Eruption du Kilauea (Hawaii) : Chimie de la lave // Lava chemistry

L’USGS a publié un article très intéressant sur l’évolution et les changements subis par la lave lors de l’éruption actuelle du Kilauea dans la Lower East Rift Zone  (LERZ).
Lorsque le premier échantillon de lave a été prélevé dans la LERZ  le 3 mai 2018, le laboratoire de géochimie de l’Université d’Hawaii a travaillé avec le HVO pour conclure en quelques heures que la lave provenait du magma déjà stocké sous la zone de rift. La lave de la LERZ était beaucoup plus froide (environ 1090 ° C) et plus «évoluée» que la lave d’une température de 1140°C émise par le Pu’uO’o au cours des 35 dernières années. Même si cette découverte ne fut pas vraiment une surprise, c’était la première fois qu’elle était documentée lors d’une éruption.
Il y eu tout de même une surprise: La Fracture n° 17 – la seule à ne pas être dans l’alignement des autres – a émis la lave avec la plus basse température et la plus chimiquement évoluée jamais observée sur le Kilauea. Sa température atteignait seulement 1030°C.
Les éruptions précédentes dans la LERZ du Kilauea ont montré une évolution semblable: Le magma évolué a été émis en premier, suivi un peu plus tard par un magma à plus basse température. La lave émise dans la LERZ au début de l’éruption dans les Leilani Estates est semblable à la première lave émise lors de l’éruption de 1955 dans la même région.
La découverte de magma évolué stocké dans zones basses du Kilauea n’est guère surprenante. En effet, au cours des événements passés, tout le magma n’a pas atteint la surface. Ce magma stocké a évolué avec le temps. Comme le Kilauea est très volumineux, il peut s’écouler des décennies avant que le magma ne revienne dans une région donnée. Pendant ce laps de temps, le magma stocké refroidit, développe des cristaux et change lentement de composition. Quand une nouvelle intrusion se fraye un chemin sous l’édifice volcanique et atteint la surface, elle peut rencontrer un ou plusieurs de ces corps magmatiques du passé. Le magma d’intrusion peut repousser et / ou se mélanger avec le magma déjà stocké et qui est encore liquide.
Alors que l’éruption dans la LERZ se poursuivait, les échantillons prélevés le 11 mai 2018 ont montré que la composition de la lave avait évolué vers un magma légèrement plus chaud (1105°C) et moins évolué. Peu de temps après, les éruptions au niveau de la Fracture n° 20 ont produit des coulées de lave a’a qui se sont déversées dans l’océan.
Au cours des 12 jours suivants, les analyses chimiques ont révélé une lave progressivement plus chaude et moins évoluée, jusqu’à ce qu’elle se stabilise à des températures de 1130-1140°C. L’arrivée de cette lave plus chaude a précédé l’éruption spectaculaire de la Fracture n° 8.
Cette nouvelle lave comprend des cristaux d’olivine abondants et visibles, dont certains ressemblent aux cristaux d’olivine présents dans le magma au sommet du Kilauea avant le début de l’activité éruptive dans la LERZ. La composition de la lave qui s’écoule en ce moment ne correspond pas exactement à celle émise récemment par le Pu’uO’o ou le sommet, mais elle lui ressemble beaucoup. Ceci est à mettre en parallèle avec les observations géophysiques selon lesquelles le volume de l’effondrement sommital présente une ampleur identique au volume de lave émis par l’éruption dans la LERZ.
Source: USGS / HVO.

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USGS has released a very interesting article about the evolution and the changes undergone by lava during the current Kilauea eruption in the Lower East Rift Zone (LERZ).

When the first LERZ lava sample was collected on May 3rd, 2018, the University of Hawaii geochemistry lab worked with the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) to determine, within hours, that the erupted lava was from stored magma. The LERZ lava was much cooler (about 1090°C) and more “evolved” than any Pu’uO’o lava (typically 1140°C) erupted over the past 35 years. While this finding was not a surprise, it was the first time it had been documented during an eruption.

However, there was one surprise: Fissure 17 – the only vent not in line with the others – erupted the coolest and most chemically evolved lava ever found on Kilauea. Its temperatures were as low as 1030°C.

Previous lower rift zone eruptions on Kilauea have shown a similar pattern: evolved magma erupted first, followed later by hotter, “fresher” magma. The early LERZ lava erupted in Leilani Estates is similar in composition to the early 1955 lava, which erupted in the same area.

Finding evolved magma stored in the lower regions of Kilauea, the site of many past eruptions and intrusions, is to be expected. During past events, not all of the magma reached the surface. That stored magma then evolved over time. Because Kilauea is very massive, it can take decades before magma comes back to a given area. During that time, stored magma cools, grows crystals, and slowly changes in composition. When a new intrusion forces its way through the volcano and up to the surface, it may encounter one or more of these stored magma bodies. The intrusion magma can push out and/or mix with any stored magma that is still liquid.

As the LERZ eruption continued, samples collected on May 11th, 2018 showed that the lava composition had shifted to slightly hotter (1105°C) and less evolved magma. Soon afterward, eruptions from Fissure 20 produced a’a flows that rushed to the ocean.

Over the next 12 days, the lava chemistry became progressively hotter and less evolved until it stabilised at temperatures of 1130–1140°C. The arrival of this hotter lava preceded the high-volume, sustained eruption of Fissure 8.

This new lava includes abundant and visible olivine crystals, some of which resemble the type of olivine crystallizing in summit magma before the LERZ eruption sequence began. The lava composition we see now does not exactly match recent Pu’uO’o or summit lavas, but it is similar. This correlates well with geophysical observations that the volume of the summit collapse is similar in magnitude to the volume of LERZ erupted lava.

Source : USGS / HVO.

Crédit photo: USGS

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Histoire de cristaux d’olivine à Hawaii // About olivine crystals in Hawaii

Alors que l’éruption du Kilauea se poursuit intensément, les habitants sont surpris de trouver de petits cristaux verts tombés du ciel pendant l’éruption. Ce sont en fait des cristaux d’olivine, un minéral très répandu dans la lave à Hawaii. En géologie, on parle aussi de péridotite, roche constituée principalement de cristaux d’olivine et de pyroxènes, alors que l’olivine est un minéral. Pendant une éruption, le volcan fait éclater les lambeaux de lave, ce qui permet de séparer les minéraux verts d’olivine du reste de la masse en fusion et de laisser tomber ces minuscules cristaux à l’aspect de pierres précieuses.
Plusieurs plages à Hawaii ont une couleur verdâtre, en raison de la forte concentration d’olivine. En fait, l’olivine est l’un des minéraux les plus répandus sous la surface de la Terre, mais il est assez difficile de le trouver séparé de la roche mère et encore plus difficile de le trouver avec une qualité de gemme.
L’olivine est si répandue que l’on estime que plus de 50% du manteau supérieur de la Terre est composé d’olivine ou de variantes du minéral. Les volcans d’Hawaï sont le produit d’un point chaud ou hotspot, ce qui signifie que la composition d’origine du manteau supérieur n’est pas modifiée de manière significative lorsqu’elle atteint la surface de la Terre.

La raison pour laquelle il y a une variété d’autres roches sur les continents est en grande partie due aux modifications subies par le magma au cours de son ascension sous chaque continent. Ce voyage à travers différentes couches de la croûte terrestre ajoute et élimine les éléments chimiques et des minéraux et modifie la composition originale du magma. Un géologue français avait l’habitude de dire qu’à Hawaï, on des laves « TGV » qui, comme les trains ultra rapides, arrivent directement à destination, en l’occurrence la surface de la Terre, sans s’arrêter dans les gares. A l’inverse,  dans d’autres régions du monde on a des magmas « omnibus » qui subissent des changements pendant leur ascension, comme les passagers des trains qui s’arrêtent dans différentes gares.

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While Kilauea Volcano is still fiercely erupting, residents are surprised to find little green gems that have fallen out of the sky during the eruption. They are actually olivine crystals, a common mineral found in Hawaii’s lava. In geology, it is called peridot. As the volcano erupts, it blasts apart molten lava, allowing for green olivine minerals to be separated from the rest of the melt and fall as tiny gemstones.

There are several places in Hawaii where the beaches have a green colour, due to a high concentration of olivine that has weathered out of the basalt. In fact, olivine is one of the most common minerals below Earth’s surface but it is quite hard to find it separated from the parent rock and even harder to find it of gem quality.

Olivine is so common that it is estimated that over 50 percent of the Earth’s upper mantle is composed of olivine or variations of the mineral. Hawaii’s volcanoes are the product of a hotspot, which means that the true composition of the upper mantle is not significantly altered when erupted on Hawaii’s surface as basalt.

The reason there is a variety of other rocks on continents is largely due to magma travelling through the varied geology that underlies each continent. This adds and removes chemicals/minerals and alters the original composition of the magma from basalt to a unique blend of minerals. A French geologist used to say that in Hawaii, you have “high speed train” minerals reaching the surface directly, with no stops at the stations, contrary to other regions of the world where they are “slow train” minerals, undergoing changes – like passengers in a train – in different stations.

Nodules de péridotite (Photo: C. Grandpey)

Green Sand Beach à Hawaii (Photo: C. Grandpey)

Une découverte des chercheurs de Clermont-Ferrand // A discovery by researchers of Clermont Ferrand (France)

Ça ne va pas révolutionner la volcanologie, mais la découverte a le mérite d’exister et, en plus, elle a été faite par 7 chercheurs du laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand. Ils ont confirmé la présence d’une fine couche de magma sur la quasi-totalité du manteau terrestre, à plus de 350 km de profondeur. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature communications.

La théorie en question, vieille d’une quinzaine d’années, n’avait jamais été prouvée expérimentalement. L’idée de départ était de comprendre la source et la formation du magma, notamment pour le volcanisme de « point chaud », comme celui que l’on observe à Yellowstone ou Hawaï. Ces points chauds prennent leur source très profondément, dans le manteau terrestre, à plusieurs centaines de kilomètres.

Le travail des chercheurs s’est appuyé sur l’étude de la roche et des minéraux qui la composent, selon les différentes strates du manteau terrestre. Ils ont pu établir le rôle prédominant de l’eau dans la fusion de la roche. Le manteau supérieur et la croûte terrestre se composent surtout d’olivine qui ne contient pas d’eau. Or, ce n’est pas le cas du minéral qui compose la phase de transition, quelques centaines de kilomètres plus en profondeur.

La question était de savoir ce que devient cette eau lorsque la roche remonte sous l’effet des mouvements du manteau terrestre. Aucun forage n’a pu, jusqu’à aujourd’hui, creuser à plus de 13 kilomètres dans la croûte terrestre, ce qui est très peu à l’échelle de la structure interne de la planète.

Les 7 chercheurs clermontois ont donc décidé de recréer les conditions qui règnent à 400 kilomètres de profondeur dans leur laboratoire, avec un échantillon d’olivine, ce qui ‘avait encore jamais été réalisé. Avec une pression de 12 à 15 Giga Pascal – soit plus de 100.000 fois la pression atmosphérique – et à une température de 1400 °C exercée par une gigantesque presse, les chercheurs ont pu observer en direct la fusion de la roche, grâce à l’eau excédentaire lorsque le minéral change de phase. Un deuxième essai, sans apport d’eau, montre qu’aucune fusion ne se réalise. La présence de magma mélangé à de la roche à cette profondeur n’avait jamais été prouvée. Cela pourrait aider à expliquer le volcanisme de point chaud.

Source : Journal La Montagne.

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It will not revolutionize volcanology, but the discovery has the merit to exist and, in addition, it was made by 7 researchers from the laboratory Magmas et Volcans of Clermont-Ferrand. They confirmed the presence of a thin layer of magma on almost the entire Earth’s mantle, more than 350 km deep. Their work was published in the journal Nature Communications.
The theory, about fifteen years old, had never been experimentally proved. The initial idea was to understand the source and formation of magma, especially for « hot spot » volcanism, such as that observed in Yellowstone or Hawaii. These hot spots have their source very deep – several hundred kilometres – in the Earth’s mantle.
The researchers’work was based on the study of the rock and the minerals that compose it, according to the different layers of the Earth’s mantle. They were able to establish the predominant role of water in the melting of the rock. The upper mantle and the Earth’s crust are mainly composed of olivine which does not contain water. However, this is not the case of the mineral that makes up the transition phase, a few hundred kilometres deeper.
The question was to know what happens to this water when the rock rises under the effect of the movements of the Earth’s mantle. To date, no drilling has been able to dig more than 13 kilometres into the Earth’s crust, which is very little at the scale of the planet’s internal structure.
The 7 researchers have therefore decided to recreate the conditions that prevail 400 kilometres deep in their laboratory, with an olivine sample, which had never been done before. With a pressure of 12 to 15 Giga Pascal – more than 100,000 times the atmospheric pressure – and at a temperature of 1400°C exerted by a gigantic press, the researchers were able to observe live the melting of the rock, thanks to the excess water when the mineral changes phase. A second test, without any water supply, showed that no fusion happened. The presence of magma mixed with rock at such a depth had never been proven. This could help explain hot spot volcanism.
Source: La Montagne.

Hawaii, un parfait exemple de point chaud (Source: Wikipedia)

De l’eau en abondance dans le manteau terrestre? // Much water in the Earth’s mantle?

drapeau francaisDes scientifiques de l’Université de l’Alberta (Canada) ont acquis la quasi certitude que l’eau est présente en abondance au plus profond de la croûte terrestre. L’analyse d’un petit fragment de minéral rare qui avait été observé uniquement dans les météorites les a conduits à la conclusion qu’il existe un vaste réservoir d’eau souterrain, avec plus d’eau que dans tous les océans de notre planète.
Avant d’aller plus loin, il faut rappeler que le manteau descend à plus de 2900 kilomètres sous la croûte terrestre, jusqu’au noyau. On le divise en général en deux parties : le manteau supérieur et le manteau inférieur, avec une zone de transition entre ces deux couches, à environ 700 km de profondeur.
Au vu des données sismiques, on pense que le manteau renferme des minéraux avec des caractéristiques semblables à une éponge et qui, de ce fait, retiennent l’eau. Malheureusement, ces minéraux sont beaucoup trop profonds pour pouvoir être atteints avec les équipements de forage dont nous disposons aujourd’hui.
La roche étudiée par les chercheurs canadiens a été remontée à la surface de la Terre par une éruption volcanique, puis récupérée dans une rivière brésilienne en 2009. Après des années d’étude, il a finalement été admis qu’il s’agissait de « ringwoodite » qui se forme avec l’olivine, un minéral très répandu à l’intérieur de la Terre. Entre 410 et 520 km, l’olivine devient de la wadsleyite, puis, entre 520 et 660 km, lorsque la pression augmente, elle devient de la ringwoodite.
Le plus extraordinaire, c’est que l’analyse de la roche a révélé que plus ou moins 1,5 % de son poids était de l’eau qui a été emprisonnée dans la matière minérale au moment de sa formation. Cette eau ne pouvait exister que si elle était abondante dans le manteau terrestre, là où se trouve le minerai actuellement. Le volume total de la zone de transition indique que la concentration de ringwoodite, et donc d’eau, est probablement énorme.
Cependant, un seul échantillon de ringwoodite n’est pas suffisant pour aboutir à des certitudes. Il est nécessaire d’avoir plusieurs de ces échantillons, en sachant que leur profondeur les rend inaccessibles à l’heure actuelle.
Savoir où l’eau est concentrée et en quelle quantité pourrait aider à mieux comprendre la tectonique des plaques. On pense que cette eau est susceptible de «lubrifier » les plaques tectoniques, ce qui faciliterait leurs mouvements et favoriserait les tremblements de terre et les tsunamis. En outre, lorsque l’eau est injectée dans le magma, les éruptions volcaniques deviennent plus violentes.

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drapeau anglaisScientists from the University of Alberta (Canada) have discovered solid evidence to support the idea that water is present in abundance deep within the Earth’s crust. The finding of a small fragment of a rare mineral that had previously only been found in meteorites has led them to the conclusion that there exists a vast reservoir of water underground, with more water than all the oceans of our planet.

Before going any further, we need to remember that the Earth’s mantle lies over 2,900 km beneath the Earth’s crust, as far as the Earth’s core. It is usually divided into two parts: the upper and the lower mantle. There is a transition zone between these two layers, about 700 km deep.

It is believed, after analyzing seismic data, that minerals with sponge-like characteristics exist in the mantle and hold water. Unfortunately, they are too deep to be reached with modern drilling equipment.

The rock studied by the Canadian researchers had been brought to the Earth’s surface by a volcanic eruption and then fished out of a Brazilian riverbed in 2009. After years of study, it was eventually recognized as ‘ringwoodite’ that forms with olivine, a common mineral in the Earth. Between 410 and 520 km, olivine becomes wadsleyite; then, between 520 and 660 km, as the pressure increases, it becomes ringwoodite.

What was remarkable was that on analysis, the rock showed that roughly 1.5 % of its weight was water, which was locked into the mineral at the time of formation. This water could only exist if it were abundant in the Earth’s mantle, where the mineral currently is. The total volume of the transition zone indicates that the proportionate concentration of ringwoodite, and subsequently that of that water, would be huge.

However, only one sample of ringwoodite is too small to be analysed sufficiently by scientists. There is need for more such samples, though their depth would make them impossible to extract.

Knowing where the water is concentrated and to what degree can help in the understanding of plate tectonics. This water is believed to lubricate the plates, making movements easier and facilitating earthquakes and tsunamis. Moreover, when water is infused into magma, it makes the resultant volcanic eruptions more violent.

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Echantillons d’olivine  (Photo:  C. Grandpey)

La croûte océanique révèle quelques secrets // The oceanic crust reveals a few secrets

drapeau francaisUne expédition internationale composée d’une trentaine de chercheurs vient de révéler de nouvelles découvertes sur l’évolution de la Terre. Les scientifiques ont pu extraire pour la première fois des carottes de la partie basse de la croûte océanique Pacifique. Les résultats de leur travail sont publiés dans le numéro du 1er décembre 2013 de la revue Nature. L’article est intitulé «Primitive Layered Gabbros from Fast-Spreading Lower Oceanic Crust”. (voir le lien au bas de cette note).

On sait depuis longtemps que la croûte océanique constitue environ les deux tiers de la surface de la Terre et provient de l’ascension du magma au niveau des dorsales océaniques où se produit un phénomène d’accrétion. Toutefois, la partie profonde de ce processus est dissimulée sous une épaisseur de plusieurs kilomètres de croûte au-dessus. De ce fait, les scientifiques n’avaient pu, jusqu’alors qu’émettre des hypothèses sur la formation de la croûte inférieure en se basant sur des relevés sismiques et sur l’étude de roches récoltées à la surface de la Terre.

L’équipe scientifique s’est rendue sur le Hess Deep, vaste rift océanique qui se trouve à proximité de la jonction entre trois plaques tectoniques : la plaque Pacifique, celle de Nazca et celle des Cocos. C’est dans ce secteur qu’ils ont extrait des carottes de gabbros qui se sont formés à plus de trois kilomètres sous le plancher océanique. Les gabbros sont des roches magmatiques issues de la fusion partielle de la péridotite mantellique au niveau de la dorsale ; elles ont subi, contrairement au basalte, un refroidissement lent, donc une cristallisation complète, ce qui explique leur structure grenue.

On se doutait de leur présence de gabbros dans cette partie de la croûte océanique à travers la théorie de la tectonique des plaques et par l’observation des ophiolites. Ces dernières sont des fragments de croûte océanique que l’on rencontre à la surface de la Terre, par exemple dans le massif du Chenaillet, près du Col de Montgenèvre, dans les Alpes françaises. Toutefois, les gabbros en provenance du plancher océaniques n’avaient que très rarement été récoltés.

Une autre surprise attendait les chercheurs. En observant de fines lames de gabbros au microscope polarisant, ils ont identifié des quantités importantes d’orthopyroxène, un silicate de magnésium que l’on croyait absent de la croûte inférieure. Cette découverte signifie que les réactions chimiques qui contribuent à la formation de cette partie de la croûte devront être réévaluées.

Une autre découverte met en doute l’une des principales théories de la formation de la croûte océanique inférieure. Elle concerne l’olivine, également un silicate de magnésium, que l’on trouve sous forme de petits cristaux dans des intrusions sur Terre, mais que l’on ne s’attendait pas à trouver dans la croûte océanique. Toutefois, d’autres analyses devront être effectuées car les chercheurs n’ont extrait qu’une carotte représentant une infime partie de la croûte en un seul lieu. Pour avoir confirmation de cette dernière découverte, il faudra effectuer d’autres carottages dans la couche océanique inférieure.

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12778.html.

 

drapeau anglaisAn international expedition of 30 researchers has just revealed new discoveries about the Earth’s development. The scientists recovered the first-ever drill core from the lower crust of the Pacific Ocean. Their findings are described in the December 1st 2013 issue of Nature in a paper titled « Primitive Layered Gabbros from Fast-Spreading Lower Oceanic Crust. » (see link below).

It is well known that oceanic crust makes up two-thirds of the Earth’s surface and forms from the rise of magma at mid-ocean ridge spreading centres. However, the deepest levels of this process are hidden from view due to the miles of upper volcanic crust on top. So, until now scientists had only been able to make guesses about the formation of the lower crust based on seismic evidence and the study of rocks found on land.

The researchers travelled to the Hess Deep, a large rift valley near the triple junction between the Pacific, Nazca and Cocos plates. There, they recovered core sections of gabbros that formed more than two miles beneath the sea floor. Gabbros are magmatic rocks produced by the partial fusion of mantel peridotite ; contrary to basalts, they underwent a slow cooling, thus a partial crystallisation, which gives them a coarse-grained structure.

The two-month expedition confirmed for the first time the widespread existence of layered gabbros in the lower crust. This observation had been predicted by plate tectonic theory and from ophiolites (fragments of ocean crust) found on land, but only rarely had actual layered rocks been recovered from the ocean floor.

A second surprise was awaiting the explorers. By studying thin slices of the gabbros under polarizing microscopes, the scientists identified substantial amounts of orthopyroxene, a magnesium silicate that was thought to be absent from the lower crust. The discovery means that basic chemical reactions forming the lower crust will now have to be re-studied.

Another discovery casts doubt on one of the main theories of the construction of the lower ocean crust. It involved the mineral olivine, also a magnesium silicate. This mineral is known to grow in delicate crystals sometimes found in intrusions on land, but never expected in the ocean crust. However, more analyses will need to be made because the researchers just cored a small section of the crust in one place on this expedition. To know for sure, they will have to explore the lower crust more, which will require more drilling.

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12778.html

Hess-Deep