Long-lived and short-lived volcanic vents often form in close proximity to one another. However, the processes that distinguish between these volcano types remain unknown. Here, I investigate the differences of long-lived (shield volcano) and short-lived (cinder cone) magmatic systems using two approaches. In the first, I use melt inclusion volatile contents for shield volcanoes and compare them to published data for cinder cones to investigate how shallow magma storage conditions differ between the two vent types in the Oregon Cascades. In the second, I model the primitive magmas that fed shield volcanoes and compare these compositions to those of nearby cinder cones to determine if the volcanoes are drawing magma from the same sources. The volatile concentrations suggest that long-lived and short-lived magmatic plumbing systems are distinct. Modeling of parental magmas and differentiation processes further suggest that long-lived and short-lived volcanoes have erupted lava from the same mantle magma source.

In this study, connections between chemical composition, eruption style, and topographic features of two shield volcanoes on the Snake River Plain, Idaho are examined. These relationships may then be applied to understanding silicate volcanic features throughout the inner solar system. Despite their similar ages and geographic locations, two young basaltic shield volcanoes—Kimama Butte (87 Ka) and Rocky Butte (95 Ka)—have strikingly different topographic profiles. The Kimama Butte shield has a diameter of 9 km and a height of 210 m. In contrast, Rocky Butte has a broad 36 km topographic shield that rises 140 m with less than 1° slopes. The vent crater at Rocky Butte developed as a large lava blister inflated and then collapsed forming a crater in which a lava lake developed. Little spatter accumulated throughout the eruption. In contrast, high spatter mounds and spatter-fed flows flank the main summit crater at Kimama Butte. Major- and trace-element compositions of the basaltic lavas are similar at the two shields, but distinct in Ni and Al2O3. The lavas range in TiO2 concentrations from 2.6–4.5 wt.% for Kimama Butte and 2.6–4.3 wt.% for Rocky Butte. These ranges can be related to magma evolution by fractional crystallization involving plagioclase and olivine without clinopyroxene. Compositions of the pre-eruptive phenocrysts are also similar at both shields but show variation with evolution. Olivine cores in the more primitive lavas are more Mg-rich (Fo80-72) than those in the evolved rocks (Fo65-55). Plagioclase cores are similarly more calcic in the more primitive flows (An78-68) than in the evolved ones (An65-52). Like other olivine-tholeiites on the Snake River Plain, the fO2 and fH2O were probably low with fO2 at -2△QFM and 0.1 wt.% H2O. Pressure of crystallization estimated from MELTS models is less than 3 kbar (~10 km deep). Calculated temperatures and magma viscosities overlap at both Kimama Butte (1226 to1147°C and 158 to14 Pa·s) and Rocky Butte (1251 to 1145°C and 75 to 8 Pa·s). However, Kimama Butte magma viscosities extend ~80 Pa·s higher than those for Rocky Butte lavas. The higher magma viscosities are the result of higher phenocryst proportions in spatter and spatter-fed lavas concentrated near the vent. Because lava temperature, volatile content, and chemical composition overlap at the two volcanoes, they are probably not important controls of shield-volcano morphology. This suggests that steep-capped shields are not created as a simple function of having more silicic lavas. Melt viscosities are also similar, but Rocky Butte lacks the phenocryst-rich (>30 vol %), higher magma viscosity lavas and the high spatter ramparts that form the cap at Kimama Butte. Thus, we conclude that eruption style and phenocryst content play the most important role in developing a low-shield volcano summit. Where eruptions shifted from lava lake overflow and tube development to late fountaining with short spatter-fed phenocryst-rich flows, steeper, higher shields develop.

L’île de La Réunion a été couverte par une vaste campagne de géophysique héliportée en 2014. Le dispositif SkyTEM a permis de cartographier l’anomalie du champ magnétique et la résistivité électrique du sous-sol jusqu’à 300 m de profondeur, et ce, sur l’ensemble de l’île. L’acquisition de ce jeu de données met en évidence la problématique de l’interprétation des données électromagnétiques héliportées à l’échelle régionale. L’interprétation d’un modèle 3D de résistivité d’une superficie 2 500 km2 nécessite la mise en place de méthodologies innovantes pour le confronter aux données géologiques, climatiques et hydrogéologiques. L’objectif de la thèse est de valoriser ce jeu de données géophysique à l’échelle régionale en intégrant l’analyse hydrogéologique à différentes échelles spatiales. Pour répondre à ces problématiques, cette thèse s’organise autour d’une méthodologie hydrogéophysique multi-échelle qui permet d’étudier la répartition et le fonctionnement des aquifères à des échelles inédites jusqu’alors. Pour interpréter les 350 000 sondages électromagnétiques de la campagne, une approche statistique a été développée pour synthétiser une information sur les contrastes 3D en 2D. Les résultats, cohérents avec les connaissances géologiques et hydrogéologiques de l’île, ont permis d’analyser l’impact des paramètres géologiques et climatiques régionaux sur la répartition des aquifères et les processus d’altération. Sur le littoral, les données de résistivité sont confrontées à des logs de conductivité électrique de l’eau souterraine afin de valider l’interprétation de la géophysique. Le modèle de résistivité permet ainsi de cartographier et d’analyser les paramètres de contrôle du phénomène d’intrusion saline à l’échelle de l’île. En altitude, l’utilisation conjointe des données électromagnétiques et magnétiques héliportées permet de caractériser la géométrie des structures géologiques et d’imager les profils et paléo-profils d’altération météorique. / In 2014, Reunion Island was covered by a vast airborne geophysics campaign. The SkyTEM device mapped magnetic anomalies and bulk resistivity at an extra 300 m depth throughout the island. The resulting dataset revealed the issue of interpreting airborne electromagnetic data at the regional scale. The interpretation of a 3D resistivity model wrapping 2 500 km2 requires the implementation of innovative methodologies to compare it with geological, climatic and hydrogeological data. The aim of the thesis is to enhance this geophysical dataset at the regional scale by integrating hydrogeological analysis at different spatial scales. To answer these issues, this thesis revolves around a multi-scale hydrogeophysical methodology, which allows to analyze how aquifers are distributed and their behaviors on unprecedented scales. A statistical approach has been developed to synthesize 3D geo-electrical contrasts in 2D to interpret the 350 000 soundings. All outcomes are consistent with the geological and hydrogeological knowledge of the island, enabling us to study how regional geological and climatic parameters impact the distribution of aquifers and weathering processes. In the coastal zone, resistivity data are compared with groundwater electrical conductivity logs to validate the interpretation of geophysics. Thus, the resistivity model helped mapping saltwater intrusion and analyzing its control parameters at the island scale. Inland, the combined use of airborne electromagnetic and magnetic data made it possible to characterize the geometry of geological structures and to image weathering profiles and paleo-profiles. Combining results gathered on various scales allows the analysis of weathering impact on aquifers of shield volcanoes. On the coastal zone, un-weathered and highly permeable lithological units (up to 10-1 m/s) are subject to saltwater intrusion, even with recharge rates up to 6 to 8 m per year. With decreasing transmissivity, aquifers become less exposed to saltwater intrusion. According to geophysics outcomes, the contacts between different eruptive phase products at high altitude are characterized by specific weathering paleo-profiles which create permeability contrasts conducive to perched aquifers establishment. Examining the geophysical response in different areas of the island made it possible to analyze the dynamics of weathering processes, initially controlled by the age of the formations and secondly, by the rainfall rates and the temperature. These results showed that weathering and structure of basaltic volcanoes depend on their age and on windward/leeward slopes. Thus, our research helped improve the accuracy of the conceptual hydrogeological model including geological structuring and time evolution of basaltic volcanic aquifers in an insular environment.

L'étude des volcans basaltiques a démontré l'importance de leur architecture interne et de leur système intrusif dans le déclenchement de déstabilisations. Découlant d'observations indirectes, les modèles élaborés demeurent néanmoins interprétatifs. À La Réunion, l'importante érosion du Piton des Neiges, en rendant accessible sa structure interne, en fait un atout majeur pour combler ces lacunes d'observation. Ce travail s'est focalisé sur le cirque de Salazie dans le but d'accroitre les connaissances de la structure interne du volcan. Nous proposons ainsi l'existence d'une chambre magmatique litée plurikilométrique située à l'aplomb du cirque de Salazie qui appartiendrait à un édifice plus ancien estimé à plus de 2 Ma. Cette chambre est recoupée par un détachement injecté de plusieurs dizaines d'intrusions basiques et surmonté par une brèche d'avalanche de débris. La déformation cataclasique des minéraux primaires des roches plutoniques du détachement indique que cette structure s'est développée dans le domaine fragile. Une déformation ductile postérieure de basse température (< 250 °C), caractérisé par une cristallisation de chlorite, pumpellyite, zéolite et de calcite s'est ensuite développée dans le détachement. Au toit de la pile de sills, des intrusions sont brèchifiés et disséminés dans la brèche. Une analyse du sill au contact avec la brèche montre l'existence d'une fabrique magmatique asymétrique révélatrice d'un déplacement co-intrusif de l'unité sus-jacente. Ces résultats suggèrent que les volcans basaltiques s'effondrent par déformation le long de plans hydrothermalisés et confirment le rôle majeur des sills dans la déstabilisation des volcans boucliers. / The study of volcanic edifices has shown that both the internal structure and the intrusive system play a role in the initiation of flank destabilization. Arising from indirect observations, the recent models remain interpretative. On Reunion Island, the exceptional erosion of the Piton des Neiges provides a rare access to the inner structure of the basaltic edifice that is propitious to bridge these gaps. Our study focuses on the plutonic rocks outcropping in Mât River (cirque of Salazie) in order to improve our knowledge of the internal structure of Piton des Neiges. Our study allows us to reveal the presence of layered plurikilometric magma chamber under the cirque of Salazie belonging to an edifice older to 2 Ma located to the NNE from the actual summit of the Piton des Neiges. The magma chamber is crosscut by a detachment intruded by tens of basic magmatic intrusions and overlapped by debris avalanche deposits. The cataclastic deformation of primary minerals in the plutonic rocks indicates that the detachment acted as a brittle zone. This is followed by a low temperature ductile deformation (< 250 °C) characterized by crystallization of chlorite, pumpellyite, zeolite and calcite in the detachment zone. At the top of the sill zone, sills are brechified and disseminated in the breccia. The presence of an asymmetric magmatic fabric in the intrusion in contact with the breccia suggests that this sill was emplaced with a normal shear displacement of its hanging wall. These results suggest that deformation of basaltic volcanoes proceeds along hydrothermalized detachments and confirm the major implication of sill intrusions in basaltic volcano flank instability.

Les effondrements massifs de flancs sont des évènements destructeurs qui affectent tous les édifices volcaniques. Ces effondrements peuvent impliquer quelques dizaines, voire centaines de km3 de roche. Les volcans boucliers océaniques, bien que possédant de faibles pentes, sont également affectés par ces épisodes destructeurs, entraînant la formation de tsunamis. Dans le contexte de bouclier océanique, ces déstabilisations n’ont jamais été observées. Actuellement, seules des reliques sont présentes sur les îles volcaniques, avec la présence de cicatrices d’effondrements, de dépôts détritiques en mer ou de dépôts de tsunami sur les îles voisines. Les relations entre le magmatisme des volcans boucliers et les effondrements de flanc sont peu contraintes. Afin de mieux comprendre ces relations, deux effondrements de flanc de volcans boucliers océaniques ont été étudiés : l’effondrement de Monte Amarelo sur l’île de Fogo, dans l’archipel du Cap Vert, et l’effondrement de Güímar, situé sur la rift-zone Nord-Est de Tenerife, dans l’archipel des Canaries. Les deux archipels résultent de l’activité d’un panache mantellique sous la plaque africaine.Les produits volcaniques pré et post-effondrement de ces deux secteurs ont été étudiés d’un point de vue géochimique (majeurs, traces, isotopes Sr-Nd-Pb), pétrologique et géochronologique (K-Ar, Ar-Ar), de manière à identifier à la fois les sources et les processus magmatiques mis en jeu lors de leur formation. L’évolution temporelle des sources, ainsi que des processus magmatiques, a été reconstruite afin d’identifier d’éventuels liens avec l’effondrement de flanc étudié.Les résultats montrent que l’évolution du magmatisme de l’île de Fogo amène à la formation de zones superficielles de stockage, de complexes intrusifs et d’éruptions explosives conduisant à de nouvelles instabilités de l’édifice. Suite à l’effondrement, ces zones de stockage sont déstabilisées en quelques milliers d’années. Les processus magmatiques lithosphériques (assimilation, fusion partielle) sont également perturbés mais sur une période plus longue (plusieurs dizaines de milliers d’années). L’effondrement de Güímar ne montre aucun lien avec le magmatisme de l’île de Tenerife.La différence principale entre ces deux contextes est la localisation de la zone effondrée par rapport au système magmatique. En effet, l’effondrement de Güímar est situé en périphérie du système magmatique et ne montre aucun lien avec ce dernier ; à l’inverse l’effondrement du Monte Amarelo, situé à l’aplomb du système magmatique, se répercute rapidement sur ce système à faible profondeur, mais également à des profondeurs lithosphériques avec un délai plus long. / Massive flank collapses are destructive events that affect all volcanic edifices. They can take off huge volumes of rock, from tens to hundreds km3. Oceanic shield volcanoes are also affected by such events even if they have shallow slopes, thus, tsunamis could also be generated in this context. However, a shield volcano flank collapse has never been observed. Nowadays, only relics are visible, such as collapse scars, detritic deposit offshore or tsunami deposits on nearby islands. The relationships between collapse and magmatic history of oceanic shield volcanoes are poorly constrained. Two flank collapses are studied in this thesis, with the aim to better understand these relationships: the Monte Amarelo collapse, on Fogo Island (Cape Verde), and the Güímar collapse, located on North-East rift-zone of Tenerife (Canary Islands). Those archipelagos are the result of hot spot activity below the African plate. Geochemical (major and trace elements, and Sr-Nd-Pb isotopes), petrological and geochronological (K-Ar and Ar-Ar) analyses were carried out on volcanic samples as to identify the source and magmatic processes at stake during magma genesis. The temporal evolution of source and magmatic processes is reconstructed in order to track possible links with the flank collapse. The magmatic system of Fogo Island evolves through time, favouring the formation of superficial storage zones, intrusive complex and explosive eruptions prior to the collapse, which participate to the instability of the edifice. Following the Monte Amarelo collapse, shallow storage zones are destabilized within a few thousand years. Lithospheric magmatic processes (assimilation, partial melting) are also affected but on a longer timescale (tens of thousands years). The Güímar collapse shows no links with the magmatic evolution of Tenerife Island. The main difference between the two collapses is the location of the collapse area with respect to the plumbing system. Güímar collapse is located at the periphery of the plumbing system and show no link with the magmatic history. Contrariwise, the Monte Amarelo collapse is located directly above the plumbing system and influence rapidly the superficial plumbing system, and the deep plumbing system in the long term.