Les cristaux d’olivine – le minéral vert très répandu dans les laves hawaïennes – enregistrent quand et comment le magma se déplace à l’intérieur des volcans hawaïens avant les éruptions. Les géologues du HVO expliquent qu’ils peuvent utiliser ces cristaux comme des horloges pour mieux comprendre les événements qui ont précédé les éruptions sommitales du Kilauea en décembre 2020 et septembre 2021.
Les laves et leurs minéraux fournissent des indices sur l’histoire des magmas émis pendant les éruptions. Les récentes éruptions sommitales du Kilauea permettent aux scientifiques d’avoir « une fenêtre sur l’intérieur » du volcan et d’en savoir plus sur l’origine de la lave qui a percé le cratère de l’Halema’uma’u, et à quelle vitesse elle s’est déplacée vers la surface.
Les géologues mesurent la chimie des matériaux émis pour connaître la température du magma, pendant combien de temps il a séjourné à l’intérieur du volcan avant l’éruption, et si des magmas différents – plus anciens et plus froids – ont pu se mélanger au magma juvénile.
L’olivine est principalement composée d’éléments magnésium (Mg) et fer (Fe) ainsi que de silice. Le rapport entre Mg et Fe, également connu sous le nom de teneur en forstérite (Fo), peut donner des informations sur le magma dans lequel le cristal s’est développé.
Un taux de Mg plus élevé dans l’olivine (et donc un Fo plus élevé) signifie que les cristaux se sont développés dans des magmas plus chauds et généralement plus profonds. Au contraire, si la teneur en olivine Fo est faible, cela indique que les cristaux se sont développés dans un magma plus froid et généralement moins profond.
Après avoir recherché des cristaux d’olivine dans les matériaux émis par le Kilauea en décembre 2020 et septembre 2021, les scientifiques du HVO ont travaillé avec le laboratoire de microsonde électronique de l’Université d’Hawaï à Manoa pour photographier l’intérieur des cristaux d’olivine.
Ces images montrent que l’olivine récemment émise par le Kilauea peut être zonée, ce qui signifie que les noyaux des cristaux ont un Fo différent de celui de leurs bords. Cela correspond à un zonage normal dans lequel le Fo décroît de l’intérieur du cristal vers l’extérieur.
Le zonage normal des cristaux indique aux géologues qu’ils se sont d’abord développés dans une partie plus profonde et plus chaude du Kilauea, puis que leurs bords se sont développés plus tard après que le magma se soit déplacé vers une région moins profonde et plus froide.
La présence de cristaux zonés est intéressante pour le sommet du Kilauea. En effet, l’olivine du lac de lave qui était active de 2008 à 2018, avant l’effondrement du sommet, était généralement homogène, ce qui signifie qu’elle ne présentait aucun zonage.
Ces changements intervenus dans le Fo de l’olivine sont également intéressants à étudier car ils enregistrent en fait le temps mis par le processus de diffusion. Dans ce processus, les atomes de Mg du noyau d’olivine peuvent diffuser vers les bords au fil du temps pendant que l’olivine se trouve dans un magma chaud. En mesurant le changement de Fo du noyau au bord, puis en appliquant un modèle de ce changement, les géologues peuvent calculer combien de temps les cristaux sont restés au niveau le moins profond, là où les bords se sont développés avant d’entrer en éruption.
Les cristaux d’olivine de l’éruption de 2020 du Kilauea ont présenté des temps de diffusion d’environ 60 jours ou moins. Cela montre que les cristaux, qui à l’origine étaient logés profondément dans le volcan, se sont déplacés vers des régions peu profondes environ 60 jours avant leur éruption.
Environ 60 jours avant l’éruption du Kilauea en décembre 2020, le HVO a détecté fin octobre la première série d’essaims sismiques au cours de la période d’activité qui a conduit à l’éruption. Bien que l’essaim sismique initial se soit produit sous le terrain de camping de Nāmakanipaio, les temps de diffusion des cristaux d’olivine montrent que les séismes étaient peut-être le signe que le magma pénétrait à faible profondeur sous le sommet du Kilauea.
Au cours des prochaines semaines, les cristaux d’olivine de l’éruption du Kilauea qui a commencé le 29 septembre 2021 seront mesurés sur la microsonde électronique de l’Observatoire des Volcans de Californie. Les données seront ensuite modélisées pour calculer les échelles de temps à partir des «horloges» les plus récentes fournies par les cristaux. Cela permettra aux géologues de savoir si le même processus s’est répété cet automne ou si quelque chose de nouveau et de différent s’est produit avant la dernière éruption du Kilauea.
Source : USGS/HVO.

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Olivine crystals – the green mineral common in Hawaiian lavas – record when and where magmas move inside Hawaiian volcanoes before they erupt. HVO geologists explain that theye can use these little crystals like clocks to better understand the magmatic events leading to the December 2020 and September 2021 summit eruptions at Kilauea.

Lavas and their minerals erupted from Hawaiian volcanoes provide clues to the history of the magmas that are eventually erupted. Kilauea’s recent summit eruptions allow scientists to get “a glimpse inside” the volcano and the chance to learn more about where the magma that erupted in Halema‘uma‘u crater came from and how quickly it moved to the surface.

Geologists measure the chemistry of the erupted materials to find out how hot the magma was, how long it stayed inside the volcano prior to erupting at the surface, and how different magmas – older and cooler – might have mixed.

Olivine is primarily made of the elements magnesium (Mg) and iron (Fe) along with silica. The ratio of Mg and Fe, also known as the forsterite (Fo) content, can give information about the magma that the crystal grew in.

Higher Mg in olivine (and therefore higher Fo) means that crystals grew in hotter, and usually deeper, magmas. If the olivine Fo content is low, it tells us that crystals grew in a cooler, and usually shallower, magma.

After searching for olivine crystals in tephra erupted by Kilauea in December 2020 and September 2021, HVO scientists worked with the electron microprobe lab housed at the University of Hawaii at Manoa to take pictures of the insides of the olivine crystals.

These images show that Kilauea’s recently erupted olivine can be zoned, meaning that the cores of the crystals have different Fo than their rims. This corresponds to normal zoning where Fo decreases from the inside of the crystal to the outside.

Normal zoning in these crystals tells geologists that they first grew in a deeper, hotter part of Kilauea and then the rims of the crystals grew later after the magma had moved to a shallower, cooler region.

The presence of zoned crystals is interesting for Kilauea’s summit. Indeed, olivine from the lava lake that was active from 2008–2018, prior to the summit collapse, were typically homogeneous, meaning that they did not have any zoning.

These changes in olivine Fo are also special because they actually record time through a process called diffusion. In this process, Mg atoms from the olivine core can diffuse toward its rim over time while the olivine sits in a hot magma. By measuring the change in Fo from core to rim, and then applying a model of this change, geologists can calculate how long crystals sat at the shallower level where the rims grew before they erupted.

Kilauea’s 2020 olivine crystals have modeled diffusion times of about 60 days or less. This suggests that the crystals, which originally grew deeper in the volcano, moved up to shallow regions about 60 days before they erupted.

Around 60 days before Kilauea’s December 2020 eruption, HVO detected in late October the first set of earthquake swarms during the period of unrest leading to the eruption. Though the initial earthquake swarm occurred under Nāmakanipaio Campground, the modeled olivine crystal diffusion times suggest that the earthquakes could have been a sign that magma was intruding shallowly under Kilauea’s summit.

In the next few weeks, olivine crystals from Kilauea’s eruption that began on September 29th will be measured on the California Volcano Observatory’s electron microprobe. The data will then be modeled to calculate the timescales from these most recent “crystal clocks,” letting geologists know if the same process was repeated this Fall or if something new and different happened prior to the most recent eruption of Kilauea.

Source: USGS / HVO.

Dans ces images de cristaux mises en ligne par le HVO, on peut voir à gauche une vue au microscope de l’olivine émise lors de l’éruption du Mauna Loa en 1852.

Au centre, on a une vue grossie de l’intérieur d’une olivine prélevée pendant l’éruption du Kīlauea en décembre 2020, où les niveaux de gris indiquent l’abondance relative de fer (Fe). Le noyau plus foncé (noir à l’intérieur) de l’olivine est plus élevé en Mg (et donc avec une teneur en Fo plus élevée) que le bord plus clair (gris à l’extérieur). Ce cristal mesure environ 800 microns de diamètre.

À droite, on a une autre image électronique de l’olivine du 29 septembre 2021 qui présente, elle aussi, des changements dans la teneur en Fo entre le noyau et le bord. Ce cristal est plus petit, avec un diamètre de seulement 400 microns.

Images obtenues par la microsonde électronique de l’Université d’Hawaii à Manoa. (Source: HVO)

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Images of olivine from Hawaiian volcanoes:

Left: Green olivine from Mauna Loa’s 1852 eruption, viewed under a microscope.

Middle: Zoomed in image of the inside of an olivine from Kilauea’s December 2020 eruption, where grayscale indicates the relative abundance of iron (Fe). The darker core (black inside) of the olivine is higher in Mg (and a higher Fo content) than the lighter rim (gray outside). This crystal is approximately 800 microns across.

Right: Another electron image of olivine from 29 September 2021 that also has changes in Fo content between the core and rim. This crystal is smaller, only 400 microns across.

Images from the University of Hawai‘i at Mānoa electron microprobe. (Source: HVO)