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Du Maar au Diatrème: les champs volcaniques de Pali Aike (Argentine) et Missouri River Breaks (États-Unis) = From Maar to Diatreme: Pali Aike (Argentina) and Missouri River Breaks (United-States) volcanic fields.

Delpit, Séverine (2013). Du Maar au Diatrème: les champs volcaniques de Pali Aike (Argentine) et Missouri River Breaks (États-Unis) = From Maar to Diatreme: Pali Aike (Argentina) and Missouri River Breaks (United-States) volcanic fields. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 320 p.

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Résumé

Ce projet de doctorat traite de certains processus éruptifs des maars-diatrèmes. Ces volcans monogéniques, de composition felsique à ultramafique, représentent le second type de volcan subaérien le plus commun après les cônes de scories. Leur structure se divise en deux parties principales: (i) le maar qui comprend le cratère, recoupant la surface pré-éruptive, et l'anneau de matériel pyroclastique composé de plusieurs lits d'épaisseur variable; et (ii) le diatrème, la partie souterraine de forme conique, qui se compose d'une partie supérieure litée et d'une partie inférieure non-litée. À la base du diatrème se trouve la zone de la racine («root zone») : lien entre le dyke nourricier et la base du diatrème. La communauté volcanologique internationale s'accorde sur l'origine phréatomagmatique de ces volcans: ils sont formés par une multitude d'explosions engendrées par l'interaction du magma ascendant avec une source d'eau externe. Toutefois, il existe une controverse quant à l'origine des diatrèmes kimberlitiques, qui se formeraient soit par fragmentation magmatique à cause de l'abondance de volatiles dans le magma, soit par fragmentation phréatomagmatique. Les objectifs de ce projet étaient (i) de développer une méthode pour mesurer la granulométrie d'échantillons volcanoclastiques consolidés; (ii) d'étudier le contrôle potentiel de la nature du substrat sur la morphologie des maars-diatrèmes; (iii) de vérifier l'importance de la subsidence syn-éruptive dans l'évolution des diatrèmes; et (iv) de contraindre le mode de formation et de transport des pyroclastes juvéniles sub-sphériques à sphériques, communs dans les diatrèmes ultramafiques. Qui plus est, l'étude de diatrèmes ultramafiques a permis une comparaison entre ceux-ci et les diatrèmes kimberlitiques. Deux sites d'étude ont été choisis afin de répondre à ces objectifs. D'abord, des maars ont été investigués dans le champ volcanique plio-pléistocène Pali Aike (PA), de composition basaltique alcaline à basanitique, dans le sud de l'Argentine. Puis, des diatrèmes ultramafiques d'âge Éocène ont été étudiés dans le champ volcanique Missouri River Breaks (MRB), au Montana (États-Unis). Pour chacun des sites, une étude de la morphologie des systèmes ainsi qu'une étude détaillée des dépôts pyroclastiques ont été réalisées. Les observations de terrain ont été associées à des analyses en laboratoire: granulométrie, pétrographie et géochimie. Pour les dépôts consolidés, une méthode d'analyse granulométrique par traitement d'images et stéréologie a été développée afin d'avoir des données directement comparables aux données granulométriques d'échantillons meubles obtenues par tamisage. L'influence syn-éruptive du substrat sur les maars et les diatrèmes pourrait avoir été surestimée dans la littérature. Les diatrèmes du champ volcanique MRB, mis en place dans un substrat « mou », sont profonds (>1,3-1,5 km), larges, et leur parois sont abruptes ce qui est plutôt typique d'un substrat rocheux: la partie profonde du diatrème n'est pas influencée fortement par le substrat. Pour les maars, la difficulté est de séparer l'évolution post-éruptive de la forme du cratère juste après l'éruption. Les maars du champ volcanique PA se sont mis en place dans un substrat « mixte », mais leur morphologie semble avoir été plus affectée par des processus post-éruptifs (érosion et subsidence) que par la nature du substrat au moment de l'éruption. La subsidence syn-éruptive est un mécanisme ayant été très actif durant la mise en place des maars-diatrèmes du champ volcanique MRB. Les indices de terrain le démontrant sont : le litage en auge dans les dépôts pyroclastiques, à grande profondeur par rapport à la paléosurface; la présence de domaines de la roche encaissante à plus de 1 km de profondeur par rapport à leur niveau d'origine; et les lits sédimentaires courbés dans le substrat en bordure du diatrème. Toutefois, la subsidence syn-éruptive n'est pas forcément observable dans tous les maars-diatrèmes à travers le monde, et la variation de l'importance de ce phénomène a des implications pour les modèles de mise en place des diatrèmes. Les pyroclastes juvéniles sub-sphériques à sphériques, souvent identifiés dans les diatrèmes kimberlitiques - et donc supposés par plusieurs auteurs être formés par fragmentation magmatique - se retrouvent aussi dans les dépôts pyroclastiques des diatrèmes du champ MRB. L'absence de vésicules et le fait que de tels pyroclastes aient été recréés en laboratoire par fragmentation phréatomagmatique prouvent qu'il est possible de les intégrer dans le modèle phréatomagmatique de mise en place des diatrèmes du champ volcanique MRB. Ces pyroclastes se forment suite à la fragmentation d'un magma peu visqueux dans le diatrème et acquièrent une forme sphérique par tension de surface avant de refroidir rapidement. Les nombreux point communs mis en évidence entre les diatrèmes de composition ultramafique du champ volcanique MRB et les diatrèmes de composition kimberlitique (classe 1) tels que: (i) une structure comparable; (ii) une composition ultramafique; (iii) du litage dans les dépôts pyroclastiques; (iv) des colonnes de dépôts pyroclastiques non-litées; (v) des domaines du substrat déplacés dans le diatrème; et (vi) la présence de pyroclastes juvéniles sub-sphériques à sphériques, a conduit à l'hypothèse qu'une fragmentation phréatomagmatique peut être également envisagée pour la formation des maars-diatrèmes kimberlitiques.

Abstract

This doctoral thesis addresses eruptive processes in maar-diatreme volcanoes. These monogenetic volcanoes of felsic to ultramafic composition are the second most common type of subaerial volcano after scoria cones. Their structure is divided into two major parts: (i) the maar, a crater which cuts the pre-eruptive surface, surrounded by a tephra ring composed of several beds of variable thicknesses; (ii) the diatreme, the cone-shaped subterranean part, which is composed of an upper bedded part and a lower unbedded part. At the base of the diatrème, the root zone marks the transition between the feeder dyke and the diatreme. The international volcanology community agrees on the phreatomagmatic origin of these volcanoes: they form by a series of explosions resulting from the interaction of rising magma with external water. However, there is some controversy about kimberlitic diatremes which would result either from magmatic fragmentation (due to excess volatiles in the magma) or from phreatomagmatic fragmentation. The objectives of the project were to (i) develop a method to measure the grain-size distribution of consolidated volcaniclastic samples; (ii) study the potential control of the type of substrate on maar-diatreme morphology; (iii) verify the importance of syn-eruptive subsidence for the evolution of diatremes; and (iv) constrain the mode of formation and transport of juvenile sub-spherical to spherical pyroclasts, common in ultramafic diatremes. In addition, the study of ultramafic diatremes allows a comparison between them and kimberlitic diatremes. Two study sites were chosen. First, maars were investigated within the Pali Aike volcanic field (PAVF), of alkali basalt to basanitic composition, in southern Argentina. Then ultramafic diatremes of Eocene age were studied in the Missouri River Breaks (MRB) volcanic field in Montana (United States). For each site, the morphology of the volcanoes was characterized, and a detailed study of the pyroclastic deposits was made. Field observations were associated to laboratory analyses: grain-size, petrography and geochemistry. For consolidated deposits, an image processing and stereology method has been developed to obtain grain-size data directly comparable with sieving data from unconsolidated samples. The influence of the type of substrate, on maars and diatremes during the eruption may have been overestimated in the literature. The MRB diatremes were emplaced in a soft substrate yet they are deep (>1.3 km-1.5 km), wide, and steep, features supposedly more typical of diatremes emplaced in a hard substrate. Clearly, the deep diatreme is not strongly influenced by the type of substrate. For maars, the difficulty is to separate the post-eruptive evolution from the crater shape just after the eruption. The PAVF maars are set in a mixed substrate, but their morphology seems to be more influenced by post-eruptive processes (erosion and subsidence) than by the type of substrate during the eruption. Syn-eruptive subsidence was very active during the emplacement of the MRB diatremes. Field evidence supporting this contention includes the saucer-shape bedding of pyroclastic deposits to great depths from the paleosurface; the presence of country rock domains now displaced more than 1 km down from their original levels; and the downward curvature of sedimentary layers in the substrate near the walls of the diatremes. However, syn-eruptive subsidence is not necessarily observable in ail maar-diatremes worldwide and variations in the importance of this phenomenon have implications for diatreme emplacement models. The sub-spherical to spherical juvenile pyroclasts often identified within kimberlitic diatremes - and assumed by several authors to be formed by magmatic fragmentation - are also found in the pyroclastic deposits of the MRB diatremes. The lack of vesicles and the fact that such pyroclasts have been created in the laboratory as a result of phreatomagmatic fragmentation show that it is possible to integrate them in a phreatomagmatic model for the MRB diatremes. These pyroclasts are formed by fragmentation of low viscosity magma in the diatreme and acquire their spherical shape due to surface tension, before cooling quickly. The numerous common points between ultramafic diatremes of the MRB volcanic field and kimberlitic diatremes (class 1) such as (i) a comparable structure; (ii) an ultramafic composition; (iii) the presence of bedded pyroclastic deposits; (iv) the occurrence of columns of unbedded pyroclastic deposits; (v) country rock domains displaced downwards in the diatreme; and (vi) the presence of sub-spherical to spherical juvenile pyroclasts, leads to the idea that phreatomagmatic fragmentation can be envisaged for kimberlitic diatremes too.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Ross, Pierre-Simon
Co-directeurs de mémoire/thèse: Harris, Lyal
Mots-clés libres: champs volcaniques; maar; diatrème; kimberlite; granulométrie; stéréologie; Pali Aike; Missouri River Breaks; Argentine; États-unis
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 sept. 2013 20:59
Dernière modification: 19 nov. 2015 20:13
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1504

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