Geochemical and textural indicators of syn-eruptive degassing during recent rhyolitic eruptions

Silicic volcanoes are capable of producing dangerous explosive eruptions and the effusion of lava and domes. Observations from recent rhyolitic eruptions demonstrated how the transition between these two end-member behaviours is markedly complex. Fractures, commonly preserved as tuffisite veins, are transient permeable pathways that allow for the punctuated but efficient escape of volatiles. They are considered key enablers of degassing but their interactions with deeper, gas-rich reservoirs and influence on melt chemistry are not fully understood. Preserved 210Pb-226Ra isotope disequilibria, volatile trace element heterogeneity, and complex vein and breccia textures in volcanic bombs have been previously associated with gas fluxing within the conduit. In this thesis I utilise both textural and chemical heterogeneity preserved in samples from the first observed rhyolite eruptions, Chaitén (2008) and Cordón Caulle (2011-2012), to assess how degassing processes are preserved from the dm to nm scale. 210Pb-226Ra isotope and trace element analyses were conducted on 'mini-bulk' samples of tuffisite veins and their respective hosts to understand gas flow through fractures, from deeper reservoirs. The lack of 210Pb-226Ra disequilibria preserved in veins constrains the upper limit for the volume of magma that can be degassed by a tuffisite vein during its lifetime. Whilst trace element enrichments and depletions in veins record preferential gas fluxing (e.g. Li, Cu, Pb, Tl, Bi), results are limiting because tuffisites and breccias, which preserve the fracturing process, are comprised of clasts that have each undergone differing degrees of degassing. To further constrain gas fluxing and clasts' individual histories, electron microprobe and laser ablation ICP-MS analyses were undertaken across mm to µm-scale textures in samples from Cordón Caulle. Chemical and textural heterogeneity are strongly linked, depletions of metals (e.g. Zn, Pb, Tl) in veins highlight scavenging by the fluxing volatile phase. Trace element systematics constrain minute-hour fracture lifespans and show how these increase towards the surface and with eruption duration. Trace element analyses are analytically limited to the order of 10s of microns to yield accurate and precise results. But texturally fracturing processes can be investigated to the nm scale. The study of the interfaces between host and vein material show how veins exploit pre-existing bubble networks and can infill them with ash. Rheological weaknesses are exploited to allow cycles of fragmentation, degassing, sintering and healing of melts. Post-fracture melt compaction highlights how even small veins can degas vesicular magmas on the cm-scale.By investigating fracture processes texturally and chemically at differing analytical scales, I constrain (1) the degree to which fractures and permeable gas reservoirs interact; (2) the timescales fractures outgas for; and (3) how heterogeneity is preserved as a function of depth in the conduit and eruption duration. Fractures exploit pre-existing permeable networks at depth, extracting volatiles on a cm-scale, but not enough magma is degassed to induce 210Pb-226Ra isotope disequilibria in tuffisite veins. The channelling of volatiles from reservoirs through fractures in the conduit plug results in metal exchange with transported shards and localised volatile exchange at fracture-host interfaces (constraining fracture lifespans). Outgassing at the near-surface, later in the eruption, occurs for longer resulting in a greater degree of metal and textural heterogeneity. In conclusion, I show fractures play a fundamental spatial and temporal role in degassing of silicic magmas and can directly impact the changing explosive-effusive behaviour observed during eruptions.Les volcans siliciques sont capables de produire des éruptions explosives dangereuses, où de mener à l'épanchement de lave et la formation de dômes. Les observations d'éruptions rhyolitiques récentes ont montré à quel point la transition entre ces deux comportements extrêmes est complexe. Les fractures, généralement préservées sous forme de veines tuffisitiques, sont des voies perméables transitoires qui permettent l'échappement ponctuel mais efficace des éléments volatiles. Elles sont considérées comme des catalyseurs essentiels du dégazage, mais leurs interactions avec des réservoirs plus profonds et riches en gaz et leur influence sur la chimie des masses fondues ne sont pas entièrement comprises. L'enregistrement du déséquilibre isotopique 210Pb-226Ra, l'hétérogénéité des éléments-traces volatils et les textures complexes des veines et des brèches dans les bombes volcaniques ont déjà été associés à des flux de gaz dans le conduit. Dans cette thèse, j'utilise l'hétérogénéité texturale et chimique préservée dans des échantillons des premières éruptions observées de rhyolite, Chaitén (2008) et Cordón Caulle (2011-2012), pour évaluer la façon dont les processus de dégazage sont préservés de l'échelle décimétrique à nanométrique.Des analyses d'isotopes 210Pb-226Ra et d'éléments-traces ont été effectuées sur des échantillons représentatifs de veines tuffisitiques et de leurs encaissants respectifs afin de comprendre le flux de gaz à travers les fractures à partir de réservoirs plus profonds. L'absence de déséquilibre isotopique 210Pb-226Ra enregistré dans les veines contraint la limite supérieure du volume de magma qui peut être dégazé par une veine tuffisite pendant sa durée de vie. Bien que les enrichissements ou appauvrissements en éléments-traces dans les veines indiquent un flux gazeux préférentiel (par exemple, Li, Pb, Tl, Bi), les résultats sont mitigés, car les tuffisites et les brèches, qui préservent le processus de fracturation, sont constituées de fragments ayant subi différents degrés de dégazage. Pour contraindre davantage le flux de gaz et les histoires individuelles des clastes, des analyses par microsonde électronique et par ICP-MS à ablation laser ont été effectuées sur des textures allant d'échelle millimétrique a micrométrique sur des échantillons du Cordón Caulle. Les hétérogénéités chimiques et texturales sont fortement liées, et des appauvrissements en métaux (par exemple, Zn, Pb, Tl) dans les veines mettent en évidence la récupération par le passage de la phase volatile. La systématique des éléments-traces contraint les durées de vie des fractures avec une précision allant de la minute à l'heure et montre comment la durée de vie augmente vers lorsque l'on se rapproche de la surface et augmente avec la durée de l'éruption. Les processus de fracturation texturale peuvent être étudiés à l'échelle nanométrique. L'étude des interfaces entre la roche encaissante et le matériau de la veine montre comment les veines exploitent les réseaux de bulles préexistants et peuvent les remplir de cendres. Les faiblesses rhéologiques sont exploitées pour permettre des cycles de fragmentation, de dégazage, de frittage et de cicatrisation des masses fondues. La compaction post-fracture du magma souligne le fait que même de petites veines peuvent dégazer des magmas vésiculaires à l'échelle centimétrique.En examinant les processus de fracture selon leur chimies et textures, à échelles analytiques différentes, je contraint (1) le degré d'interaction des fractures et des réservoirs de gaz perméables; (2) les échelles de temps selon lesquelles les fractures dégazent ; et (3) la façon dont l'hétérogénéité est préservée en fonction de la profondeur dans le conduit et de la durée de l'éruption. En conclusion, je montre que les fractures jouent un rôle spatial et temporel fondamental dans le dégazage des magmas siliciques et peuvent influencer directement le changement de comportement explosif-effusif observé lors des éruptions