un très grand merci à mes co-directrices de thèse, Estelle Rose-Koga et Séverine Moune, pour leurs nombreux conseils et le temps qu"elles m"ont accordé. Et surtout, merci

Séverine de m"avoir offert la possibilité de réaliser ses deux missions dans le désert

d"Atacama; cette expérience restera gravée dans ma mémoire. Enfin un merci également à mes enseignants de Licence et Master et notamment mes encadrants de stage Arnaud Agranier et Christophe Hémond pour m"avoir transmis leur passion pour la géochimie. J"aimerais aussi remercier tout particulièrement les membres de mon jury de thèse, Patrick Allard, Alain Bernard et Benoit Villemant, de l"honneur qu"ils m"ont fait en acceptant d"évaluer mon travail. Merci pour vos commentaires très constructifs lors de ma soutenance; ils m"ont permis de prendre du recul sur mon travail, sur ma réflexion et également sur moi- même.

Merci également à toutes les autres personnes qui ont permis à cette thèse de voir le jour:

notamment Christian Pin pour ses nombreux conseils quand j"étais au "bore" de la crise de

nerfs et pour sa présence dans mon jury de thèse, Didier Laporte pour avoir intégré ce travail

de thèse à l"ANR DEGAZMAG, Dimitri Ionov qui m"a donné accès à sa très précieuse

collection de xénolites et qui a contribué à mon premier article, Jean-Luc Piro pour les

nombreuses heures passées à l"ICP-MS, Philippe Télouk et Mouhcine Gannoun pour les

analyses MC-ICP-MS, Felipe Aguilera pour m"avoir accueilli au Chili, Martial Bontemps

pour tous ces bons moments partagés sur le terrain... J"aimerais ajouter à cette liste les divers

supports financiers de ce travail et les autres personnes avec qui j"ai eu l"occasion de travailler,

notamment au Chili. Ils sont mentionnés à la fin des différents articles présentés dans ce

manuscrit; si cela vous intéresse je vous invite donc à le lire! Je souhaiterais ensuite remercier tous les membres du LMV, aussi bien les chercheurs, les

ingénieurs et techniciens, les secrétaires, les femmes de ménage, et bien évidemment les

thésards et post-docs, à qui je consacre forcément un paragraphe à part! Merci à tous pour

10

cette bonne ambiance quotidienne, cette atmosphère productive, d"échange scientifique et

convivial.

Ces quatre années n"auraient pas été pareil sans la présence des différents thésards et post-

docs que j"ai pu rencontrer au sein du LMV, en particulier ceux qui ont commencé leur thèse

en même temps que moi, Asmaa, Baptiste, Amélie et Gareth, et les autres avec qui j"ai partagé

l"open-space: Engielle, Oscar, Yannick, Deniz, Camille, Manon, Nina, Elodie, Wu... Et bien

sûr tous les autres... arrivés avant, Lydie et Nico, Célia, Aude, Anne-Sophie, Hanika, Anaïs et

Bikett, Fanny, Kim, Sébastien (qui m"a également supporter sur le terrain!), Yann, Mathieu,

Julia, Aurélien, Noël... ou arrivés après, Julien C. (que je remercie aussi chaleureusement

pour avoir accepté de relire mon manuscrit), Julien B., Pierre, Max, Simon, Corentin, Angélie, Juliette, Marina, Lola, Baptiste, Marine, Giacomo, Zoltan, Sébastien, Marion, Greg. Merci pour tous ces bons moments passés au labo, autour d"une bière, sur un terrain de rugby, en Ardèche, ... Je voudrais aussi remercier mes amis Bretons toujours là malgré la distance grandissante entre nous, merci pour tous les bons moments que l"on partage à chaque fois que je rentre chez maman; et également un grand merci à ceux que j"ai rencontré en Auvergne.

Je tiens aussi à remercier ma famille et surtout ma maman, mes frères et soeurs, mon pépé,

mon parrain et ma marraine, et tous les autres. Merci de m"avoir supporté, merci de m"avoir fait confiance et de m"avoir toujours laissé libre de mes choix. Merci pour tout ce que vous m"apporter, je vous échangerais pour rien au monde ;)

Enfin, merci à toi Matthias qui a partagé ma vie ces deux dernières années. Merci d"avoir

été là et de m"avoir soutenu.

15

Table des matières

Introduction générale 21

Contexte général de l"étude 23 Appréhender les processus de dégazage magmatique via une approche géochimique: Intérêts des éléments traces 26 Objectifs de l"étude, volcans cibles et axes de réflexion 31quotesdbs_dbs2.pdfusesText_2