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Magmatic Evolution and Tectonic Interactions of a Restless Volcanic Field and its Role in the Evolution of a Continental Rift in East Africa

par Tadesse, Amdemichael
Président du jury Debaille, Vinciane
Promoteur Fontijn, Karen
Co-Promoteur Abera, Dereje Ayalew
Publication Non publié, 2023-08-24

Thèse de doctorat

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Résumé :

Volcanic eruptions can have various styles, magnitudes, and frequencies due to the complex processes involved in magma generation and transportation to the surface. Understanding these processes is central to our knowledge of how tectonic plates break apart and evolve into new ocean basins, as well as how magma evolves chemically and physically on its journey from source to surface, ultimately leading to determine its eruption style and potential impact to the vicinity. The East African Rift System (EARS) offers an excellent opportunity to study the interplay of tectonic and magmatic processes over different timescales. This thesis focuses on the Bora-Baricha-Tullu Moye (BBTM) volcanic system in the central Main Ethiopian Rift (MER), which has experienced at least 27 explosive eruptions in the past ca. 100 ky. The two oldest tephra deposits in the compiled stratigraphy are associated with large-magnitude, and possibly caldera-forming, eruptions. The youngest of these occurred at 107.7 ± 8.8 (2σ) ka, making it the youngest caldera-forming eruption identified in the central MER to date. During the post-caldera stage, BBTM underwent at least 25 eruptions sourced from five major edifices in the complex, with an estimated return period of at least one moderate-to-large explosive eruption every 4000 years. The tephra from these eruptions was dispersed up to 20 km from the volcanic complex, suggesting that more than 100,000 people could be exposed to volcanic hazards from future of similar magnitude eruptions in this area. The BBTM volcanic products range in composition from basalt to peralkaline rhyolite (comendite and pantellerite), with their chemical variability largely explained by fractional crystallisation processes, minor crustal assimilation, and magma mixing. The post-caldera eruptions in the BBTM tapped basaltic, comenditic, and pantelleritic magma reservoirs with different temperature and pressure storage conditions. The pre-eruptive storage conditions, recorded in comendite and pantellerite rocks, suggest a progressive temporal evolution of the magma reservoirs to cold storage temperatures. The study of the ~87 ka Baricha deposit provides insights into the magmatic and eruptive dynamics of peralkaline magma during a moderate to large explosive eruption. The eruption involved three phases, with the shift in eruption dynamics from steady to unsteady and back to steady, associated with changes in conduit geometry, lithic abundance in the eruptive mixture, decompression rate, and fresh magma injection. Finally, mapping and geostatistical analyses reveal a close association between the volcanic landforms and the caldera(s), as well as with tectonic structures, suggesting these structures acted as the main magma pathways during recent BBTM eruptions. The predominant controlling structures on the magma pathways vary along the different volcanic systems in the MER, revealing that magma pathways are influenced not only by regional stress fields but also by local stresses. Given that, over 11 million people live within 30 km of a volcano in Ethiopia and there is a poor understanding on peralkaline rhyolite magma dynamics, the overall result of this research will improve our knowledge, and inform future studies.

Les éruptions volcaniques se déroulent en une grande variété de styles, de magnitudes et de fréquences en raison des processus complexes qui dirigent la génération du magma et son transport jusqu'à la surface. Cette thèse se concentre sur le volcan Bora-Baricha-Tullu Moye (BBTM) dans le rift principal Ethiopien, qui a connu au moins 27 éruptions explosives au cours des 100 000 dernières années. Les deux dépôts de téphra les plus anciens sont associés à des éruptions de grande magnitude ayant formé des caldeiras. Au cours de la phase post-caldeira, le BBTM a connu au moins une éruption explosive modérée à importante tous les 4000 ans. Les cendres volcaniques provenant de ces éruptions ont été dispersées jusqu'à 20 km du volcan, ce qui suggère que plus de 100 000 personnes pourraient être exposées aux risques volcaniques lors de futures éruptions d'ampleur similaire. La composition des produits volcaniques du BBTM va du basalte à la rhyolite peralcaline (comendite et pantellerite), leur variabilité chimique s'explique en grande partie par des processus de cristallisation fractionnée. Les éruptions post-caldeira de la BBTM ont des réservoirs de magma basaltiques, comenditiques et pantelleritiques présentant des conditions de stockage différentes en température et pression. Les conditions de stockage pré-éruptives, enregistrées dans les compositions des roches, suggèrent une évolution temporelle progressive des réservoirs de magma vers des températures de stockage plus basses. L'étude du gisement de Baricha, datant de ~87 ka, donne un aperçu de la dynamique magmatique et éruptive du magma peralcalin au cours d'une éruption explosive modérée à importante. L'éruption s'est déroulée en trois phases, avec la transition d'une dynamique éruptive régulière à une dynamique instable, puis de nouveau à une dynamique régulière, en association avec des changements dans la géométrie des conduits, l'abondance de fragments lithiques dans le mélange éruptif, le taux de décompression et l'injection de magma frais. Enfin, la cartographie et les analyses géostatistiques révèlent une association étroite entre les reliefs volcaniques et les caldeiras, ainsi qu'avec les structures tectoniques. Il en découle que ces structures ont joué le rôle de voies magmatiques principales lors des récentes éruptions de la BBTM. Étant donné que plus de 11 millions de personnes vivent à moins de 30 km d'un volcan en Éthiopie et que la dynamique des magmas rhyolitiques peralcalins est mal comprise, les résultats globaux de cette recherche amélioreront nos connaissances et éclaireront les études futures.