Etudes texturales en 2D et 3D des produits des explosions vulcaniennes du volcan Soufrière Hills, 1997 (Montserrat) - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

2D and 3D textural analysis of the products from the 1997 Vulcanian explosions of Soufrière Hills Volcano, Montserrat

Etudes texturales en 2D et 3D des produits des explosions vulcaniennes du volcan Soufrière Hills, 1997 (Montserrat)

Résumé

In 1997, Soufrière Hills Volcano experienced two periods of repetitive Vulcanian explosions, implying 88 explosions. Each of these explosions emptied the first 0.5-2 km of the conduit. The aim of this PhD was to constrain and to quantify the vesiculation processes that occurred during each of these explosions, by a textural analysis of the natural products. This study involved measurements by 2D image-analysis, 3D analysis by X-Ray computed microtomography, a detailed textural study of a series of breadcrust bombs, and chemical measurements of in particular matrix-glass water contents (using Raman microspectrometry) and chlorine contents. Textural analysis in 2D leaded us to recognize several vesicle size populations. The smallest ones (smaller than few tens of microns) are syn-explosive, whereas most of the largest ones (> several hundreds of μm) in pumices are pre-explosive. Nearly 15% of the largest vesicles in pumices, and all these large vesicles in the breadcrust bombs, formed by fracturation of amphibole phenocrysts. A population of intermediate vesicles, formed by the coalescence of the small ones, is visible in pumices. Syn-explosive nucleation took place heterogeneously on Fe-Ti oxides and vesicle growth occurred mainly by decompression. Coalescence affected all vesicles larger than few tens of microns. X-ray computed microtomography allowed us to work with a 3D vision of the system. For the first time, vesicle and crystal size distributions were performed down to 2 μm, by combining several data sets. The observations made, and the parameters obtained, are consistent with those performed using 2D image-analysis. Moreover, 3D allowed us to constrain the coalescence process that occurred between neighbouring vesicles whatever their sizes. Breadcrust bombs textural analysis showed that these samples underwent a vesiculation process that was intermediate between that of the dense samples from the degassed plug, and the pumices. Post-fragmentation vesiculation of the breadcrust bomb interior is the major mechanism leading to the fracturation of their dense rind, giving the breadcrusted aspect. Chemical analyses showed a strong relationship between the matrix-glass water contents of the sample and its texture. Pumices can retain huge amount of water (until ~2.8 wt%) whereas dense samples and breadcrust bombs are more degassed. Measured chlorine contents are constant in all samples and could be explained by low distribution coefficient (~5) between the vapour phase and the melt. Between two successive explosions (~10h), degassing occurred in partially open-system. We demonstrated that syn-explosive vesiculation was important during each Vulcanian explosion of the Soufrière Hills Volcano in 1997 and that the development of the sample texture was controlled by the time interval between decompression and the onset of surface cooling. Syn-explosive decompression rates estimated using vesicle number densities (>0.3-6.5 MPa s-1) are consistent with those obtained by numerical modelling.
En 1997, le volcan Soufrière Hills a connu deux périodes d'activité vulcanienne, impliquant 88 explosions. Chacune de ces explosions a vidangé la partie supérieure du conduit sur 0,5 à 2 km. Ce travail de thèse visait à comprendre et quantifier par analyse texturale des produits naturels, les processus de vésiculation du magma se produisant durant ces explosions vulcaniennes. Cette étude comporte des mesures en 2D par analyses d'images, des mesures en 3D par microtomographie à rayons X, une étude texturale détaillée de bombes en croûte de pain et des analyses chimiques comprenant notamment des mesures de teneurs en eau (par microspectrométrie Raman) et en chlore dans les verres matriciels. L'analyse en 2D nous a permis de mettre en évidence la présence de plusieurs populations de vésicules. Les plus petites (inférieures à quelques dizaines de microns) sont syn-explosives, tandis que la plupart des grandes vésicules (> plusieurs centaines de μm), dans les ponces, sont pré-explosives. Environ 15% des grandes vésicules dans les ponces et toutes celles présentes dans les bombes en croûte de pain sont créées par la fracturation synexplosive de phénocristaux d'amphiboles. Une population de vésicules de taille intermédiaire, formées par la coalescence des petites vésicules, est visible dans les ponces. La nucléation syn-explosive s'est produite de façon hétérogène sur des microlites de magnétite, les bulles ont ensuite grandi principalement par décompression. La coalescence a affecté toutes les bulles plus grandes que quelques dizaines de microns. La microtomographie à rayons X nous a permis d'obtenir une vision en 3D du système. Pour la première fois, des distributions de tailles de vésicules et de cristaux ont été réalisées jusqu'à ~2 μm en combinant plusieurs jeux de données. Les observations effectuées ainsi que les paramètres quantitatifs extraits de ces données sont en accord avec ceux issus de l'analyse en 2D. De plus, la 3D nous a permis de contraindre quantitativement la coalescence. Celle-ci s'est produite entre vésicules voisines, sans distinction de tailles. L'analyse texturale des bombes en croûte de pain a montré que ces échantillons ont subi un processus de vésiculation intermédiaire entre les échantillons denses provenant du bouchon dégazé et les ponces. La vésiculation post-fragmentation de leur intérieur représente le mécanisme principal provoquant la fracturation de la bordure plus dense, donnant l'aspect croûte de pain. Les analyses chimiques ont montré qu'il existe une corrélation entre la teneur en eau des verres matriciels et la texture des échantillons. Les ponces peuvent retenir beaucoup d'eau (jusqu'à 2,8 %pds) tandis que les échantillons denses et les bombes en croûte de pain sont plus dégazés. La teneur en chlore mesurée est constante dans tous les échantillons et peut s'expliquer par un coefficient de distribution faible (~5) entre la phase vapeur et le liquide. Le dégazage s'est fait en système partiellement ouvert entre deux explosions successives (~10h). Nous avons démontré que la vésiculation syn-explosive était importante lors de chaque explosion vulcanienne de la Soufrière Hills en 1997 et que le développement des textures était contrôlé par l'intervalle de temps entre la décompression et le début du refroidissement de la surface du claste. Les taux de décompression syn-explosifs estimés à partir des densités numériques de vésicules (> 0,3-6,5 MPa s-1), sont cohérents avec ceux prédits par les modélisations numériques.
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Dates et versions

tel-00463901 , version 1 (15-03-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00463901 , version 1

Citer

Thomas Giachetti. Etudes texturales en 2D et 3D des produits des explosions vulcaniennes du volcan Soufrière Hills, 1997 (Montserrat). Sciences de la Terre. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00463901⟩
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