La géochimie de la lave du Kilauea // The geochemistry of Kilauea’s lava

En 2011, quand j’ai travaillé sur le processus de refroidissement de la lave (voir le résumé de mon étude sous l’entête de ce blog) dans le Parc National des Volcans d’Hawaii, en relation avec le HVO, Jim Kawaikawa, alors en charge de l’Observatoire, m’a expliqué l’importance de l’analyse chimique de la lave dans le contexte de la prévision éruptive. Il m’a d’ailleurs remercié d’avoir publié les résultats concernant les échantillons de lave que j’avais prélevés sur le terrain.  

Chaque nouvelle éruption du Kilauea donne un aperçu de ce qui se passe à l’intérieur du volcan et en particulier du ou des réservoirs magmatiques. La récente éruption sommitale, qui a débuté le 20 décembre 2020, offre au HVO une fenêtre à l’intérieur du volcan et permet de mieux connaître l’origine du magma qui alimente l’éruption.

Pour savoir à quel endroit est stocké le magma et comment il se comporte avant une éruption, les scientifiques analysent la chimie des matériaux émis (minéraux, gaz dissous ou bulles de gaz). Les analyses renseignent sur la température du magma dans la chambre magmatique, le temps pendant lequel il est resté à l’intérieur du volcan avant d’arriver à la surface, et comment différents magmas (anciens ou juvéniles, plus froids ou plus chauds) ont pu se mélanger avant que le volcan entre en éruption.

Un moyen simple de répondre à ces questions est d’examiner la quantité de magnésium (Mg) à l’intérieur de la lave. Les géochimistes utilisent le magnésium (exprimé en MgO, ou oxyde de magnésium) pour déterminer la chaleur d’un magma qui indique le laps de temps mis pour atteindre la surface depuis la source. Des teneurs élevées en MgO indiquent des magmas juvéniles à haute température qui sont arrivés dans le réservoir superficiel du Kilauea peu de temps avant l’éruption. En revanche, des teneurs plus faibles en MgO reflètent des magmas plus anciens et plus froids qui sont restés stockés à l’intérieur du volcan pendant de plus longues périodes.

Les 20 et 21 décembre 2020, donc peu de temps après le début de la dernière éruption, des scientifiques du HVO ont travaillé en collaboration avec le laboratoire de l’Université d’Hawaï à Manoa et sa microsonde électronique pour mesurer le MgO dans la lave nouvellement émise. Elle présente une teneur en MgO d’environ 7% de son poids, ce qui est très proche de la composition du lac de lave au sommet du Kilauea en 2018. [NDLR : L’analyse la lave que j’avais prélevée en 2011 reéléit un taux de MgO équivalant à 7.34%]. Les dernières analyses montrent que l’éruption actuelle n’a pas débuté avec un magma juvénile venant d’entrer dans le réservoir sommital peu profond du Kilauea. L’éruption actuelle a probablement mis e jeu du magma en provenance de la même source superficielle qui a alimenté le lac de lave entre 2008 et 2018.

Les cristaux d’olivine – souvent présents dans les laves hawaïennes – contiennent également beaucoup de magnésium. Dans l’olivine, la teneur en Mg est exprimée en fonction de la teneur en forstérite (Fo), rapport entre la quantité de Mg et la teneur en fer (Fe) [Mg / (Mg + Fe) x100]. [ NDLR : De composition Mg2SiO4, la forstérite est le pôle pur magnésien de l’olivine]. Comme pour les verres, une plus grande teneur en Mg dans l’olivine (par exemple, plus de Fo) signifie que les cristaux se sont développés à partir de magmas plus chauds et plus récents. En revanche, si la teneur en olivine Fo est faible, cela indique que les cristaux se sont développés dans un magma plus froid. Les premiers cristaux d’olivine apparus dans les magmas les plus récents – et donc les plus chauds – sous le Kilauea ont généralement des teneurs en Fo de 88–90.

Sur le Kilauea, les cristaux d’olivine les plus récents, d’un diamètre d’environ 0,5 mm en général, ont des valeurs de Fo relativement faibles, autour de 82. Cela signifie que les cristaux se sont développés dans des magmas relativement froids stockés à faible profondeur, à quelques kilomètres sous la surface. Les cristaux sont également chimiquement homogènes, ce qui signifie qu’il n’y a pas de variations de la teneur en Fo entre leur centre et leur surface. Cela montre que le mélange entre les magmas plus chauds (avec une teneur en MgO élevée) et les magmas plus froids (avec moins de MgO) n’a pas eu lieu récemment au sommet du Kilauea.

D’une manière plus globale, la présence de verres à faible teneur en MgO et d’olivine homogène à faible teneur en Fo indique que du magma juvénile à haute température n’a pas été émis. Au lieu de cela, on a affaire à du magma plus ancien et plus froid. Il s’agit probablement d’un reste de magma de l’éruption de 2018 qui a maintenant atteint le sommet du Kilauea.

Source : USGS / HVO.

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In 2011, when I worked on the lava cooling process (see the summary of my study under the heading of this blog) in Hawaii Volcanoes National Park, in relation with HVO, Jim Kawaikawa, then in charge of the Observatory, explained to me the importance of the chemical analysis of the lava in the context of eruptive prediction. He also thanked me for posting the results of the lava samples I had collected in the field.

Each new eruption at Kilauea provides a glimpse into what is happening inside the volcano and its magma reservoirs. The recent summit eruption, which began on December 20th, 2020, provides HVO with a window  inside the volcano and allows to learn more about where the magma supplying the eruption is coming from.

To know about where magma is stored and how it moves prior to an eruption, geologists can measure the chemistry of erupted materials such as minerals, and dissolved gases or gas bubbles. The chemistry can tell them a lot about how hot the magma was at depth, how long it sat inside the volcano prior to arriving at the surface, and how different magmas (old vs. fresh, cooler vs. hotter) might have mixed together before erupting.

A simple way to start investigating is to look at how much magnesium (Mg) the lava contains.

Geochemists use Mg (expressed as MgO, or magnesium oxide) to determine how hot a magma is, which indicates how recently it arrived at Kilauea from its source. Higher MgO contents indicate “fresh” hot magmas entering Kilauea’s shallow reservoir shortly prior to eruption, whereas lower MgO contents reflect “older” and colder magmas that have been stored within the volcano for longer periods of time.

Shortly after the first tephra erupted on December 20th and 21st, 2020, HVO scientists worked with the electron microprobe lab housed at the University of Hawaii at Manoa to measure MgO in the new lavas. These have glass MgO contents of approximately 7 weight percent, which is very similar to the composition of Kilauea’s previous lava lake in 2018. This indicates that the current eruption did not begin with “fresh” hot magma entering Kilauea’s shallow summit reservoir. Instead, the eruption is likely drawing magma from the same shallow source that fed the 2008–2018 lava lake.

Olivine crystals – commonly found in Hawaiian lavas – also have a lot of Mg. In olivine, the abundance of Mg is expressed as the forsterite content (Fo), which is a ratio of how much Mg there is compared to the iron (Fe) content [Mg/(Mg+Fe)x100]. Similar to the glasses, higher Mg in olivine (for example, higher Fo) means that the crystals grew from hotter, fresher magmas. If the olivine Fo content is low, it tells scientists that the crystals grew in a cooler magma. The first olivine crystals to grow in the freshest, hottest magmas rising beneath Kilauea typically have Fo contents of 88–90.

Kilauea’s newest olivine crystals, which are typically about 0.5 mm in diameter, have relatively low Fo values of 82. This suggests that the crystals grew in relatively cool magmas stored at shallow depths, a few kilometres below the ground surface. The crystals are also chemically homogeneous, meaning that there are no changes in Fo content from the middle to the rim. This shows that mixing between hotter (higher MgO) and colder (lower MgO) magmas has not occurred recently at Kilauea’s summit.

Together, the low-MgO glasses and homogeneous, low-Fo olivine indicate that hot, fresh magma has not been erupted. Instead, these compositions reveal that older, “cooler” magma, possibly the left-over magma from 2018 eruption, is being emitted now at Kilauea’s summit.

Source: USGS / HVO.

Vue au microscope, le 26 décembre 2020, d’un échantillon de lave émise lors de la dernière éruption, avec cheveux et larmes de Pele.

Zoom sur l’image électronique de cette lave, où les niveaux de gris indiquent la teneur relative en fer. On aperçoit de très petits cristaux de clinopyroxène et de plagioclase à côté des vésicules.

Autre image électronique de la lave qui contient de petits cristaux d’olivine ainsi que des spinelles.

(Source : Université d’Hawaii à Manoa, USGS / HVO).

Complexité du basalte des arcs volcaniques // Complexity of basalt in volcanic arcs

drapeau-francaisLes dernières recherches effectuées par des chercheurs de l’Université de Washington et publiées en juin 2016 dans les Proceedings of the National Academy of Sciences au sujet des volcans d’arc montrent qu’ils n’émettent pas à cent pour cent de la lave en provenance du manteau. En effet, cette dernière contient également des éléments qui laissent supposer que le processus de subduction fait entrer en jeu certains matériaux retirés à la plaque de la croûte terrestre pendant qu’elle s’enfonce dans les profondeurs.
Les géologues ont longtemps pensé que le basalte provenait du manteau. Toutefois, la nouvelle étude utilise une analyse chimique détaillée pour démontrer que, dans le cadre des volcans d’arc, le magnésium du basalte – qui représente environ 40% du manteau, mais est rare dans la croûte – ne ressemble pas à celui du manteau et montre une importante contribution de la croûte. Alors que les basaltes du plancher océanique sont uniformes dans le type de magnésium qu’ils contiennent, il n’en va pas de même pour les volcans d’arc.
L’étude a utilisé des échantillons de roches prélevés sur un volcan inactif de la Martinique, région où la plaque océanique s’enfonce lentement sous la plaque continentale. Les chercheurs ont choisi d’étudier un volcan des Caraïbes parce que le fleuve Amazone fait se déposer une énorme quantité de sédiments sur le plancher océanique. Les scientifiques voulaient savoir quelle quantité de sédiments de surface, riches en carbone, était entraînée dans les profondeurs de la Terre, et quelle quantité était extirpée de la plaque descendante avant de réapparaître dans l’atmosphère de la planète.
L’analyse des atomes de magnésium présents dans le basalte émis montre qu’ils ne proviennent pas du manteau, ni des sédiments organiques entraînés pendant la subduction, mais directement de la croûte océanique pendant cette même subduction. Malgré tout, ce basalte volcanique ne contient pas tous les composants de la croûte. La majeure partie montre la composition du manteau; la seule différence concerne le magnésium. Il se pourrait que dans les grandes profondeurs, l’eau riche en magnésium s’échappe par compression de la roche qui compose la croûte terrestre. Au moment du déplacement du fluide, la roche qui l’entoure joue le rôle de filtre Brita qui retient le magnésium, transférant ainsi les particules de magnésium de la croûte vers le manteau juste en dessous de la zone de subduction. La plupart des scientifiques pensent que les matériaux de la croûte ou du manteau interviennent sous forme solide. Dans le cas présent, il se peut que le magnésium ait été ajouté par un fluide.
Les fluides semblent intervenir dans l’activité sismique au niveau des zones de subduction, et si l’on connaît mieux la façon dont ces fluides se déplacent dans les profondeurs de la Terre on comprendra certainement mieux les processus tels que le volcanisme et la sismicité profonde. A cet effet, d’autres études seront effectuées sur des roches basaltiques de la Chaîne des Cascades et sur d’autres volcans d’arc pour analyser la composition de leur magnésium.
Source: Université de Washington.

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drapeau-anglaisNew University of Washington research published in June 2016 in the Proceedings of the National Academy of Sciences about arc volcanoes shows that they are not just emitting molten rock from the mantle. The emitted lava also contains elements that suggest something more complicated is drawing material out of the descending plate of Earth’s crust.

Geologists have long believed that basalt originates in the mantle. However, the new study uses detailed chemical analysis to find that the basalt’s magnesium, which makes up about 40 percent of the mantle but is rare in the crust, does not look like that of the mantle, and shows a surprisingly large contribution from the crust.  While the ocean-floor basalts are uniform in the type of magnesium they contain, the one found in arc volcanoes is not.

The study used rock samples from an inactive volcano on the Caribbean island of Martinique, a region where the ocean plate is slowly subducting, beneath the continental plate. Researchers chose to study a volcano in the Caribbean partly because the Amazon River carries so much sediment from the rainforest to the seabed. Scientists wanted to learn how much of the carbon-rich sediment from the surface gets carried deep in the Earth, and how much gets scraped off from the descending plate and reemerges into the planet’s atmosphere.

Analyzing the weight of magnesium atoms in the erupted basalt shows that they came not from the mantle, nor from the organic sediment scraped off during the slide, but directly from the descending oceanic crust. Yet the volcanic basalt lacks other components of the crust. The majority of the other ingredients are still like the mantle; the only difference is the magnesium. The reason might be that at great depths, magnesium-rich water is squeezed from the rock that makes up Earth’s crust. As the fluid travels, the surrounding rock acts like a Brita filter that picks up the magnesium, transferring magnesium particles from the crust to the mantle just below the subduction zone. Most people think you add either crustal or mantle materials as a solid. Here the magnesium may have been added by a fluid.

Fluids seem to play a role in seismic activity at subduction zones, and having more clues to how those fluids travel deep in the Earth could help better understand processes such as volcanism and deep earthquakes. For this purpose, more studies will be performed on basalt rocks from the Cascade Range and other arc volcanoes to analyze their magnesium composition.

Source: University of Washington.

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Illustration du processus de subduction dans le volcanisme d’arc (Source: USGS)