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Geochemical and isotopic characterization of hydrothermal systems of active volcanoes in the Philippines

par Maximo, Raymond
Président du jury Mattielli, Nadine
Promoteur Debaille, Vinciane
Co-Promoteur Bernard, Alain
Publication Non publié, 2020-03-06

Thèse de doctorat

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Résumé :

Hydrothermal systems on active volcanoes can be studied through characterization of the emitted fluids and surface discharges using major element and isotopic compositions of fumaroles and thermal springs within the volcanic area. This thesis aims at understanding the geochemistry of the existing hydrothermal systems of Kanlaon, Biliran and Bulusan volcanoes in the Philippines and the contribution of magma degassing in the formation of fluids circulating within the hydrothermal system. This study also aims at improving the geochemical monitoring program of PHIVOLCS by suggesting parameters to use in evaluating the volcano’s activity and their evolution that may lead to volcanic unrest.Kanlaon volcano’s extensive hydrothermal system evolved into two distinct hydrothermal systems independent of each other. A mature hydrothermal system represented by Pataan thermal area is characterized by neutral Na + K chloride (bicarbonate) fluids and an immature system, represented by Hagdan is characterized by the presence of acid-sulfate waters. Chemical and isotopic analyses were performed on thermals waters to classify the samples that are linked to the existence of these two hydrothermal systems. Using Cl-SO4-HCO3 relative abundances, Kanlaon’s thermal waters are classified as acid sulfate, acid sulfate-chloride, neutral chloride, and neutral bicarbonate waters. The linear trend formed by Na + K and Cl of Pataan and Mambucal samples can be explained by groundwater/meteoric dilution. This is consistent with the light sulfur isotopic signatures between δ34S = -3.4 ‰ and +1.2 ‰ of the mature hydrothermal system. This implies that the origin of sulfur is linked to the surficial oxidation of H2S. In contrast, the immature hydrothermal system shows significantly heavier sulfur isotopic composition (δ34S = +8.2 ‰), which indicates that sulfur may have originated from the disproportionation of magmatic SO2 or from the fractionation between hydrothermal sulfate and sulfide (SO42-/H2S) pairs that have achieved isotopic equilibrium.On Biliran Volcano, the area of Vulcan thermal grounds exhibits the greatest thermal activity. Thermal waters of Biliran are classified into 6 types based on their geochemistry and location on the ground. Location 1 is composed of summit springs and location 2-6 are springs found along the periphery of the volcano with varying distances from the summit springs. Immature waters are discharging from the springs located at the summit. These are the acid sulfate-chloride waters. The high concentration of SO42- and Cl- is a clear indication of the presence of magmatic HCl, H2S, and SO2. The high δ34S (+14.7 ‰ to +26.6 ‰) values suggest that these fluids were formed from the disproportionation of magmatic SO2. The acidity of the summit springs is coming from the HCl which is a contribution from the degassed magma at depth. Mature neutral (SO42- - HCO3-) Cl springs are found away from the summit moving towards the margins of the neutralization zone. Neutral Cl fluids evolved from progressive neutralization of previously acidic fluid by water-rock interaction that migrated laterally and emerged as bicarbonate waters in the periphery of the volcano. Mt. Bulusan hydrothermal system is complex and tends to show the signature of a deep neutral Cl fluid. Based on Cl and SO42-, there are two groups of springs and these are found in two different locations. Type I springs are located on Mt. Bulusan close to the crater. The predominance of HCO3- and SO42- can be associated with shallow interactions and processes (i.e. boiling of hydrothermal fluids producing steam) that modify the fluid of meteoric in origin. Major gases such as CO2(g) and H2S(g) are incorporated in the groundwater via condensation. Type II springs are located on the periphery of the volcano, far from the location of Type I springs. These springs are characterized by the presence of Cl- and HCO3- ions at concentration levels greater than SO42- concentrations. The low solubility of CO2 allows the gas phase to be transported over long distances and converted to HCO3-. The origin of Type II fluids can either be through adsorption of CO2-bearing gases, or condensation of CO2-rich geothermal steam. The proximity of one Type II spring to sea level can have a bearing on the origin of Cl- in the fluids, but the fact that all Cl- composition of these springs are quite uniform, this means that the chloride must have come from one source and that it is highly unlikely to receive any contribution from seawater. This is also supported by the Cl/B and Cl/Li composition of Type II springs. Mt. Bulusan does not have ‘pure’ neutral chloride water signature but rather a mixture of neutral Cl waters and HCO3-rich waters.

Le travail de thèse est consacré à l’étude de systèmes hydrothermaux de volcans actifs qui ont été caractérisés grâce à l’étude géochimique (éléments majeurs et composition isotopique) des fluides hydrothermaux émis en surface de zones volcaniques. L’objectif principal de la thèse est l’interprétation de la composition géochimique des fluides hydrothermaux présents dans 3 systèmes actifs : les volcans Kanlaon, Biliran et Bulusan aux Philippines. Cette étude a également pour but d’améliorer le programme de monitoring de l’activité volcanique du PHIVOLCS (Philippine Institute of Volcanology and Seismology) en proposant des paramètres géochimiques utiles à l’évaluation de l’état d’activité d’un volcan et qui peuvent également fournir de signaux précurseurs d’une activité éruptive. Dans le cas du Volcan Kanlaon, la présence de deux systèmes hydrothermaux distincts a été mise en évidence grâce à l’analyse géochimique et isotopique des eaux thermales présentes dans le massif volcanique. Un système hydrothermal « mature » caractérisé par des fluides neutres chlorures (Na+K/Cl) est présent sous la zone hydrothermale de Pataan. Le deuxième système hydrothermal, situé dans la zone de Hagdan, présente au contraire des propriétés d’un système « immature » dominé par des fluides de type acide sulfate. En comparant les abondances relatives en Cl-SO4-HCO3, différents types de composition de sources thermales sont observées : acide sulfate, acide sulfate-chlorure, neutre chlorure et neutre bicarbonate. La corrélation linéaire qui existe entre les alcalins (Na+K) et les chlorures dans les échantillons de Pataan et de Mambucal suggère une origine identique et un processus de simple dilution par des eaux d’origine météoritique. D’autre part, la signature isotopique des sulfates à Mambucal avec une gamme de valeurs de δ34S entre -3.4 ‰ et +1.2 ‰ est typique de l’oxydation à proximité de la surface de l’H2S et tend à confirmer le caractère « mature » du système hydrothermal. La signature isotopique contrastée des sulfates de Hagdan avec un δ34S = +8.2 ‰ suggère que l’origine du soufre dans ce système « immature » pourrait être liée soit à la disproportionation du SO2 d’origine magmatique soit résulté d’un fractionnement isotopique à l’équilibre au niveau du sytème hydrothermal de la paire SO42-/H2S.Dans le cas du volcan Biliran, l’activité hydrothermal principale est située dans la zone sommitale de Vulcan. 6 types de composition géochimique différents ont été mis en évidence. Dans la zone sommitale de l’édifice volcanique, des eaux « immatures » de type acide sulfate-chlorure ont été identifiées. Les concentrations élevées en SO42- et Cl- suggèrent une contribution magmatique et la présence de HCl, H2S and SO2 émis par le dégazage d’une intrusion magmatique superficielle. Les valeurs élevées en δ34S (+14.7 ‰ à +26.6 ‰) suggèrent clairement que les sulfates proviennent de la réaction de disproportionation de SO2 d’origine magmatique. D’autre part, les valeurs d’acidité de ces sources sont nettement corrélées à l’abondance des chlorures et donc à la contribution d’HCl gazeux d’origine magmatique. En périphérie de la zone sommitale, les sources chaudes sont caractérisées par des eaux « matures » de type (SO42- - HCO3-) + Cl- dont l’acidité est largement neutralisée. Des fluides neutre chlorures provenant de la neutralisation progressive de fluides acides par interaction avec les roches encaissantes et enrichis en bicarbonates sont également présents dans les zones périphériques du volcan Biliran.Le système hydrothermal du Mt. Bulusan est complexe mais tend à révéler la présence d’un réservoir profond de composition neutre chlorure. Deux groupes de sources chaudes distincts sont présents dans deux zones distinctes de l’édifice volcanique. Sur base des compositions en Cl et SO42-, deux groupes distincts de sources chaudes ont été observées. Le type I, localisé à proximité du cratère du Bulusan, est caractérisé par la prédominance de HCO3- et SO42- et pourrait résulter de la condensation et dissolution de vapeurs (H20(g), CO2(g) et H2S(g)) essentiellement hydrothermales par des eaux superficielles d’origine météoritique. Le type II, observé beaucoup plus en périphérie de l’édifice volcanique, se distingue par l’abondance des ions Cl- et HCO3- qui dominent largement les concentrations en SO42-. L’origine des sources chaudes de type II est liée à la condensation/dissolution de vapeurs hydrothermales riches en gaz carbonique, le CO2 ayant, en raison de sa plus faible réactivité chimique, la faculté de diffuser latéralement sur de longue distance au sein d’un édifice volcanique. La proximité de certaines sources de type II avec la mer tend à suggérer une origine marine pour le chlore. Cependant, le même type II est également observé à grande distance de la mer où une contribution marine est difficilement envisageable. D’autre part, les compositions relatives en Cl/B and Cl/Li des sources de type II ne semblent pas compatibles avec une origine marine. Aucune composition de fluide « mature » de type neutre chlorure n’a été observée, l’origine des fluides de type II pourrait cependant résulter d’un mélange entre des eaux enrichies en HCO3- et des eaux neutres chlorures.