Magmatic processes in a silicic caldera-forming system: Valles caldera, New Mexico, USA

Large, silicic, caldera-forming eruptions are infrequent, but their impact on humans and their environment can be dramatic.This emphasises the importance of a good understanding of these so-called "supervolcanic" systems and of the processes that take place in their magma chambers.Valles caldera is an ideal system in which to study these processes; its continuous sequence of eruptions provides a window into both the magma chamber primed for eruption, and into the reestablishment of the magma chamber between two super-eruptions.Volatiles play a key role in magma chambers, both as dissolved species in the melt and in exsolved vapour phases.In this thesis, I measured halogen, H2O and CO2 concentrations in melt inclusions from the Lower Bandelier Tuff (LBT), Upper Bandelier Tuff (UBT), the Valle Toledo Member (VTM) rhyolites in between, and the Deer Canyon Rhyolites at the end of the UBT sequence, in order to reconstruct volatile evolution in the Bandelier magmatic system.By comparing the behaviour of fluorine, chlorine and bromine in the eruption sequence, I concluded that large masses of Cl and Br were fractionated from the magma to a separate exsolved fluid phase.While syneruptive degassing of halogens was negligible in both the LBT and the UBT eruptions, the fluid phase released 4800 Tg of Cl and 5.7 Tg of Br to the atmosphere during the LBT eruption, and 2090 Tg Cl and 3.6 Tg Br in the UBT eruption.This implies the Bandelier eruptions had a severe impact on the chemistry of the paleo-atmosphere, particularly on the ozone layer.Three sharp increases to higher CO2 concentrations are recorded in the Bandelier sequence: (1) in the LBT plinian, where dissolved CO2 concentrations increase from a mean value of 27 ppm at the base of the plinian to 173 ppm in the mid-plinian; (2) in VTM group III, which at a mean of 197 ppm exhibit the highest CO2 concentrations of the entire sequence; and (3) in the UBT plinian, VI where CO2 concentrations increase from a mean of 54 ppm at the base of the plinian to 101 ppm in the mid-plinian.I interpret these sharp increases as the result of the injection of fresh magma into the chamber, with CO2-rich vapours that exsolved from the recharge magma percolating through the magma chamber and increasing CO2 concentrations.In a departure from volatiles, I finally focused on the importance of recharge events into the Valles caldera system.Prompted by the suggestion in previous studies that a series of hornblende-rich dacite pumices in the early-erupted UBT are related to the pre-caldera, intermediate composition Tschicoma Formation, I performed a geochemical study of the Tschicoma lava dome and lava flow complexes.Through major, trace element and isotopic analyses, I identified different evolutionary trends, which through different combinations of fractional crystallisation, assimilation of crustal material and magma mixing led to the geochemical diversity observed today.By relating the geochemistry of the Tschicoma domes to that of the dacite pumices in the UBT, I propose that a more mafic, possibly andesitic, parental magma to the Tschicoma dacites was injected into the UBT magma chamber, where it mixed with the resident UBT rhyolite magma to form the hornblende-rich dacite pumices.VII RÉSUMÉ Les grandes éruptions siliciques formant une caldeira sont peu fréquentes, mais leur impact sur l'humanité et son environnement peut être dramatique.Cela souligne l'importance d'une bonne compréhension de ces systèmes dits "supervolcaniques" et des processus qui se déroule dans les chambres magmatiques sous-jacentes.Valles caldera est un système idéal pour étudier ces processus: sa séquence continue d'éruptions fournit une fenêtre à la fois sur la chambre magmatique prête pour l'éruption, et sur le rétablissement de la chambre magmatique entre deux superéruptions.Les volatiles jouent un rôle clé dans les chambres magmatiques, aussi bien en tant qu'espèces gazeuses dissoutes dans le magma que dans les phases gazeuses exsolvées.Dans cette thèse, j'ai mesuré les concentrations d'halogènes, H2O et CO2 dans les inclusions vitreuses du Lower Bandelier Tuff (LBT), du Upper Bandelier Tuff (UBT), des rhyolites de Valle Toledo Member (VTM) entre les deux éruptions Bandelier et dans les rhyolites de Deer Canyon à la fin de la séquence.Ceci m'a permis de reconstruire les évolutions des éléments volatiles dans le système magmatique Bandelier.En comparant le comportement du fluor, du chlore et du brome dans la séquence d'éruption, j'ai conclu que de grandes masses de Cl et de Br furent fractionnées du magma vers une phase fluide séparée exsolvées.Alors que le dégazage syn-éruptif des halogènes était négligeable dans les deux éruptions Bandelier, la phase fluide libéra 4800 Tg de Cl et 5,7 Tg de Br dans l'atmosphère pendant l'éruption du LBT, et 2090 Tg Cl et 3,6 Tg Br dans l'éruption du UBT.Cela implique que les éruptions du Bandelier ont eu un impact sévère sur la chimie de la paléoatmosphère, en particulier sur la couche d'ozone.Trois fortes augmentations des concentrations de CO2 sont enregistrées dans la séquence de Bandelier: (1) dans la phase plinienne du LBT, où les concentrations de CO2 dans le magma passent VIII d'une valeur moyenne de 27 ppm à la base, à 173 ppm au milieu la phase plinienne; (2) dans le groupe VTM III, qui avec une moyenne de 197 ppm présente les concentrations de CO2 les plus élevées de toute la séquence; et (3) dans la phase plinienne du UBT, où les concentrations de CO2 passent d'une moyenne de 54 ppm à la base, à 101 ppm au milieu de la phase plinienne.J'interprète ces fortes augmentations comme le résultat d'injections de magma frais dans la chambre magmatique, au cours desquelles des vapeurs riches en CO2 exsudées du magma de recharge percolèrent à travers la chambre magmatique en augmentant les concentrations de CO2 du magma.Dans le chapitre final, je me concentre sur l'importance des événements de recharge dans le système magmatique de Valles caldera.Motivée par la suggestion dans des études précédentes qu'une série de pierres ponces de dacite riches en hornblende dans le début de l'éruption du UBT sont liées à la Formation Tschicoma, une série d'éruptions de dômes de lave intermédiaires formée avant la caldeira, j'ai effectué une étude géochimique des dômes du Tschicoma.En me basant sur des analyses d'éléments majeures, d'éléments traces et sur des analyses isotopiques, j'ai identifié trois tendances évolutives distinctes, qui à travers différentes combinaisons de cristallisation fractionnée, d'assimilation de matière crustale et de mélange de magma, ont mené à la diversité géochimique observée aujourd'hui dans le Tschicoma.En comparant la géochimie des dômes de Tschicoma à celle des ponces de dacite dans l'UBT, j'avance qu'un magma parental mafique des dacites de Tschicoma, possiblement de composition andésitique, fut injecté dans la chambre magmatique de l'UBT, où il s'est mélangé au magma rhyolitique résident pour former les pierres ponces dacitiques riches en hornblende.

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