Experimental simulation of pre-eruptive conditions of
“yellow pumice”-Stromboli (Aeolian arc)-Italy
Simulation expérimentale des conditions pré-éruptives des "ponces jaunes" Stromboli - Italie
Résumé
In the most recent years big attention was been addressed to the volcanic hazard. Stromboli is
characterized by a persistent activity. Hazards associated with volcanic activity at Stromboli may
include gas emissions and fall-outs of volcanic ash and bombs, but more global hazards can not be
dismissed such as large-scale eruptions or tsunamis generated in the Tyrrhenian sea as a result of flank
collapse of the volcano. Stromboli is actively monitored by italian groups and institutions. The present
project complements these efforts in providing an experimentally-based modelling of how magma
ascends beneath Stromboli. Knowledge of the physicochemical properties of magmas may improve in
the long-term the interpretation of geophysical signals and the understanding of the real-time
behaviour of the volcano.
Its normal activity is periodically interrupted by emission of lava flow or much more energetic
explosions. The most energetic explosions are distinguished in major explosions (1-2 per year) and
paroxysms (one event in 5 to 15 years).
Most of the existing works and dynamic models of the Stromboli's activity are done on the normal
activity, but, maybe, studying the paroxysm can be the important means to understand its persistent
activity.
The paroxysm permits to study mingling, crystallisation and degassing processes in the volcanic
system. During major explosion and paroxysm, a particular product constituted by a yellow pumice
intermingled with a black scoria is emitted. The yellow pumice is a crystal-poor (< 10 vol % of
crystals), gold-coloured, highly vesiculated pumice and represent the most primitive magma ever
erupted at Stromboli; the black scoria is crystal-rich (~50 vol % of crystals), rather dense, lower
vesiculated, usual product of the normal activity. The two portions are so different in features, but so
similar in bulk chemical composition ranging from K-rich basalt and shoshonitic basalt. They display
only slight variations in major and trace elements contents, and rare earth element patterns. The very
big differences are played by the volatile content (H2O-CO2-S) on the two part of rock.
The aims of this petrological experimentally study are: (i) to characterize the source region of
magmatism, (ii) to constrain the P-T-aH2O during the ascent path of yellow pumice magma, (iii) to
constrain the derivation of the black scoria from the yellow pumice magma during the rapid ascent
path in the shallow level of the Stromboli conduit.
The volatiles constituents play a narrower importance in the phase relations as in the chemical and
physical properties of the magmas. We planned two series of experiments, an isobaric 4 kbar (1175-
1050°C) section and an isothermal 1100°C (4-0.5 kbar) section, in variable water content, from
undersaturation near to the water saturation. We chosen as starting material one of the most primitive
yellow pumice never erupted. The starting composition will be prepared as glass, to avoid any residual
crystal, and glass finely crushed. Some additional experiment was carried out in order to ascertain the primitivity of our starting composition. Few experiments were done in mixed fluid volatiles (H2O +/-
CO2 +/- S).
According our experimental data yellow pumice is a near primitive magma in equilibrium with
clinopyroxenite source at P-T of stagnation: the first phase to appears on the liquidus is pyroxene;
olivine follows at lower temperature, for lower hydration conditions. Clinopyroxene plays an
important role at higher pressure conditions (4 kb), plagioclase instead is the most relevant phase at
lower pressure. It was possible to derive an experimental geobarometer from the cotectic ol/cpx ratio:
if we apply this correlation between pressure and cpx(ol ratio, we can obtain a pressure of
crystallisation for yellow pumice (3.7-2.9 kb) and black scoria (1.2-0.6 kb). Our experimental data,
show a clear correlation between Ca content in clinopyroxene and water content in the melt and this
correlation can be used a geohygrometer in the 3-phase assemblage, to infer the water content in
natural samples. The last important results are about empirical solubility data of both together H2OCO2
that are in bad accordance with most used thermodynamic models that overestimate the pressure
of saturation of nearly 50%
characterized by a persistent activity. Hazards associated with volcanic activity at Stromboli may
include gas emissions and fall-outs of volcanic ash and bombs, but more global hazards can not be
dismissed such as large-scale eruptions or tsunamis generated in the Tyrrhenian sea as a result of flank
collapse of the volcano. Stromboli is actively monitored by italian groups and institutions. The present
project complements these efforts in providing an experimentally-based modelling of how magma
ascends beneath Stromboli. Knowledge of the physicochemical properties of magmas may improve in
the long-term the interpretation of geophysical signals and the understanding of the real-time
behaviour of the volcano.
Its normal activity is periodically interrupted by emission of lava flow or much more energetic
explosions. The most energetic explosions are distinguished in major explosions (1-2 per year) and
paroxysms (one event in 5 to 15 years).
Most of the existing works and dynamic models of the Stromboli's activity are done on the normal
activity, but, maybe, studying the paroxysm can be the important means to understand its persistent
activity.
The paroxysm permits to study mingling, crystallisation and degassing processes in the volcanic
system. During major explosion and paroxysm, a particular product constituted by a yellow pumice
intermingled with a black scoria is emitted. The yellow pumice is a crystal-poor (< 10 vol % of
crystals), gold-coloured, highly vesiculated pumice and represent the most primitive magma ever
erupted at Stromboli; the black scoria is crystal-rich (~50 vol % of crystals), rather dense, lower
vesiculated, usual product of the normal activity. The two portions are so different in features, but so
similar in bulk chemical composition ranging from K-rich basalt and shoshonitic basalt. They display
only slight variations in major and trace elements contents, and rare earth element patterns. The very
big differences are played by the volatile content (H2O-CO2-S) on the two part of rock.
The aims of this petrological experimentally study are: (i) to characterize the source region of
magmatism, (ii) to constrain the P-T-aH2O during the ascent path of yellow pumice magma, (iii) to
constrain the derivation of the black scoria from the yellow pumice magma during the rapid ascent
path in the shallow level of the Stromboli conduit.
The volatiles constituents play a narrower importance in the phase relations as in the chemical and
physical properties of the magmas. We planned two series of experiments, an isobaric 4 kbar (1175-
1050°C) section and an isothermal 1100°C (4-0.5 kbar) section, in variable water content, from
undersaturation near to the water saturation. We chosen as starting material one of the most primitive
yellow pumice never erupted. The starting composition will be prepared as glass, to avoid any residual
crystal, and glass finely crushed. Some additional experiment was carried out in order to ascertain the primitivity of our starting composition. Few experiments were done in mixed fluid volatiles (H2O +/-
CO2 +/- S).
According our experimental data yellow pumice is a near primitive magma in equilibrium with
clinopyroxenite source at P-T of stagnation: the first phase to appears on the liquidus is pyroxene;
olivine follows at lower temperature, for lower hydration conditions. Clinopyroxene plays an
important role at higher pressure conditions (4 kb), plagioclase instead is the most relevant phase at
lower pressure. It was possible to derive an experimental geobarometer from the cotectic ol/cpx ratio:
if we apply this correlation between pressure and cpx(ol ratio, we can obtain a pressure of
crystallisation for yellow pumice (3.7-2.9 kb) and black scoria (1.2-0.6 kb). Our experimental data,
show a clear correlation between Ca content in clinopyroxene and water content in the melt and this
correlation can be used a geohygrometer in the 3-phase assemblage, to infer the water content in
natural samples. The last important results are about empirical solubility data of both together H2OCO2
that are in bad accordance with most used thermodynamic models that overestimate the pressure
of saturation of nearly 50%
Le Stromboli est caractérisé par une activité persistente. Le risque associé avec l'activité volcanique au Stromboli comprend des émissions gazeuses et surtout les éruptions majeures qui peuvent provoquer aussi quelquefois des tsunamis. Le Stromboli est activement surveillé par les groupes de recherche et les institutions italiennes. Mes résultats présentent un modèle expérimental de l'ascension du magma à travers le volcan. La connaissance des propriétés physico - chimiques du magma peut permettre une interprétation à long terme du signal géophysique et peut aider sur la connaissance du comportement actuel du volcan.
L'activité normale du Stromboli est interrompue par des émissions de coulées de lave ou par des explosions plus énergiques. Les explosions plus violentes sont partagées entre explosions majeures (1-2 par années) et paroxysmiques (un évènement tous les 5-15 ans).
La plupart des travaux et des modèles dynamiques réalisés sur l'activité de Stromboli se sont focalisés sur l' activité normale du volcan, mais l'étude des phases paroxysmiques (l'activité la moins fréquente) peut donner informations des importants sur l'activité persistente.
Ces phases paroxysmiques permettent d'approcher les processus de mélange, de cristallisation et de dégazage le système volcanique. Pendant les explosions majeures et les paroxysmes, est émis un produit particulier constitué par une ponce jaune mélangée à une scorie noire. La ponce jaune est pauvre en cristaux (< 10 % vol), très vésiculée et représente le magma le plus primitif jamais émis a Stromboli; la scorie noire est, au contraire, riche en cristaux (~50 vol %), plutôt dense, très peu vésiculée et représente le produit de l'activité normale du Stromboli. Les deux parties sont très différentes texturalement, mais elles ont une composition de roche totale très similaire (entre HKCA et SHO). Elles montrent seulement des petites variations dans les teneurs de éléments majeurs et en traces. Les différences plus accentuées concernent les teneurs en volatils (H2O-CO2-S). L'objectif de ma recherche était de : (i) caractériser la région source du magmatisme (ii) donner des informations sur les conditions P-T-aH2O pendant la montée de la ponce jaune, (iii) suivre le parcours qui transforme en scorie noire la ponce jaune à travers sa montée rapide dans le niveau plus superficiel du Stromboli.
Les volatils jouent le rôle principal dans les relations de phases soit dans les propriétés chimiques soit dans les propriétés physiques du magma. Deux séries d'expériences ont été réalisées, à partir d'une ponce jaune éruptée dans un période postérieure à 1600 AD et antérieure à 800 AD: une section isobarique – 4 kb - entre 1175°C et 1150°C et une section isotherme – 1100°C – entre 400MPa et 50 MPa à teneur en eau variable (de la sou-saturation à la saturation) ont été réalisées. Quelques expériences ont étés réalisées pour vérifier la nature primitive de notre composition et quelques expériences ont été réalisées en présence de volatils mixtes (H2O +/- CO2 +/- S).
Les résultats montrent que la ponce jaune, utilisée comme matériel de départ est un magma primaire, en équilibre avec la clinopyroxènite-source à P-T de genèse. La première phase à cristalliser est le clinopyroxène, suivi de l'olivine. Le pyroxène joue un rôle très important à pression élevée (4kb). Le plagioclase, au contraire, est la phase prépondérante à basse pression. Il a été possible d'établir un géo-baromètre expérimental à partir du rapport ol/cpx. En appliquant cette corrélation expérimentale entre pression et rapport ol/cpx aux magmas naturels, on peut déduire une pression de cristallisation de 3.7-2.9 kb pour la ponce et 1.2-0.6 kb pour la scorie. Les données expérimentales montrent en outre une claire corrélation entre le teneur en Ca dans le pyroxène et le teneur en eau du verre: on peut donc utiliser cette corrélation comme un géo-hygromètre dans un assemblage à trois phases, pour en déduire le teneur en eau de échantillons naturels. Le dernier résultat important concernes les données empiriques de solubilité de H2O-CO2 qui sont en désaccord avec les modèles thermodynamiques normalement utilisés qui surestiment la pression de saturation de presque 50%.
L'activité normale du Stromboli est interrompue par des émissions de coulées de lave ou par des explosions plus énergiques. Les explosions plus violentes sont partagées entre explosions majeures (1-2 par années) et paroxysmiques (un évènement tous les 5-15 ans).
La plupart des travaux et des modèles dynamiques réalisés sur l'activité de Stromboli se sont focalisés sur l' activité normale du volcan, mais l'étude des phases paroxysmiques (l'activité la moins fréquente) peut donner informations des importants sur l'activité persistente.
Ces phases paroxysmiques permettent d'approcher les processus de mélange, de cristallisation et de dégazage le système volcanique. Pendant les explosions majeures et les paroxysmes, est émis un produit particulier constitué par une ponce jaune mélangée à une scorie noire. La ponce jaune est pauvre en cristaux (< 10 % vol), très vésiculée et représente le magma le plus primitif jamais émis a Stromboli; la scorie noire est, au contraire, riche en cristaux (~50 vol %), plutôt dense, très peu vésiculée et représente le produit de l'activité normale du Stromboli. Les deux parties sont très différentes texturalement, mais elles ont une composition de roche totale très similaire (entre HKCA et SHO). Elles montrent seulement des petites variations dans les teneurs de éléments majeurs et en traces. Les différences plus accentuées concernent les teneurs en volatils (H2O-CO2-S). L'objectif de ma recherche était de : (i) caractériser la région source du magmatisme (ii) donner des informations sur les conditions P-T-aH2O pendant la montée de la ponce jaune, (iii) suivre le parcours qui transforme en scorie noire la ponce jaune à travers sa montée rapide dans le niveau plus superficiel du Stromboli.
Les volatils jouent le rôle principal dans les relations de phases soit dans les propriétés chimiques soit dans les propriétés physiques du magma. Deux séries d'expériences ont été réalisées, à partir d'une ponce jaune éruptée dans un période postérieure à 1600 AD et antérieure à 800 AD: une section isobarique – 4 kb - entre 1175°C et 1150°C et une section isotherme – 1100°C – entre 400MPa et 50 MPa à teneur en eau variable (de la sou-saturation à la saturation) ont été réalisées. Quelques expériences ont étés réalisées pour vérifier la nature primitive de notre composition et quelques expériences ont été réalisées en présence de volatils mixtes (H2O +/- CO2 +/- S).
Les résultats montrent que la ponce jaune, utilisée comme matériel de départ est un magma primaire, en équilibre avec la clinopyroxènite-source à P-T de genèse. La première phase à cristalliser est le clinopyroxène, suivi de l'olivine. Le pyroxène joue un rôle très important à pression élevée (4kb). Le plagioclase, au contraire, est la phase prépondérante à basse pression. Il a été possible d'établir un géo-baromètre expérimental à partir du rapport ol/cpx. En appliquant cette corrélation expérimentale entre pression et rapport ol/cpx aux magmas naturels, on peut déduire une pression de cristallisation de 3.7-2.9 kb pour la ponce et 1.2-0.6 kb pour la scorie. Les données expérimentales montrent en outre une claire corrélation entre le teneur en Ca dans le pyroxène et le teneur en eau du verre: on peut donc utiliser cette corrélation comme un géo-hygromètre dans un assemblage à trois phases, pour en déduire le teneur en eau de échantillons naturels. Le dernier résultat important concernes les données empiriques de solubilité de H2O-CO2 qui sont en désaccord avec les modèles thermodynamiques normalement utilisés qui surestiment la pression de saturation de presque 50%.
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