Les éruptions volcaniques représentent un des dangers dont les conséquences sont les plus catastro¬phiques pour la société moderne. Les plus grandes éruptions dans l'histoire géologique, dont l'éruption du super volcan de Yellowstone, se sont produites avec des magmas rhyolitiques. Lors des dernières années, nos connaissances sur les systèmes volcaniques ont largement augmenté, mais la prévision des risques volcaniques demeure un défi. Il est donc nécessaire de comprendre les processus volcaniques tels que l'évolution des magmas, leur stockage et l'échelle de temps sur laquelle ceux-ci sont produis.
Le complexe volcanique d'El Quemado (Patagonia, Argentina) fait partie de la province Jurassique de Chon Aike. Cette province s'est mise en place lors de la séparation du supercontinent Gondwana. Le complex d'El Quemado est principalement constitué de coulés de lave et de dômes rhyolitiques appauvris en cristaux (rhyolite), ainsi que d'ignimbrites rhyolitiques riches en cristaux (ignimbrite). En général, les roches siliciques du complexe d'El Quemado sont dérivées de la fusion partielle de la croûte moyenne enrichie en 180, comme suggérés par les valeurs élevées en 5180 des cristaux de quartz et de zircon. Le magma a été stocké dans la croûte moyenne et au minimum à 700 - 820°C. Les rhyolites et les ignimbrites représentent deux milieux différents du système magmatique et les différences sont enregistrées dans la zonation chimique des cristaux de quartz. Les quartz des rhyolites montrent des zonations très simples, sans indication de dissolution interne, ce qui indique une histoire magmatique simple. A l'opposé, les quartz des ignimbrites montrent des textures complexes de zonation, tels que la résorption et la surcroissance de grains de quartz, ce qui indique une histoire magmatique complexe.
Les rhyolites correspondent probablement au magma interstitiel d'un niveau saturé en cristaux de la chambre magmatique. Ce magma interstitiel forme un niveau appauvrie en cristaux, situé au dessus du niveau saturé. La plupart des cristaux de quartz ont grandis en quelques années dans ce niveau appauvrie. La modélisation de la diffusion du Ti dans le quartz suggère que l'éruption des rhyolites se déroule peu de temps, au maximum 5 à 40 ans après le début de la cristallisation. Leur cristallisation est suivie de peu par la dissolution de ces mêmes quartz, causée par la décompression lors de l'ascension rapide du magma.
En revanche, les ignimbrites semblent être issues d'une réactivation du niveau saturé en cristaux de la chambre magmatique. La modélisation de la diffusion du Ti dans le quartz suggère que les quartz de ce niveau saturé ont été préservés au maximum 2'500 ans. Une surcroissance des cristaux de quartz dans les ignimbrites met en évidence une réactivation du niveau saturé au maximum 3 ans avant l'éruption. La réactivation de la chambre magmatique engendre un mélange de ces différents niveaux, et rassemble des cristaux avec des histoires magmatiques différentes dans les ignimbrites.
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Comprendre la formation des roches volcaniques siliceuse est important car les éruptions explosives de grandes ampleurs associées à des magmas siliceux sont fréquentes à l'échelle des temps géologiques et représentent potentiellement un risque majeur pour la société. J'ai utilisé de nouvelles techniques analytique in-situ ainsi que de spectrométrie de masse (SIMS and NanoSIMS) afin d'améliorer notre compréhension sur les conditions de stockage magamtique, les échelles de temps relatives de ces systèmes ainsi que leur potentiel source de magmas. Les volcans du complexe Jurassique d'El Que- mado (EQC) en Patagonie (Argentine) fournissent une excellente zone d'étude. Le EQC fait partie de la province de Chon Aike, l'une des plus grandes provinces ignées du monde, dont la mise en place daterait de la séparation du supercontinent Gondwana.
Suite aux travaux de terrain, je me suis concentré sur l'étude de (a) rhyolites appauvries en cristaux et (b) d'ignimbrites riches en cristaux, qui sont supposées représenter différentes étapes de l'évolution d'une chambre magmatique. L'analyse des textures des phénocristaux de quartz à la cathodoluminescence (CL) met en évidence des différences remarquables. Les échantillons appauvris en cristaux (rhyolites) montrent une zonation magmatique oscillante et des textures de dissolution négligeables. En revanche, les quartz des ignimbrites riches en cristaux montrent des textures de résorption et de surcroissance claires, caractéristiques d'une histoire de croissance cristalline plus complexe.
Grâce aux analyses NanoSIMS, j'ai mesuré la zonation du titane (Ti) à une fine échelle afin d'employer la chronologie de diffusion. L'analyse quantitative du titane a été effectuée avec la SIMS. Tous les profils de NanoSIMS montrent des changements brusques dans le rapport 48Ti/29Si, qui se corrèlent relativement bien avec les changements d'intensité de CL. Mes modèles de diffusion révèlent une brève échelle de temps, de l'ordre de quelques années. Les phénocristaux de quartz des rhyolites ont enregistré une histoire magmatique simple, avec un seul épisode de croissance et des échelles de temps de 5,6 ±2,2 à 41,6+ 9,8 ans. Les modèles de diffusion dans les ignimbrite riches en cristaux mettent en évidence deux échelles de temps distinctes et cohérentes avec leurs textures plus complexes, suggérant plutôt leur stockage dans un niveau saturé en cristaux, avec des changements de température et / ou de la pression avant l'éruption. Nos données suggèrent un temps de 2,9 + 0,9 ans pour la formation de la zonation de surcroissance, alors que ces cristaux doivent avoir été conservés dans le niveau saturé en cristaux pendant au moins 2'500 ans.
Les isotopes de l'oxygène représente un paramètre clé pour contraindre la source de ces magmas. J'ai réalisé des analyses in-situ (SIMS) sur les quartz et les zircons ; les analyses sur roche totale par "C02-Iaser fluorination". Les rhyolites et les ignimbrites montrent des valeurs isotopiques d'oxygène remarquablement élevées pour les quartz (10,8 à 12,5%o) et les zircon (07.05 à 10.01%o), en accord avec une quantité importante de contamination crustale et qui ne peuvent être atteintes par de simples modèles d'assimilation et de fractionnement. Notamment, en supposant que le quartz est le plus susceptible de refléter la composition isotopique du magma érupté, les zircons analysés n'ont pas atteint un équilibre isotopique de haute température avec le quartz. Bien qu'individuellement les cristaux de zircon soient homogènes, j'ai observé dans les rhyolites une grande variabilité intra- échantillon de leurs valeurs en <5leO (jusqu'à 2,6%o). Ceci suggère une production hétérogène des zircons, et afin de maintenir cette hétérogénéité observée, le temps passé entre la production de magma et l'éruption doit avoir été particulièrement court.
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Deciphering the formation of silicic volcanic rocks is important, because explosive éruptions of large- volume of silicic magmas are common in the géologie record and they pose potentially a major risk for society. I used new in-situ micro-analytical techniques and employed secondàry ion mass spectrometry (SIMS and NanoSIMS) to gain further insights into the storage conditions and related time scales of these silicic systems as well as their potential magma sources. The volcanic rocks of the Jurassic El Quemado Complex (EQC) in Patagonia (Argentina) provide an excellent - while little explored - study area. The EQC forms parts of Chon Aike Province, one of the world's largest silicic igneous provinces, which was deposited during the breakup of Gondwana.
Following field and reconnaissance work I focused to investigate (a) crystal poor rhyolites and (b) crystal rich ignimbrites, thought to represent différent stages in the évolution of a magma chamber. Textural analyses using cathodoluminescence (CL) of quartz phenocrysts indeed expose remarkable différences. The crystal-poor samples (rhyolites) show oscillatory magmatic zoning and only negligible dissolution textures. In contrast quartz from crystal rich ignimbrites show clear résorption and overgrowth textures, recording a more complex crystal growth history. Using NanoSIMS analysis, I have measured fine-scale titanium (Ti) zoning and acquired numerous profiles across growth, respectively résorption zones to employ diffusion chronology. Quantitative Ti analysis was done by SIMS. Ail NanoSIMS transects show sharp changes in the 48Ti/29Si ratio, which correlate reasonably well with changes in CL intensity. My diffusion modeling reveal short - but robust - time scales in the order of years. Quartz phenocrysts from the rhyolites recorded a simple magmatic history, with only one growth episode and timescales from 5.6 ± 2.2 to 41.6 + 9.8 yr. Diffusion modeling for crystal rich ignimbrite yields two disparate timescales in agreement with their more complex textures, rather suggesting storage in a mush, with changes in temperature and/or pressure before éruption. Our data suggest only 2.9 ± 0.9 yr for the formation of the overgrowth rim, but the crystals must have been preserved in the mush for at least 2500 years.
Oxygen isotopes provide key constraints on the magma source. I carried out in situ (SIMS) analyses of quartz and zircoris, and whole rock and bulk quartz composition were determined by CO2-laser fluorination. Rhyolites and ignimbrites show remarkably high oxygen isotope values for both quartz (10.8 - 12.5%o) andzircon (7.5 - 10.1%o) consistent with large amount of crustal contamination, which cannot be achieved by simple models of assimilation and fractional. Notably, the analyzed zircons (neither core or rim domains) are not in high temperature isotopic equilibrium with quartz, assuming quartz is most likely to reflect the isotopic composition of the erupted magma. While individual zircon crystals are homogenous, I observed a large intra-sample <5180 variation (up to 2.6%o) in rhyolites. This suggests a heterogeneous zircon supply and to maintain the observed heterogeneity, the time between magma génération and éruption must have been very short.