Constraining the pre-eruptive timescales of an active volcano using short half-life radioactive isotopes
Uložené v:
| Názov: | Constraining the pre-eruptive timescales of an active volcano using short half-life radioactive isotopes |
|---|---|
| Autori: | Hervé, Garance |
| Prispievatelia: | STAR, ABES |
| Informácie o vydavateľovi: | 2024. |
| Rok vydania: | 2024 |
| Predmety: | Recent eruptions at Hekla Iceland, Interaction between magma and a CO2-Rich agent, Eruption 2021 at La Palma. Canary Islands, CO2 gas accumulation, Short half-Life radioactive disequilibria, Accumulation de gaz CO2, Interaction entre un magma et un agent riche en CO2, [SDU.STU] Sciences of the Universe [physics]/Earth Sciences, Eruption 2021 à La Palma îles Canaries, Eruptions récentes à Hekla Islande, Déséquilibres radioactifs à courtes périodes |
| Popis: | La caractérisation géochimique des processus pré-éruptifs est une approche contemporaine répandue pour comprendre le comportement des édifices volcaniques. Cependant, sa recontextualisation dans une temporalité pré-éruptive demeure une tâche plus complexe. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser la méthode des déséquilibres radioactifs entre les isotopes de courtes demi-vies des chaines de l'uranium et du thorium afin de contraindre les processus magmatiques de deux volcans actifs et de replacer ces mécaniques dans une chronologie pré-éruptive.Au cours du dernier siècle, jusqu'à sa dernière éruption en 2000, le volcan Hekla, Islande, est marqué par des éruptions plus fréquentes et régulières, survenant tous les 10 à 20 ans, mais émettant une masse de produits volcaniques de moins en moins importante. Cette thèse vise à identifier les mécanismes sous-jacents à ce comportement ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les radionucléides 210Pb et 226Ra ont été respectivement analysés par spectrométrie α et γ dans les téphras et laves issus des cinq dernières éruptions de Hekla (1947, 1970, 1980-81, 1991 et 2000). Un des résultats majeurs est un excès en 210Pb par rapport au 226Ra retrouvé dans les téphras de 1947 et 1970. Cette observation suggère une accumulation de 222Rn transporté au sommet de la chambre magmatique par une phase gazeuse riche en CO2. Cette accumulation de gaz, pendant les périodes de repos de l'Hekla, parviendrait à former une surpression nécessaire au déclenchement d'une éruption. En modélisant ce phénomène d'accumulation, une diminution du flux de 222Rn au cours du dernier siècle est constatée et interprétée comme une diminution du flux de gaz transportant le 222Rn. Ce phénomène pourrait expliquer la réduction de la masse des premiers produits émis lors de chaque éruption, et potentiellement l'arrêt de l'activité éruptive après l'éruption de 2000.La dernière éruption en 2021 du volcan Cumbre Vieja sur l'île de La Palma, Canaries, est marquée par une évolution inverse des compositions magmatiques, allant de produits téphritiques à basanitiques. Une sélection de laves et de téphras couvrant cette gamme de compositions a été analysée par spectrométrie α et γ afin de quantifier l'activité des descendants radioactifs du 238U et 232Th. On cherche ici à comprendre quels sont les processus induisant ces déséquilibres radioactifs et sur quelles échelles de temps ils s'inscrivent. On mesure pour l'une des premières fois dans des produits volcaniques silicatés des déséquilibres radioactifs dans les deux systématiques du Ra, appartenant aux séries de désintégration de l'238U et 232Th. Ainsi, le 226Ra est en excès à la fois vis-à-vis de son isotope père et de son isotope fils, 230Th et 210Pb, respectivement. Quant au 228Ra, il présente lui aussi un excès vis-à-vis de son radionucléide père 232Th, mais reste à équilibre radioactif avec son isotope fils, 228Th. L'excès de radium dans ce système volcanique suggère son ajout au magma par l'intermédiaire d'un agent riche en CO2 et radium lors de sa formation. Les déséquilibres régis par de très courtes périodes, 228Ra-232Th, impliquent un processus d'ajout de Ra moins de 30 ans avant l'éruption. Ainsi, si cette addition est bel et bien en lien avec la formation du magma dans le manteau, les processus magmatiques à Cumbre Vieja se déroulent dans des échelles de temps très restreintes, ce qui est en somme cohérent avec la nature primitive des derniers produits mis en surface.La mise en perspective de ces deux résultats montre qu'un dénominateur commun est présent dans ces deux cas d'études, à savoir le CO2. Cette phase, souvent peu considérée dans le volcanisme intraplaque, parait pour autant avoir ici un impact majeur à la fois dans la formation du magma, sa chimie et sa dynamique éruptive. Ce constat invite de futures recherches à étudier le comportement du CO2 au regard des déséquilibres radioactifs dans d'autres systèmes volcaniques. The geochemical characterisation of pre-eruptive processes provides a modern approach to deciphering the behaviour of volcanic systems. However, establishing an accurate timeline for these processes is a complex challenge. We suggest using short half-life radioactive disequilibria among U- and Th-series isotopes to constrain the magmatic processes of two active volcanoes and establish a pre-eruptive chronology for these mechanisms.Over the past century, until its last eruption in 2000, Hekla volcano, Iceland, exhibited a pattern of regular eruptions, occurring approximately every 10 to 20 years, emitting a progressively smaller amount of volcanic products through time. The aim of this study was to identify the underlying mechanisms and the timing of this behaviour. We analysed the radionuclides 210Pb and 226Ra by α and γ spectrometry, respectively, in tephra and lava from the last five Hekla eruptions (1947, 1970, 1980-81, 1991, and 2000). An important finding was the observation of an excess of 210Pb over 226Ra in the tephra from 1947 and 1970. This suggests the accumulation of 222Rn at the top of the magma chamber, transported there by a CO₂-rich gas phase. The build-up of gas during inter-eruptive periods would lead to the generation of overpressure, which could then trigger an eruption. Modelling of this accumulation phenomenon revealed a decline in the 222Rn flux over the past century, indicating a reduction in the gas flux carrying 222Rn. This could explain the reduction in the mass of initial products emitted during each eruption, as well as the cessation of eruptive activity following the 2000 eruption.The last 2021 eruption of the Cumbre Vieja volcano, La Palma, Canaria archipelago, Spain, was characterised by the emission of products varying from tephritic to basanitic compositions. A selection of both lava and tephra spanning this compositional range were analyzed by gamma and alpha spectrometry to quantify the activity of 238U and 232Th radioactive daughters. We aimed to uncover the processes leading to these radioactive disequilibria and the associated time scales. For one of the first times, radioactive disequilibrium in the two Ra systematics belonging to the distinct decay series of 238U and 232Th has been measured in silicate volcanic products. The activity of 226Ra is greater than that of both its parent and daughter isotopes, 230Th and 210Pb, respectively. Similarly, 228Ra is in excess over its parent radionuclide, 232Th, yet remains in radioactive equilibrium with its daughter isotope, 228Th. It is proposed that the observed radium excess may be attributed to the interaction between a Ra-CO₂-rich fluid and the mantle beneath the Canary Islands during the magma formation in 2021. 228Ra-232Th disequilibria are governed by very short half-life isotopes and imply that Ra was added less than 30 years before the eruption. If this Ra addition is linked to the magma formation in the mantle, the magmatic processes at Cumbre Vieja all occur over very limited timescales, which is consistent with the primitive nature of the last products brought to the surface.A synthesis of these two study-cases reveals the presence of a common denominator, namely CO2. This phase is often underestimated in intraplate volcanic settings, although it appears to have a significant influence on both magma formation and chemistry as well as its eruptive dynamics. This raises the need to further investigate the behaviour of CO2 in connection with radioactive disequilibria in other volcanic systems. |
| Druh dokumentu: | Doctoral thesis |
| Popis súboru: | application/pdf |
| Jazyk: | French |
| Prístupová URL adresa: | https://theses.hal.science/tel-05216410v1 |
| Prístupové číslo: | edsair.dedup.wf.002..4cb7121e760ed98d293e35318da940dd |
| Databáza: | OpenAIRE |
Nájsť tento článok vo Web of Science | Abstrakt: | La caractérisation géochimique des processus pré-éruptifs est une approche contemporaine répandue pour comprendre le comportement des édifices volcaniques. Cependant, sa recontextualisation dans une temporalité pré-éruptive demeure une tâche plus complexe. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser la méthode des déséquilibres radioactifs entre les isotopes de courtes demi-vies des chaines de l'uranium et du thorium afin de contraindre les processus magmatiques de deux volcans actifs et de replacer ces mécaniques dans une chronologie pré-éruptive.Au cours du dernier siècle, jusqu'à sa dernière éruption en 2000, le volcan Hekla, Islande, est marqué par des éruptions plus fréquentes et régulières, survenant tous les 10 à 20 ans, mais émettant une masse de produits volcaniques de moins en moins importante. Cette thèse vise à identifier les mécanismes sous-jacents à ce comportement ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les radionucléides 210Pb et 226Ra ont été respectivement analysés par spectrométrie α et γ dans les téphras et laves issus des cinq dernières éruptions de Hekla (1947, 1970, 1980-81, 1991 et 2000). Un des résultats majeurs est un excès en 210Pb par rapport au 226Ra retrouvé dans les téphras de 1947 et 1970. Cette observation suggère une accumulation de 222Rn transporté au sommet de la chambre magmatique par une phase gazeuse riche en CO2. Cette accumulation de gaz, pendant les périodes de repos de l'Hekla, parviendrait à former une surpression nécessaire au déclenchement d'une éruption. En modélisant ce phénomène d'accumulation, une diminution du flux de 222Rn au cours du dernier siècle est constatée et interprétée comme une diminution du flux de gaz transportant le 222Rn. Ce phénomène pourrait expliquer la réduction de la masse des premiers produits émis lors de chaque éruption, et potentiellement l'arrêt de l'activité éruptive après l'éruption de 2000.La dernière éruption en 2021 du volcan Cumbre Vieja sur l'île de La Palma, Canaries, est marquée par une évolution inverse des compositions magmatiques, allant de produits téphritiques à basanitiques. Une sélection de laves et de téphras couvrant cette gamme de compositions a été analysée par spectrométrie α et γ afin de quantifier l'activité des descendants radioactifs du 238U et 232Th. On cherche ici à comprendre quels sont les processus induisant ces déséquilibres radioactifs et sur quelles échelles de temps ils s'inscrivent. On mesure pour l'une des premières fois dans des produits volcaniques silicatés des déséquilibres radioactifs dans les deux systématiques du Ra, appartenant aux séries de désintégration de l'238U et 232Th. Ainsi, le 226Ra est en excès à la fois vis-à-vis de son isotope père et de son isotope fils, 230Th et 210Pb, respectivement. Quant au 228Ra, il présente lui aussi un excès vis-à-vis de son radionucléide père 232Th, mais reste à équilibre radioactif avec son isotope fils, 228Th. L'excès de radium dans ce système volcanique suggère son ajout au magma par l'intermédiaire d'un agent riche en CO2 et radium lors de sa formation. Les déséquilibres régis par de très courtes périodes, 228Ra-232Th, impliquent un processus d'ajout de Ra moins de 30 ans avant l'éruption. Ainsi, si cette addition est bel et bien en lien avec la formation du magma dans le manteau, les processus magmatiques à Cumbre Vieja se déroulent dans des échelles de temps très restreintes, ce qui est en somme cohérent avec la nature primitive des derniers produits mis en surface.La mise en perspective de ces deux résultats montre qu'un dénominateur commun est présent dans ces deux cas d'études, à savoir le CO2. Cette phase, souvent peu considérée dans le volcanisme intraplaque, parait pour autant avoir ici un impact majeur à la fois dans la formation du magma, sa chimie et sa dynamique éruptive. Ce constat invite de futures recherches à étudier le comportement du CO2 au regard des déséquilibres radioactifs dans d'autres systèmes volcaniques.<br />The geochemical characterisation of pre-eruptive processes provides a modern approach to deciphering the behaviour of volcanic systems. However, establishing an accurate timeline for these processes is a complex challenge. We suggest using short half-life radioactive disequilibria among U- and Th-series isotopes to constrain the magmatic processes of two active volcanoes and establish a pre-eruptive chronology for these mechanisms.Over the past century, until its last eruption in 2000, Hekla volcano, Iceland, exhibited a pattern of regular eruptions, occurring approximately every 10 to 20 years, emitting a progressively smaller amount of volcanic products through time. The aim of this study was to identify the underlying mechanisms and the timing of this behaviour. We analysed the radionuclides 210Pb and 226Ra by α and γ spectrometry, respectively, in tephra and lava from the last five Hekla eruptions (1947, 1970, 1980-81, 1991, and 2000). An important finding was the observation of an excess of 210Pb over 226Ra in the tephra from 1947 and 1970. This suggests the accumulation of 222Rn at the top of the magma chamber, transported there by a CO₂-rich gas phase. The build-up of gas during inter-eruptive periods would lead to the generation of overpressure, which could then trigger an eruption. Modelling of this accumulation phenomenon revealed a decline in the 222Rn flux over the past century, indicating a reduction in the gas flux carrying 222Rn. This could explain the reduction in the mass of initial products emitted during each eruption, as well as the cessation of eruptive activity following the 2000 eruption.The last 2021 eruption of the Cumbre Vieja volcano, La Palma, Canaria archipelago, Spain, was characterised by the emission of products varying from tephritic to basanitic compositions. A selection of both lava and tephra spanning this compositional range were analyzed by gamma and alpha spectrometry to quantify the activity of 238U and 232Th radioactive daughters. We aimed to uncover the processes leading to these radioactive disequilibria and the associated time scales. For one of the first times, radioactive disequilibrium in the two Ra systematics belonging to the distinct decay series of 238U and 232Th has been measured in silicate volcanic products. The activity of 226Ra is greater than that of both its parent and daughter isotopes, 230Th and 210Pb, respectively. Similarly, 228Ra is in excess over its parent radionuclide, 232Th, yet remains in radioactive equilibrium with its daughter isotope, 228Th. It is proposed that the observed radium excess may be attributed to the interaction between a Ra-CO₂-rich fluid and the mantle beneath the Canary Islands during the magma formation in 2021. 228Ra-232Th disequilibria are governed by very short half-life isotopes and imply that Ra was added less than 30 years before the eruption. If this Ra addition is linked to the magma formation in the mantle, the magmatic processes at Cumbre Vieja all occur over very limited timescales, which is consistent with the primitive nature of the last products brought to the surface.A synthesis of these two study-cases reveals the presence of a common denominator, namely CO2. This phase is often underestimated in intraplate volcanic settings, although it appears to have a significant influence on both magma formation and chemistry as well as its eruptive dynamics. This raises the need to further investigate the behaviour of CO2 in connection with radioactive disequilibria in other volcanic systems. |
|---|