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Carbon dioxide transport through Taal volcano’s hydrothermal system and Main Crater Lake (Philippines)

par Maussen, Katharine
Président du jury Chou, Lei
Promoteur Bernard, Alain
Publication Non publié, 2018-06-13

Thèse de doctorat

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Résumé :

The presence of a hydrothermal system at Taal volcano is evident from the presence of a craterlake (Main Crater Lake, MCL), a caldera lake (Lake Taal) and several hot springs on the flanksof Taal volcano island and in the crater. Taal MCL, covering an area of 1.2 km², is acidic (pH= 3), warm (T = 30-33 °C) and its composition is dominated by Cl, Na and SO4. This thesisaims at understanding the geochemistry of Taal volcano’s hydrothermal system and the wayCO2 is transported through the hydrothermal system and MCL towards the atmosphere.The long-term geochemical evolution of MCL indicates that the hydrothermal system is madeof two reservoirs, one being volcanic and one geothermal in origin. The geothermal componentin Taal MCL has stayed rather constant since 1991, while the volcanic component hasdecreased.The low pH makes Taal volcano the perfect natural laboratory to study the behaviour of CO2,because there is no dissociation of CO2. A combined approach of total CO2 flux measurementsvia accumulation chamber and gaseous CO2 flux measurements via echo sounder shows thatmore than 90% of the total CO2 output of Taal volcano is due to the influx of dissolved CO2,migrating from the hydrothermal system to MCL via thermal springs under the lake surface.After verification of both horizontal and vertical homogeneity of dissolved CO2 concentrations,a continuous monitoring station was installed in 2013, measuring dissolved CO2 using aninfrared gas analyser protected by an ePTFE membrane, as well as several meteorological andenvironmental parameters. Several environmental and lacustrine processes influence CO2transport in MCL, including stratification, solar heating and rainfall.Taal volcano regularly goes through periods of unrest, characterised by seismic swarms,ground deformation and increased carbon dioxide flux. In 1991-1994, this was accompaniedby geochemical changes in MCL, including pH decrease and F, Si and Fe concentrationincrease. These changes can be attributed to an intrusion of magma to shallow levels less thanone kilometre deep. More recent unrests do not show these geochemical changes and are likelycaused by pressure changes in the hydrothermal system. The permanent monitoring stationrecorded hourly data on the 2015 unrest and showed that abnormally high CO2 concentrationswere recorded before the start of seismic or deformation activity, which makes continuous CO2monitoring a very valuable addition to current monitoring activities at Taal volcano.

La présence d’un système hydrothermal au volcan Taal se manifeste par la présence d’un lac de cratère (Main Crater Lake, MLC) ainsi qu’un lac de caldera (Lake Taal) et de multiples sources d’eau chaudes sur les flancs et dans le cratère. Le MCL, avec une surface de 1.2 km², est acide (pH = 3), chaud (T = 30-33 °C) et composé principalement de Cl, Na et SO4. Le but de cette thèse est de comprendre la géochimie du système hydrothermal du Taal et la manière dont le CO2 est transporté à travers de celui-ci ainsi qu’à travers le MCL vers l’atmosphère. L’évolution géochimique à long terme indique que le système hydrothermal est composé de deux réservoirs, un d’origine volcanique et un autre d’origine géothermale. Le composant géothermal est resté plutôt constant depuis 1991, tandis que le composant volcanique a diminué. Le pH plutôt bas fait que le volcan Taal est le laboratoire naturel parfait pour étudier le comportement du CO2, parce qu’il n’y a pas de dissociation de CO2. Une approche combinée du flux de CO2 total via chambre d’accumulation, et flux de CO2 gazeux via echo sondeur montre que plus que 90% du flux de CO2 total est dû au CO2 dissout, qui migre depuis le système hydrothermal au MCL via des sources thermales sous la surface du lac. Après vérification de l’homogénéité horizontale et verticale du CO2 dissout, une station de monitoring en continu a été installée en 2013. Cette station mesure le CO2 dissout à l’aide d’un analyseur de gaz infrarouge protégé par une membrane en ePTFE, ainsi que de multiples paramètres météorologiques et environnementaux. Le transport de CO2 dans le MCL est influencé par plusieurs processus environnementaux et lacustre, comprenant la stratification, l’échauffement solaire et la pluie. Le volcan Taal connait régulièrement des périodes de crises caractérisées par une activité sismique, par une déformation du sol et par un flux élevé du CO2. En 1991-1994, ceux-ci ont été accompagnés par des changements géochimiques du MCL, comprenant une diminution du pH et une augmentation de la concentration de F, Si et Fe. Ces changements peuvent être attribués à une intrusion superficielle de magma à moins d’un kilomètre de profondeur. Les crises plus récentes ne montrent pas ces changements en géochimie et sont probablement causés par des changements de pression dans le système hydrothermal. La station de monitoring en continu a enregistré des données toutes les heures pendant la crise en 2015 et a montré que des concentrations particulièrement élevées en CO2 dissout ont été enregistrées avant le début de l’activité sismique et de déformation. Ceci a montré que le monitoring en continu du CO2 est une addition très précieuse aux activités de monitoring du volcan Taal.