Sulfur recycling and degassing in subduction zone : Insights from volatile element and sulfur isotope compositions of olivine-hosted melt inclusions from Kyushu Island volcanoes, Japan
Recyclage et dégazage du soufre dans une zone de subduction : Aperçus à partir des compositions isotopiques de soufre et des éléments volatils des inclusions magmatiques piégées dans les olivines des volcans de l'île de Kyushu, au Japon
Résumé
Sulfur is a volatile element that outgasses from magmas. Its role in volcanology and mantle geochemistry, therefore, needs to be assessed through primitive magmas, to exclude the influence of magma evolution process and degassing. In my thesis, the primary goal is to find these primitive magmas, and characterize their volatile element concentrations and sulfur isotopic compositions. My research covers two important processes of the sulfur cycle in a subduction zone. 1) First, the transport of material from the subducting plate (slab) to the mantle wedge, because the nature of the sulfur dissolved in the fluids escaping from the slab, as well as its speciation and sulfur isotopic composition, remain poorly constrained. 2) Second is the degassing of primitive magma during its ascent, prior to eruption at arc volcanoes, because this process is critical in understanding the observed global discrepancies between total sulfur masses discharged and dissolved sulfur in magmas estimated by petrology, commonly referred to as "excess degassing of sulfur". Melt inclusions of Aso volcano (Japan) allows to identify the primitive mafic magma responsible for the deep volatile element flux in a mature volcano, providing petrological constraints on (1) the depths of the magma reservoirs, as well as (2) the origin of the observed volcanic gases. In this study, I analyzed melt inclusions and phenocrysts of Holocene basaltic eruptions, and reported their concentrations of major and volatile elements. The samples showed clear evidences of magma mixing, such as reverse mineral zonation, and highly variable mineral and glass compositions. I found that the pre-eruptive storage depths were 2 km and 4 km below the edifice, for the Strombolian eruption and the sub-Plinian eruption, respectively. The most volatile-rich primitive magma, which is one of the magmas participating in the mixing, originates from a deeper level (>10 km). I determined the initial volatile element concentrations of the primitive magma: >4.68 wt% H2O, 400 - 750 ppm CO2, 3750 ppm S, 716 ppm Cl and 324 ppm F. I then studied melt inclusions trapped in olivines from nine volcanoes on Kyushu Island, Japan to understand the systematics of sulfur behavior in the primary magmas along this arc segment. I measured major, trace, and volatile elements as well as sulfur isotopes in olivine melt inclusions from tephra of Oninomi, Yufu, Kuju, and Aso, to southern Kyushu with Kirishima (2 cones), Sumiyoshi-ike, and Kaimon, and one back-arc volcano, Fukue. For each edifice, I identified the least degassed compositions and selected melt inclusions from the primary magma. Sr/Y ratios highlight a compositional dichotomy between volcanoes in northern Kyushu (Sr/Y>20) and southern Kyushu (Sr/Y<20), separated by the Kyushu-Palau ridge. Trace element systematics records a stronger slab melt signature, with residual garnet, in northern Kyushu. Two volcanoes, Fukue and Oninomi, lie outside these two groups and are interpreted as originating from a mantle wedge with weak slab inputs. The δ34S in melt inclusions range from -0.32±0.79 ‰ to +9.43±0.47 ‰ (2σ) and trace the source of magma from the different volcanoes, rather than degassing or crustal fractionation processes. The δ34S variation is not controlled by the nature of the fluid (aqueous or silicate liquid) metasomatizing the mantle wedge. Rather, this study highlights the need for a component with a high δ34S, such as seawater sulfates in the agent metasomatizing the mantle wedge.
Le soufre est un élément volatile qui dégaze des magmas. Son rôle en volcanologie et en géochimie du manteau doit donc être évalué à partir des magmas primitifs pour exclure l'influence du processus d'évolution du magma et du dégazage. Dans ma thèse, l'objectif principal est de trouver les magmas primitifs, et de caractériser leurs concentrations en éléments volatils et leurs compositions isotopiques en soufre. Mes recherches portent sur deux processus importants du cycle du soufre dans une zone de subduction. 1) Le premier est le transport de matériel de la plaque plongeante vers le coin mantellique, car la nature du soufre dissout dans les fluides s'échappant de cette dernière, ainsi que sa spéciation et sa composition isotopique, restent mal connues. 2) Le second est le dégazage du magma primitif au cours de son ascension, avant l'éruption au niveau des volcans d’arc, car ce processus est essentiel pour comprendre les écarts mondiaux observés entre les masses totales de soufre évacuées et le soufre dissout dans les magmas estimés par la pétrologie, communément appelé "excès de soufre dégazé".Les inclusions magmatiques du volcan Aso (Japon) permettent d'identifier le magma mafique primitif responsable du flux profond d'éléments volatils dans ce volcan mature, fournissant des contraintes pétrologiques sur (1) les profondeurs des réservoirs magmatiques, ainsi que sur (2) l'origine des gaz volcaniques observés. Dans cette étude, j'ai analysé des inclusions magmatiques et des phénocristaux provenant d'éruptions basaltiques holocènes, et j'ai rapporté leurs concentrations en éléments majeurs et volatils. Les échantillons présentaient des signes évidents de mélange magmatique, comme une zonation minérale inversée, et des compositions minérales et vitreuses très variables. J'ai déterminé des profondeurs de stockage pré-éruptif de 2 km et 4 km sous l'édifice, pour l'éruption strombolienne et l'éruption sub-plinienne, respectivement. Le magma primitif le plus riche en éléments volatils, qui est l'un des magmas participant au mélange, provient d'un niveau plus profond (>10 km). J'ai déterminé les concentrations initiales en éléments volatils du magma primitif : >4,68 % en poids de H2O, 400 - 750 ppm de CO2, 3750 ppm de S, 716 ppm de Cl et 324 ppm de F.J'ai ensuite étudié les inclusions magmatiques piégées dans les olivines de neuf volcans de l'île de Kyushu, au Japon, afin de comprendre la systématique du comportement du soufre dans les magmas primaires le long de ce segment d'arc. J'ai mesuré les éléments majeurs, traces et volatils ainsi que les isotopes du soufre dans les inclusions magmatiques d'olivines provenant des téphras d'Oninomi, Yufu, Kuju et Aso, du sud de Kyushu avec Kirishima (2 cônes), Sumiyoshi-ike et Kaimon, et d'un volcan de l'arrière-arc, Fukue. Pour chaque édifice, j'ai identifié les compositions les moins dégazées et sélectionné les inclusions magmatiques du magma primaire. Les rapports Sr/Y mettent en évidence une dichotomie de composition entre les volcans du nord de Kyushu (Sr/Y>20) et du sud de Kyushu (Sr/Y<20), séparés par la crête Kyushu-Palau. La systématique des éléments traces enregistre une signature de fusion de la plaque plongeante plus forte, avec du grenat résiduel, dans le nord de Kyushu. Deux volcans, Fukue et Oninomi, se situent à l'extérieur de ces deux groupes et sont interprétés comme provenant d'un coin mantellique avec de faibles apports de la plaque plongeante. Les δ34S dans les inclusions de fusion varient de -0,32±0,79 ‰ à +9,43±0,47 ‰ (2σ) et retracent la source du magma des différents volcans, plutôt que des processus de dégazage ou de fractionnement crustal. La variation du δ34S n'est pas contrôlée par la nature du fluide (aqueux ou liquide silicaté) métasomatisant le coin mantellique. Cette étude met plutôt en évidence la nécessité d'un composant avec un δ34S élevé, comme les sulfates d'eau de mer, dans l'agent métasomatisant le coin mantellique.
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