Experimental evidence for the shallow production of phonolitic magmas at Mayotte

Joan Andújar (1, 2) , Bruno Scaillet (1, 2) , Manuel Moreira (1, 2) , Ida Di Carlo (1) , Anne Le Friant (3) , Manon Bickert (4) , Fabien Paquet (5) , Stephan Jorry (6) , Nathalie Feuillet (3)

1 ISTO - Institut des Sciences de la Terre d'Orléans - UMR7327
2 Magma - UMR7327
3 IPGP (UMR_7154) - Institut de Physique du Globe de Paris
4 UNIMORE - Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia = University of Modena and Reggio Emilia
5 BRGM - Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM)
6 GEO-OCEAN - Geo-Ocean

Since May 2018 till the end of 2021, Mayotte island has been the locus of a major submarine volcanic eruption characterized by the offshore emission of more than 6.5 km3 of basanitic magma. The eruption occurred along a WNW–ESE trending submarine ridge on the east flank of the island where, in addition, several seemingly recent phonolitic bodies were also identified close to the island. To define realistic scenarios of magma ascent and potentially predict the style of an upcoming event, it is crucial to have a precise understanding on the plumbing system operating below volcanoes. The putative relationships between basanites emitted by the new volcano and these recent phonolites have been experimentally explored by performing crystallization experiments on a representative basanite over a large range of pressures (up to 400 MPa). The results show that the crystallization of basanite at crustal levels (≤12–15 km) yields a phonolitic residual liquid containing up to 3–4 wt% H2O after ≥65 wt% of an assemblage of olivine+plagioclase+amphibole+clinopyroxene+biotite+magnetite+ilmenite+apatite. The final iron content of the residual phonolitic liquids is strongly controlled by the depth/pressure of fractionation. Fe-rich phonolites from the submarine ridge are produced at 6–8 km depth, while a shallower differentiation (≤4–5 km) results in the production of liquids with trachyte–benmoreite affinities. If the fractionation process occurs at depths higher than 8 km, the resulting phonolitic melts are progressively enriched in SiO2–Al2O3 but depleted in FeO*, ie unlike those erupted. We therefore conclude that phonolitic magma production and storage at Mayotte is a rather shallow process.

Depuis mai 2018 et jusqu’à la fin de l’année 2021, l’île de Mayotte a été le scenario d’une éruption volcanique sous-marine majeure caractérisée par l’émission en mer de plus de 6,5 km3 de magma basanitique. L’éruption s’est produite le long d’une ride sous-marine orientée ONO–ESE sur le flanc est de l’île où, entre autre, plusieurs corps phonolitiques d’ aspect récent ont également été identifiés à proximité de l’île. Pour définir des scénarios réalistes d’ascension du magma et potentiellement prévoir le style d’un événement à venir, il est crucial d’avoir une compréhension précise du système de plomberie magmatique opérant sous les volcans. Les relations génétiques potentielles entre les basanites émises par le nouveau volcan et ces phonolites récentes ont été explorées expérimentalement en effectuant des expériences de cristallisation sur une basanite représentative, et ce sur une large gamme de pressions (jusqu’à 400 MPa). Les résultats montrent que la cristallisation de la basanite à des profondeurs crustales (≤12–15 km) produit un liquide résiduel phonolitique contenant jusqu’à 3–4 % en poids (pd.%) de H2O, après la précipitation d’au moins 65 pd.% d’un assemblage d’olivine+plagioclase+amphibole+clinopyroxène+biotite+magnétite+ilménite+apatite. La teneur finale en fer des liquides phonolitiques résiduels est fortement contrôlée par la profondeur/pression de cristallisation. Les phonolites riches en fer de la dorsale sous-marine sont produites à 6–8 km de profondeur, tandis qu’une différenciation moins profonde (≤4–5 km) entraîne la production de liquides à affinités trachyte–benmoreite. Si le processus de fractionnement se produit à des profondeurs supérieures à 8 km, les liquides phonolitiques résultants sont progressivement enrichis en SiO2–Al2O3 mais appauvris en FeO*, c’est-à-dire différents des phonolites naturelles. Nous concluons donc que la production et le stockage de magma phonolitique à Mayotte est un processus plutôt superficiel.

Mots clés: Mayotte; Equilibres de phases; Phonolite; Enrichement en fer; Basanite

Domaines: Sciences de la Terre

Joan Andújar, Bruno Scaillet, Manuel Moreira, Ida Di Carlo, Anne Le Friant, et al.. Experimental evidence for the shallow production of phonolitic magmas at Mayotte. Comptes Rendus. Géoscience, 2022, 354 (S2), pp.225-256. ⟨10.5802/crgeos.182⟩. ⟨insu-04026966⟩