Soutenance mémoire
Géochimie des gaz volcaniques
Les magmas sont constitués d’un mélange de composés silicatés et de gaz dissous à haute température et à haute pression. Lors de leur mise en place dans les niveaux superficiels de la croûte terrestre, ces magmas sont soumis à une forte diminution de pression qui engendre une différentiation entre une phase liquide (lave) et une phase gazeuse qui migre vers la surface de l’édifice volcanique avant son émission à l’atmosphère. Au cours de cette migration, la phase gazeuse initiale subit de profondes modifications physico-chimiques liées à son refroidissement et à des interactions complexes avec la roche encaissante ou des fluides extérieurs infiltrés dans l’édifice volcanique, comme les eaux météoriques ou l’eau de mer (cas des systèmes hydro-volcaniques). La composition élémentaire et isotopique des gaz émis en surface (constitués en proportions variables d’H2O, CO2, H2S, H2, CO, CH4, SO2, HCl, HF, d’autres gaz en traces et d’éléments métalliques) est par conséquent une véritable mine d’informations car elle est la résultante de l’ensemble de ces processus. Elle est susceptible de nous renseigner sur l’état d’activité du volcan, sur les sources des éléments, mais aussi sur la nature et l’amplitude des processus se produisant au sein de l’édifice volcanique.
Plusieurs approches visant à caractériser les phases en présence et à quantifier ces processus et interactions sont décrites dans la littérature. Les paragraphes suivants ne prétendent pas lister de manière exhaustive l’ensemble de ces approches, mais présentent les méthodologies qui sont en relation directe avec ce travail .
VERSION ABREGEE DE L’ARTICLE EN FRANÇAIS
L’objectif de cette étude est de présenter un nouveau dispositif, appelé le VES (Venturi Effect System), destiné à l’échantillonnage des panaches volcaniques. Cet appareil a été élaboré pour faciliter l’accès à la composition chimique des panaches volcaniques (gaz acides, éléments en trace métalliques). En effet, les méthodes classiquement utilisées pour l’obtention de ces compositions reposent essentiellement sur des techniques de filtrations qui présentent plusieurs désavantages. Ces méthodes nécessitent l’utilisation d’un appareillage complexe, qui se révèle souvent peu pratique à utiliser dans les conditions de terrain. De plus, les techniques analytiques requises pour l’obtention des données sont lourdes (Induced Neutron Activation Analysis, INAA) et la représentativité de ces modes d’échantillonnage est contestée dans la littérature, le prélèvement non-quantitatif des espèces les plus volatiles étant le plus souvent mis souvent en évidence [Finnegan et al., 1989; Vié le Sage, 1983].
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement du VES (Fig.2, page 33) est basé sur l’aspiration, à l’aide d’une pompe électrique 12V, de l’échantillon de panache volcanique dans une solution d’ammoniac (NH4OH 5N, ultra-pure, MERCK), permettant la dissolution de l’eau, des gaz acides et des éléments en trace métalliques (MTE). L’échantillon ainsi obtenu permet d’accéder à la composition chimique du panache volcanique par des méthodes analytiques largement répandues, comme l’HPLC (High Pressure Liquid Chromatography) pour les analyses S, Cl, F ou L’ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) pour l’analyse des compositions en éléments trace.
Échantillonnage
Dans le but de tester et de valider ce nouveau mode d’échantillonnage, deux campagnes de prélèvements ont été effectuées sur le Vulcano (Iles Eoliennes, Italie) en 2000 et 2001. Durant ces campagnes, nous avons sélectionné une fumerolle isolée : F0 (Fig.1, page 32), et effectué des échantillonnages en parallèle en utilisant plusieurs méthodes de prélèvements. Des échantillonnages directs de la fumerolle par ampoules à soude [Giggenbach, 1975] et à ammoniac [Sortino et al., submitted ; cf. chapitre II] nous ont permis d’obtenir la composition de référence de la fumerolle sélectionnée. Le VES a, quant à lui, été placé à 3 à 5 mètres sous le vent de la fumerolle pendant les prélèvements. Durant la campagne effectuée en 2000, des prélèvements de panache ont aussi été effectués en plaçant un filtre à l’entrée du VES. L’ensemble de ces échantillons nous a permis de comparer les données obtenues à l’aide du VES (seul ou avec filtre) aux données du gaz de référence obtenues par les ampoules NaOH et NH4OH.
Résultats
Gaz acides
La comparaison des rapports Cl/F et Cl/SO4 obtenus par HPLC dans les échantillons VES et dans les ampoules NaOH (Fig. 3, page 34) nous ont permis de valider la méthode pour l’échantillonnage des gaz acides. En effet, les rapports obtenus entre les deux techniques sont très comparables, ce qui confirme l’efficacité des prélèvements par VES. Il est aussi démontré que les échantillons de panache obtenus par ajout d’un filtre à l’entrée du VES présentent des rapports Cl/SO4 sensiblement différents. Ce phénomène est attribué à un fractionnement du soufre lors de la filtration, ce qui confirme la non-représentativité de cette méthodologie d’échantillonnage.
Éléments en trace
La validation de la méthode VES pour l’analyse des éléments en trace a été obtenue par comparaison des facteurs d’enrichissements (EF) par rapport à l’aluminium (page 35) entre un échantillon de gaz prélevé directement sur l’évent fumerolien à l’aide d’une ampoule NH4OH et de la moyenne de 5 échantillons VES (Fig. 4 ; page 35). Les diagrammes d’enrichissements obtenus par les deux méthodes sont globalement similaires. Cependant, il est observé que les facteurs d’enrichissement dans le panache sont systématiquement égaux ou inférieurs à ceux qui sont obtenus dans l’ampoule NH4OH. Ces différences sont attribuées aux comportements variables des éléments trace à l’interface volcan-atmosphère, certains d’entre eux pouvant précipiter sous forme d’incrustations, classiquement observées sur les évents fumeroliens.
Conclusion
Le VES s’est avéré être un outil simple et efficace pour l’obtention de données représentatives sur les compositions en gaz acides (rapports S, Cl, F) et en éléments trace des panaches volcaniques. Ce dispositif, testé en conditions réelles, a présenté un grand nombre d’avantages :
1) Un seul échantillon VES est nécessaire pour l’obtention de la composition en gaz acides et en éléments en trace du panache volcanique.
2) L’utilisation de solutions d’ammoniac permet d’analyser les échantillons VES par des méthodes très largement répandues (HPLC, ICP-MS).
3) Ce nouveau dispositif s’est avéré être un outil robuste et aisément transportable (dimensions : 0.43 x0.33×0.3m, pour un poids total de 5kg) dans les conditions de terrain. Par conséquent, il semble être très adapté à la surveillance géochimique en continu des panaches volcaniques, principalement dans les cas où l’accès aux champs fumeroliens s’avère difficile.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I – Nouvelle méthodologie d’échantillonnage des panaches volcaniques
I-1 Version abrégée en français de l’article
I-1-1 Introduction
I-1-2 Résultats
I-1-3 Conclusion
I-2 Toutain, et al., (2003), A new collector for sampling volcanic aerosols, J. Volcanol. Geotherm. Res., 123 (1-2), 95-103
Chapitre II – Utilisation des ampoules à ammoniac sous vide pour l’échantillonnage des gaz fumeroliens
II-1 Version abrégée en français de l’article
II-1-1 Introduction
II-1-2 Résultats
II-1-3 Conclusion
II-2 Sortino et al., (submitted), Giggenbach’s 1975 revisited: using ammoniac to sample volcanic gases, J. Volcanol. Geotherm. Res
Chapitre III – Première étude isotopique couplée Sr/Pb des gaz volcaniques et des eaux thermales de Vulcano (Italie)
III-1 Version abrégée en français de l’article
III-1-1 Introduction
III-1-2 Résultats
III-1-3 Conclusion
III-2 Nonell et al., (in press.), First coupled Sr and Pb isotopic measurements in volcanic gas condensates and groundwaters of Vulcano island (Italy), Geochem. Geophys. Geosyst. 2005GC000980
Chapitre IV – Variations isotopiques du Zn dans les gaz volcaniques, les sublimés et les roches du Merapi (Indonésie)
IV-1 Version abrégée en français de l’article
IV-1-1 Introduction
IV-1-2 Résultats
IV-1-3 Conclusion
IV-2 Nonell et al., (submitted), Evidence for Zn isotopic variations at Merapi active volcanic system, Earth Planet. Sci. Lett
tel-00011689, version 1 – 15 Mar 2006
Conclusion générale
Références bibliographiques
