This study is an effort to characterize the magma sources, plumbing system, and eruptive behavior of Mount Hood, a low-explosivity recharge-dominated volcano in the Oregon Cascades. The three manuscripts in this dissertation make use of melt inclusion data, phenocryst compositions, and whole rock petrology and geochemistry to build a schematic model of plumbing, mixing, and eruption at Mount Hood. Volatile contents in melt inclusions were measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Secondary Ion Mass Spectometry (SIMS). These measurements indicate that the pre-eruptive volatile contents at Mount Hood are comparable to concentrations in more explosive volcanoes, and do not sufficiently explain the low explosivity of Mount Hood. Measured H₂O contents were also used to test the validity of multiple different hygrometers. Various geothermobarometers were applied to the melt inclusions and phenocrysts from Mount Hood, and demonstrate that pre-eruptive temperatures increase by 100-150 ̊C immediately after mafic recharge, which occurs days to weeks prior to eruption and is accompanied by a 5-10 fold decrease in magma viscosity. Numerical simulations of magma ascent indicate that magma fragmentation is significantly delayed with this magnitude of pre-eruptive heating, which reduces the likelihood of explosive eruption. Analyses of amphibole demonstrate two markedly different populations, which correspond to different magma compositions, temperatures, and pressures. Pressure and temperature calculations were compared to other geothermobarometers to crosscheck the validity of these results and generally agreed well. Trace element concentrations in lavas, enclaves, and inclusions from Mount Hood confirm previous models for simple binary mixing at Mount Hood. A linear regression technique for extrapolating the major element contents of the mixing endmembers works acceptably well to characterize the trace element budgets of these endmembers. Additionally, we observe that the "recharge filter" that is responsible for the compositionally monotonous lavas at Mount Hood is also the likely cause of long-term low explosivity, and is indicative of a two-part magma plumbing system that may be a general model for a number of other recharge-dominated arc volcanoes. The results presented in this dissertation, in concert with previous results by other authors, converge on a generally consistent model for the production, hybridization, and eruption of intermediate lavas at Mount Hood and elsewhere. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Sept. 16, 2011 - March 16, 2012

La particularité de l’Oldoinyo Lengai à émettre des laves natrocarbonatitiques fait de ce volcan un laboratoire naturel pour l’étude de la genèse de ces magmas. De nouvelles mesures isotopiques en hélium nous ont permis de constater que la signature des fumerolles est constante depuis 1988 malgré le changement morphologique considérable du cratère sommital lors de la dernière éruption subplinienne de 2007-2008. L’alternance des éruptions explosives et effusives n’engendre donc aucune modification majeure dans l’organisation du système hydrothermal qui est par conséquent profondément enraciné. Les xénolites cogénétiques qui ont été émis lors de l’éruption de 2007-2008 permettent d’étudier directement les processus magmatiques qui se déroulent dans la chambre magmatique active. La comparaison des signatures isotopiques des gaz rares (hélium) de la chambre magmatique et des volcans silicatés de la région d’Arusha montre que les deux types de magmatisme ont une source analogue identifiée comme un manteau lithosphérique subcontinental préalablement métasomatisé par des fluides asthénosphériques. De plus, ces signatures isotopiques confirment l’absence de contaminations crustale lors de la remontée du magma entre le manteau source et la surface. Une description pétrographique de détail couplée à une approche thermobarométrique, ainsi qu’à la détermination des modèles de solubilité des volatils dans les liquides phonolitiques, nous a permis d’identifier l’évolution du liquide dans la chambre magmatique et ses paramètres de stockage. Les résultats nous révèlent que le magma injecté en 2007 a une composition phonolitique et des teneurs élevées en volatils (3.2 wt.% de H2O et 1.4 wt.% de CO2) ainsi qu’une température d'environ 1060° C. Ce magma évolue ensuite dans la chambre magmatique crustale se trouvant à 11.5±3.5 km de profondeur jusqu’à atteindre une composition de néphélinite et une température de 880°C. Pendant sa différenciation, le magma silicaté s’enrichit en calcium, sodium, magnésium et fer alors que sa concentration en silice, potassium et aluminium décroit. Ces résultats concordent avec les précédents relatifs à cette éruption, ou aux produits volcaniques plus anciens émis tout au long de la vie du volcan. Cette similarité suggère qu’aucun changement majeur n’ait eu lieu dans l’organisation de la plomberie du volcan Oldoinyo Lengai au cours de son évolution. Les mesures en éléments traces (REE, HFSE et LILE) dans les minéraux cristallisés lors de cette séquence de différenciation, et les inclusions magmatiques associées montrent un enrichissement pouvant atteindre de 100 à 1000 fois la composition du manteau primitif. Une étude expérimentale préliminaire s’appuyant sur la composition du liquide de recharge (phonolite) et les conditions (P, T) identifiées pour la chambre magmatique nous a permis de reproduire l'immiscibilité entre un liquide silicaté et carbonatitique, processus à l’origine de la formation des carbonatites de l’Oldoinyo Lengai. La poursuite de ces travaux expérimentaux permettra de mieux contraindre la genèse des magmas carbonatitiques et ainsi comprendre les processus en jeux dans l’enrichissement en éléments traces des magmas carbonatitiques / The uniqueness of Oldoinyo Lengai to emit natrocarbonatite lavas makes this volcano a natural laboratory to study the genesis of these magmas. New helium isotopic data permit to assert that the signature of the fumaroles has been constant since 1988 despite the radical morphological change of the summit crater after the last sub-Plinian eruption in 2007-2008. The alternation of the effusive and explosive eruptions does not cause major modifications in the hydrothermal system architecture, which is inferred to be deeply rooted. Cognate xenoliths that were emitted during the eruption in 2007-2008 represent a unique opportunity to document the igneous processes occurring within the active magma chamber. The comparison between the noble gas (helium) isotopic compositions of the active magma chamber and those of the other silicate volcanoes of the Arusha region indicates that both types of magmatism have similar sources, identified as being a typical sub-continental lithospheric mantle, which was previously metasomatized by asthenospheric fluids. Moreover, these isotopic signatures confirm that no crustal contamination has occurred during the magma ascent from the mantle to the surface. Detailed petrographic descriptions coupled to a thermo-barometric approach, and to the determination of volatile solubility models for a phonolite composition, allow us to identify the melt evolution at magma chamber conditions and the storage parameters. These results indicate that the magma injected in 2007 has a phonolitic composition and contains a high amount of volatiles (3.2 wt.% H2O and 1.4 wt.% CO2) as well as a temperature around 1060° C. This magma subsequently evolved in the crustal magma chamber located at 11.5 ± 3.5 km depth until reaching a nephelinite composition and a temperature of 880°C. During the differentiation in the magma chamber, the silicate magma is enriched in calcium, sodium, magnesium and iron, whereas the content of silicate, potassium and aluminum decreases. Our results support previous studies related to this eruption, and are similar to the historical products emitted during the whole volcano history, permitting the suggestion that no major modification in the plumbing system has occurred during the Oldoinyo Lengai evolution. The trace elements (REE, LILE and HFSE) measured in the minerals and melt inclusions reveal a concentration reaching 100 to 1000 times the primitive mantle composition. A preliminary experimental study based on the recharge melt composition (phonolite) and identified magma chamber conditions (P, T) permits to reproduce the immiscibility between silicate and carbonatite liquids, key processes at the origin of the Oldoinyo Lengai carbonatites. The continuation of this experimental study will lead to a better comprehension of the carbonatite genesis, thus improving our understanding of the processes that are responsible for the enrichment in trace elements

xvi, 182 p. : col. ill. / Volatile components (H 2 O, CO 2 , S, Cl) dissolved in magmas influence all aspects of volcanic activity from magma formation to eruption explosivity. Understanding the behavior of volatiles is critical for both mitigating volcanic hazards and attaining a deeper understanding of large-scale geodynamic processes. This work relates the dissolved volatile contents in olivine-hosted melt inclusions from young volcanics in the Central Oregon and Northern California Cascades to inferred magmatic processes at depth and subsequent eruptive activity at the surface. Cinder cone eruptions are the dominant form of Holocene volcanism in the Central Oregon segment of the High Cascades. Detailed field study of deposits from three cinder cones in Central Oregon reveals physical and compositional similarities to explosive historic eruptions characterized as violent strombolian. This work has important implications for future hazard assessments in the region. Based on melt inclusion data, pre-eruptive volatile contents for seven calc-alkaline cinder cones vary from 1.7-3.6 wt.% H 2 O, 1200-2100 ppm S, and 500-1200 ppm Cl. Subarc mantle temperatures inferred from H 2 O and trace elements are similar to or slightly warmer than temperatures in other arcs, consistent with a young and hot incoming plate. High-magnesium andesites (HMA) are relatively rare but potentially important in the formation of continental crust. Melt inclusions from a well-studied example of HMA from near Mt. Shasta, CA were examined because petrographic evidence for magma mixing has stimulated a recent debate over the origin of HMA magmas. High volatile contents (3.5-5.6 wt.% H 2 O, 830-2900 ppm S, 1590-2580 ppm Cl), primitive host crystals, and compositional similarities with experiments suggest that these inclusions represent mantle-derived magmas. The Cascades arc is the global end member, warm-slab subduction zone. Primitive magma compositions from the Cascades are compared to data for arcs spanning the global range in slab thermal state to examine systematic differences in slab-derived components added to the mantle wedge. H 2 O/Ce, Cl/Nb, and Ba/La ratios negatively correlate with inferred slab surface temperatures predicted by geodynamic models. Slab components become increasingly solute-rich as slab surface temperatures increase from ∼550 to 950°C at 120 km depth. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material. / Committee in charge: Dr. Paul J. Wallace, Chair and Advisor; Dr. Katharine Cashman, Member; Dr. Ilya Bindeman, Member; Dr. Richard Taylor, Outside Member

Les laves émises en domaine de subduction sont dominées par des compositions calcoalcalines à hypersthène normatif. En revanche, les inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes (Fo ≥ 88) des basaltes d’arc présentent des compositions alcalines, à néphéline normative. Bien que leurs compositions en éléments traces incompatibles ne diffèrent pas de celles de leurs laves hôtes, ces magmas ne peuvent pas s’expliquer par les modèles classiques de formation des laves d’arc. L’étude d’inclusions magmatiques alcalines de plusieurs arcs du monde a permis de mettre en évidence leur variabilité de composition, en particulier en CaO et Sc, deux éléments compatibles dans le clinopyroxène. Le couplage de cette étude avec des modélisations thermodynamiques a aboutit à l’élaboration d’un modèle de source impliquant la contribution de clinopyroxénites à amphibole à environ 1 GPa. Les inclusions magmatiques à néphéline normative d’arc seraient ainsi les témoins de l’hétérogénéité de source à l’origine des magmas d’arc. Les expériences de fusion partielle du mélange homogène clinopyroxénite à amphibole – péridotite hydratée réalisées à 1 GPa permettent d’apporter des informations supplémentaires quant aux mécanismes de genèse des magmas d’arc sous-saturés en silice et de mieux comprendre les comportements de fusion des deux types de lithologies. Pour des proportions inférieures à ~ 50 % de pyroxénite dans la source, les magmas produits présentent des compositions à hypersthène normatif, comparables aux laves d’arc issues de la fusion de lithologies péridotitiques. Pour des proportions de pyroxénites supérieures, les magmas sont à néphéline normative et s’enrichissent en calcium, reproduisant ainsi la gamme de compositions observée pour les inclusions magmatiques. 50 % de mélange correspond à la limite de stabilité de l’orthopyroxène. Tant que cette phase est présente dans le résidu, les magmas engendrés restent à hypersthène normatif. De plus, la présence d’amphibole dans la source permet d’augmenter la sous-saturation des liquides résultants et d’expliquer ainsi les termes les plus riches en néphéline normative de certaines inclusions. Nos expériences de fusion d’une source homogène ont également permis de déterminer la composition des magmas formés par un processus de fusion plus réaliste, impliquant une source hétérogène pyroxénite-péridotite. La productivité de liquides des pyroxénites étant supérieure à celles des péridotites, les magmas générés à partir d’une source hétérogène seront donc principalement pyroxénitiques, c’est-à-dire davantage sous-saturés en silice. Ainsi, dans le cas d’un mélange de magmas issus d’une source hétérogène, la transition entre les compositions à hypersthène et à néphéline normatifs s’effectue aux alentours de 30-40 % de liquides pyroxénititiques, soit pour environ 20-25 % de pyroxénite dans la source. L’origine de ces lithologies dans le manteau sub-arc est attribuée à la délamination de cumulats à clinopyroxène + amphibole présents à la base de la croute des arcs. Les inclusions magmatiques à néphéline normative d’arc auraient enregistré plusieurs étapes de mélange entre des liquides quasi-purs de clinopyroxénites et des liquides péridotitiques. L’homogénéité de compositions des laves à hypersthène normatif traduirait en revanche, un stade de mélange et de différenciation plus avancé, atténuant ainsi la signature pyroxénitique. / Lavas erupted in subduction zones are dominated by calc-alkaline, hypersthene-normative compositions. However, melt inclusions trapped in magnesian olivines (Fo ≥ 88) from arc basalts often show alkaline, nepheline-normative compositions. Although their trace element compositions are comparable to those of their host lavas, these melt inclusions cannot be simply explained by the typical models for arc lava genesis. The study of melt inclusions from several island arcs from all over the world has emphasized their compositional variability, in particular in calcium and Sc, two elements compatible in clinopyroxene. The coupling of this study with thermodynamic modelling has led to the development of a source model involving the contribution of amphibole-bearing clinopyroxenites at about 1 GPa. Nepheline-normative arc melt inclusions thus underline the source heterogeneity at the origin of arc magmas. Partial melting experiments of amphibole-clinopyroxenite – hydrous peridotite homogeneous mixtures performed at 1 GPa have provided additional information on the origin of silica-undersaturated arc magmas, and also a better understanding of the melting behaviour of the two types of lithologies. For proportions of pyroxenite lower than 50 % in the mixed source, the derived melts show hypersthene-normative compositions that are comparable to peridotite-derived arc lavas. For higher proportions of pyroxenite in the source, the derived magmas become nepheline-normative, calcium-rich, and reproduce the compositional range of the melt inclusions. Fifty percent of mixing corresponds to the limit of orthopyroxene stability. As long as this phase is present in the residue, the generated melts are hypersthene-normative. In addition, the presence of amphibole in the source increases the silica under-saturation of liquids and thus accounts for the extreme enrichment in normative nepheline of some inclusions. Our melting experiments of a homogeneous source have allowed to determine the compositions of magmas derived from a mode realistic melting process, involving a heterogeneous source. As pyroxenites have higher melt productivity than peridotites, most melts produced from a pyroxenite-peridotite mixed source are comparable to those produced by a dominantly pyroxenitic source, i.e., they display normative nepheline compositions. Thus, in the case of mixing of magmas derived from heterogeneous source, the transition between hypersthene- and nepheline-normative compositions occurs for 30-40 % of pyroxenite melts, generated from 20-25 % of pyroxenite in the source. The origin of these lithologies in the subarc mantle is explained by the delamination of lower crustal cumulates consisting of clinopyroxene + amphibole. Nepheline-normative arc melt inclusions would record multi-stage mixing between clinopyroxenite and peridotite melts. In contrast, the compositional homogeneity of hypersthene-normative lavas would reflect a more advanced stage of mixing and differentiation, thereby reducing the pyroxenite signature in derived magmas.

Le soufre est un composant volatil important des magmas qui présente différents états d'oxydation en fonction des conditions d’oxydoréduction et de la phase dans laquelle il se trouve : dans le liquide silicaté, il est typiquement dissous comme S⁶⁺ et/ou S²⁻ , dans la phase gazeuse il se trouve principalement comme SO₂ (S⁴⁺ ) et H₂S (S²⁻). L’Etna, pour lequel les conditions d’oxydoréduction sont faiblement contraintes, est utilisée comme cas d’étude pour examiner le comportement du soufre dans les magmas basaltiques hydratés pendant la différenciation et le dégazage. Cette recherche combine l'étude des inclusions vitreuses avec une étude expérimentale en conditions magmatiques sur la solubilité du S dans les basaltes alcalins hydratés.Les résultats expérimentaux suggèrent l’important contrôle de la ƒO₂ sur la teneur en S dans les magmas hydratés de l’Etna, et le partage du S entre les phases fluid and liquid. Les inclusions vitreuses ont été piégées à différentes profondeurs à l'intérieur du système magmatique. Elles décrivent une tendance continue de différenciation, marquée par une cristallisation fractionnée, à partir de la composition picritique (FS) vers le basalte plus récent dégazé (2013). Le contenu en S dans le liquide de l'Etna est extrêmement variable et atteint 4150 ppm dans les inclusions vitreuses les plus primitives. Les spectres XANES Fe³⁺/ΣFe des certaines inclusions vitreuses donnent des rapports Fe³⁺/ΣFe généralement décroissants à partir du liquide le plus primitif (FS) jusqu’au plus évolué (2013). Les simulations effectué par le logiciel MELTS confirme que la diminution du rapport Fe³⁺/ΣFe est principalement due au processus de différenciation magmatique, renforcé par le dégazage du S à ƒO₂ < NNO + 1. Cette réduction du magma provoque à son tour la diminution de la solubilité du S dans les basaltes hydratés de l’Etna, et peut constituer un éventuel activateur de l’exsolution du S, à l’origine de l’important dégazage du S observé au cours des dernières décennies à l’Etna. / Sulfur is an important volatile component of magmas that presents different oxidation states, depending on the redox conditions and on the phase of occurrence: in silicate melts it is typically dissolved as S⁶⁺ and/or S²⁻ , in the gas phase it occurs principally as SO₂ (S⁴⁺ ) and H₂S (S²⁻). Mount Etna, in which magmatic redox conditions are poorly constrained, is used as a case study to investigate sulfur behavior in hydrous basaltic magmas during magma differentiation and degassing. This research integrates the study of natural olivine-hosted melt inclusions with an experimental study on S solubility in hydrous alkali basalts at magmatic conditions.Experimental results suggest the important control of ƒO₂ on the S abundance in Etnean hydrous magma and its partitioning between fluid and melt phases. Melt inclusions were entrapped at different depths inside the magmatic system (up to ~ 18 km, below crater level). They delineate a continuous differentiation trend, marked by fractional crystallization, from the picritic basalt (FS) toward the most evolved and degassed (2013) basalt. S content in Etnean melt is extremely variable and reaches 4150 ppm in the primitive melt inclusions. XANES Fe³⁺/ΣFe spectra in some glass inclusions, resulted in the generally decreasing of Fe³⁺/ΣFe ratios from the most primitive (FS) to the most evolved (2013) melts. MELTS software confirms that the Fe³⁺/ΣFe decrease is due principally to the melt differentiation process, enhanced to the S degassing at ƒO₂ < NNO+1. Magma reduction, in turn, induces the decrease of the sulfur solubility in the hydrous Etnean basalt, as well as of the sulfide saturation, and may constitute a possible enhancer of S exsolution, triggering the important S degassing observed in the last decades in Mt. Etna.

En comparaison aux éruptions basaltiques effusives, les éruptions basaltiques explosives sont relativement rares et leurs propriétés physiques sont mal comprises. L’objectif de cette thèse est d’étudier les causes à l’origine de l’explosivité des magmas basaltiques en caractérisant les produits volcaniques de l’éruption subplinienne trachybasaltique des Puys de La Vache-Lassolas (Chaîne des Puys, France) et des éruptions phréatomagmatiques et subpliniennes de magma basaltique tholéiitique du Grímsvötn (Islande). Les minéraux, verres matriciels et inclusions magmatiques (MI) ont été analysés à la microsonde électronique afin d’estimer les concentrations en éléments volatils (initiales et finales) et les pressions (P) et températures (T) de cristallisation, en utilisant la thermobarométrie basée sur l’équilibre clinopyroxène-liquide. Une étude expérimentale a été réalisée afin de mieux comprendre les limites de la thermobarométrie clinopyroxène-liquide à des pressions crustales et pendant l’ascension magmatique. Quatre éruptions de Grímsvötn ont été étudiées : deux phréatomagmatiques (celles de 1823 et 2004) et deux (sub-)pliniennes (1873 et 2011). Les éruptions subpliniennes ont des concentrations en éléments volatils plus élevées que celles des phréatomagmatiques. De plus, les premières sont également sujettes à une exsolution plus poussée du gaz dissous, ce qui se traduit par des émissions atmosphériques plus importantes. Quelle que soit l’explosivité d’une éruption du Grímsvötn, les équilibres clinopyroxène-liquide (verre matriciel ou MI) ont enregistré la même profondeur de cristallisation : ~15 km. Ceci suggère que la chambre magmatique superficielle du système magmatique du Grímsvötn puisse agir comme un réservoir dans lequel le gaz exsolvé d’un magma plus profond est stocké et accumulé entre les éruptions. La gamme de variabilité thermique des équilibres clinopyroxène-MI est plus restreinte pour les éruptions du 19ème siècle, ce qui suggère que le système magmatique du Grímsvötn était plus perméable en réponse à l’évènement volcano-tectonique du Laki (1783-84). La température moyenne des équilibres clinopyroxène-verre matriciel des quatre éruptions décroît avec le temps, suggérant que le système magmatique du Grímsvötn, dans son ensemble, est en cours de refroidissement. Les produits des Puys de La Vache-Lassolas ont enregistré une contribution magmatique plus profonde : vers 30 km. Les concentrations initiales en éléments volatils et leurs rapports sont plus proches de ceux des magmas d’arc que de tout autre contexte tectonique. Cette observation remet en question l’existence d’un point chaud sous la Chaîne des Puys. La contribution significative de magma d’origine profonde est en accord avec la cristallisation simultanée du clinopyroxène et de l’olivine. L’éruption des Puys de La Vache-Lassolas a émis 0,5 Tg de HF, 0,7 Tg de HCl et 7,3 Tg de SO2, illustrant le risque volcanique auquel est confrontée la population auvergnate. Afin de mieux contraindre les estimations pétrologiques de pression et température, une étude expérimentale au piston-cylindre a été réalisée. Elle porte sur la stabilité du clinopyroxène dans le magma tholéiitique de l’éruption 2014-15 d’Holuhraun (Islande). L’absence d’olivine dans la gamme de pression entre 0,5 et 1,0 GPa, associée à la présence de clinopyroxène indique que le clinopyroxène est la première phase au liquidus. Ceci confirme l’importance de la thermobarométrie clinopyroxène-liquide pour l’estimation des P et T de cristallisation des magmas tholéiitiques islandais. Les expériences au cours desquelles la pression a été diminuée de 1,0 à 0,5 GPa, puis maintenue constante, montrent que l’équilibre entre clinopyroxène et liquide n’est pas encore atteint après 24 heures à 0,5 GPa. Par conséquent, un temps de résidence de plusieurs jours à P et T constantes est nécessaire pour obtenir des estimations thermobarométriques fiables. / Explosive basaltic eruptions are rare compared to effusive ones and the underlying physical mechanisms are poorly understood. The goal of this thesis is to study the causes of basaltic magma explosivity by characterizing the volcanic products of the subplinian eruption of trachy-basalt at the Puys de La Vache-Lassolas complex (Chaîne des Puys, France) and of phreatomagmatic and sub-plinian eruptions of tholeiitic magma at Grímsvötn volcano (Iceland). Minerals, matrix glasses and melt inclusions (Mis) were analysed with an electron microprobe to estimate volatile concentrations (initial and final), and pressure (P) and temperature (T) of crystallization using clinopyroxene-liquid thermobarometry. In addition, an experimental study was performed to better understand the limitations of clinopyroxeneliquid thermobarometry at moderate pressures and during magma ascent. Four eruptions were studied at Grímsvötn: two phreatomagmatic (AD1823 and AD2004) and two subplinian (AD1873 and AD2011). The subplinian eruptions have volatile concentrations higher than the phreatomagmatic ones, together with more efficient gas exsolution, leading to significantly higher atmospheric mass loading. Regardless of the eruptive regime, clinopyroxene-liquid (matrix glass or MI) equilibria in Grímsvötn magmas record the same depth of crystallization, namely ~15 km. This suggests that the shallow magma chamber of Grímsvötn plumbing system may only act as a reservoir in which gas exsolved from deeper origin is stored and accumulates between eruptions. The lower variability of clinopyroxene-MI equilibrium T in the 19th century eruptions, suggests important Grímsvötn magma system permeability following the Laki volcano-tectonic event end of 18th century. Average matrix glass-clinopyroxene equilibrium T decreases with time suggesting that Grímsvötn magma plumbing system as a whole may be slowly cooling over the last two centuries. Puys de La Vache-Lassolas products record a deeper magma contribution, from approximately 30 km depth. Initial volatile concentrations and ratios of the ~8.6 ka eruption are closer to those of arc magmas than to magmas from any other tectonic settings. This observation calls into a question the Chaîne des Puys hotspot hypothesis. The significant contribution of deep-derived magma is coherent with the crystallization of clinopyroxene contemporaneously with olivine. The Puys de La Vache-Lassolas eruption carried 0.5 Tg of HF, 0.7 Tg of HCl and 7.3 Tg of SO2 into the atmosphere illustrating the volcanic hazard to the Auvergne population. In order to better constrain petrological P-T estimations, a piston-cylinder experimental study of clinopyroxene stability in a tholeiitic magma (Holuhraun 2014-15, Iceland) was undertaken. The absence of olivine in the pressure range 0.5-1 GPa and the presence of clinopyroxene indicate that clinopyroxene is the first phase at the liquidus, confirming the importance of clinopyroxene-liquid thermobarometers when estimating P and T of crystallization of Icelandic tholeiitic magmas. Experiments in which P was decreased from 1 to 0.5 GPa and then kept constant show that equilibrium between clinopyroxene and liquid is still not reached after 24 hours at 0.5 GPa. Thus a residence time of several days at constant P and T is required to obtain reliable thermobarometric estimates.

This thesis focuses on the analysis of heavy noble gases (argon, krypton and xenon) and halogens (chlorine, bromine and iodine) in Martian meteorites. In the absence of a sample-return mission, Martian meteorite analysis is essential for establishing evidence for an active fluid system, evaluating the potential for life and understanding the formation and evolution of Mars. Noble gas analysis has multiple applications for Martian meteorite study, as described in this thesis. The noble gas isotopic signatures of Earth’s atmosphere, Martian atmosphere and Martian interior are sufficiently different that they can be distinguished through noble gas analysis. Analysis of bulk and mineral separates of shergottites showed that Martian atmospheric Xe was distributed evenly amongst samples, whilst terrestrially weathered samples contained elevated concentrations of terrestrial atmospheric Xe. Both atmospheric components were introduced by weathering. Shock redistribution is responsible for the distribution of Martian atmosphere into more retentive sites. Crustal contamination may be responsible for the presence or absence of detectable 129Xe from the Martian atmosphere. Halogen abundances can be determined as an extension of the Ar-Ar dating technique. As the halogen system on Earth acts as a tracer for important fluid related processes, Martian halogen abundances in meteorites may provide a tracer for the Martian fluid system. Analysis of bulk and mineral separates of nakhlites showed that halogens are distributed amongst minor phases and clear variation of Br/Cl and I/Cl ratios was observed amongst samples. Elevated I concentrations in low temperature releases of finds NWA 998 and MIL 03346 are consistent with terrestrial contamination. Analysis of Nakhla, (a meteorite fall), showed a trend of elevated Br/Cl and I/Cl ratios in crush and low temperature releases, consistent with Br/Cl ratios observed in Martian rocks, soils and weathering products. In contrast, high temperature releases had lower I/Cl and Br/Cl ratios, which are broadly comparable to the terrestrial mantle. This trend may represent mixing of hydrothermal fluids (low Br/Cl and I/Cl) and surface brines (high Br/Cl and I/Cl). An impact-induced hydrothermal system may provide a mechanism for mixing of both fluid types. The crystallisation ages of nakhlite meteorites were determined using the Ar-Ar dating technique. The apparent ages measured were similar to previous Ar-Ar analysis, and older than reported for other chronometers. Previously unrecognised components were observed, including evidence for a trapped hydrous fluid. This Cl-rich component showed strong correlation with 40Ar and had 40Ar/36Ar and 40Ar/129XeXS ratios consistent with Martian atmosphere. As this component was released during crush and low temperature analysis, fluid inclusions formed by percolation of brines from the Martian surface are likely hosts. Both finds showed clear evidence of a trapped component with 40Ar/36Ar ratios similar to either terrestrial atmosphere or the Martian interior. A further component observed in olivine phases had low 40Ar/36Ar ratios, and likely formed by the release of 36Ar formed by cosmic-ray spallation reactions on iron.

Malgré l’homogénéité isotopique des laves de La Réunion, une certaine diversité des produits est observée sur les deux principaux volcans de l’île, le Piton des Neiges et le Piton de la Fournaise, d’un point de vue pétrographique et chimique. En effet, si la majorité des laves émises sont des basaltes transitionnels dont l’évolution est principalement contrôlée par la précipitation et/ou l’accumulation d’olivine, certaines laves plus ou moins anciennes montrent des caractéristiques pétrologiques et géochimiques particulières, qui témoignent de conditions magmatiques variées et de systèmes de stockage et transfert relativement complexes. C’est le cas des « Basaltes Porphyriques à Plagioclase », des basaltes des cônes excentriques dits « adventifs » et de ceux du cratère Hudson (éruption de 1998), sur lesquels portent les travaux de cette thèse. L’étude pétro-géochimique des laves est couplée à celle des inclusions magmatiques des minéraux, naturellement vitreuses ou homogénéisées par chauffage expérimental, afin de caractériser l’origine des magmas et les processus responsables de leur évolution, en contexte de point chaud océanique. Les rapports d’éléments en traces incompatibles des inclusions magmatiques piégées dans les olivines précoces (Fo > 85) des cônes adventifs sont utilisés pour identifier la nature de la source du panache mantellique de La Réunion. Les résultats suggèrent que les magmas des cônes adventifs ont une origine chimiquement comparable à celle de l’ensemble des laves réunionnaises, intermédiaire entre un domaine mantellique relativement primitif et un domaine légèrement appauvri, presque non-affecté par les processus de recyclage. De faibles degrés de fusion partielle de cette source génèrent les concentrations enrichies en éléments en traces des inclusions magmatiques. Les Basaltes Porphyriques à Plagioclases, pouvant contenir jusqu’à 35 % de plagioclases millimétriques, ont été émis sur les deux volcans. Les compositions des inclusions magmatiques des macrocristaux de plagioclase (An 84.2-71.7 ) et les observations texturales des cristaux mettent en évidence leur caractère hérité. Les magmas parentaux des cristaux évoluent essentiellement par cristallisation de clinopyroxène et de plagioclase. Les contrastes de densité entre les phases permettent la ségrégation des plagioclases par flottaison, et leur accumulation au toit de la chambre. Les Basaltes Porphyriques à Plagioclase sont formés par la remobilisation de ces zones d’accumulation riches en plagioclase lors de l’arrivée d’un nouveau magma. Les périodes très spécifiques d’éruption de ces basaltes correspondraient à une diminution du flux magmatique dans la croissance des volcans, favorisant la cristallisation de plagioclase. Les textures des laves des cônes adventifs et du cratère Hudson, ainsi que les inclusions magmatiques des olivines de ces laves témoignent d’une histoire complexe des cristaux, et de l’importance des processus de recyclage dans le système d’alimentation magmatique du Piton de la Fournaise. Les olivines sont nettement plus magnésiennes (Fo > 85) que celles des laves historiques. Les compositions chimiques des laves montrent que la majeure partie correspond à des basaltes légèrement alcalins, appelés « Mid-Alkaline Basalts », qui sont appauvris en CaO mais enrichis en éléments compatibles et incompatibles. Les compositions isotopiques et en éléments en traces leurs suggèrent une origine commune avec celle des laves historiques, bien que le taux de fusion partielle à l’origine des « Mid-Alkaline Basalts » soit plus faible. Un fractionnement profond de clinopyroxène et de plagioclase expliquerait leur formation. L’ensemble de ces résultats suggère que du magma d’origine profonde peut remonter directement, sans passer par le système central du volcan. / Despite the isotopic homogeneity of the La Réunion lavas, a petrographic and chemical diversity is observed in the products of the two main volcanoes of the island, le Piton des Neiges and le Piton de la Fournaise. Although the majority of the lavas are transitional basalts which are mainly controlled by olivine fractionation and/or accumulation, some relatively old lavas show petrological and geochemical characteristics that reflect various and relatively complex magmatic conditions, as well as storage and plumbing systems. This is for instance the case of the Plagioclase Ultraphyric-Basalts, basalts from the eccentric ‘adventive’ cones and from the Hudson crater (1998 eruption), on which this works deals with. The petro-geochemical study of the lavas is coupled with the investigation of naturally vitreous or experimentally quenched mineral-hosted melt inclusions, in order to characterize the origin of the magmas and their evolution processes in an oceanic hotspot context. The incompatible trace element ratios of the melt inclusions trapped within early-formed olivine crystals (Fo > 85) from the adventive cones are used to identify the nature of the La Réunion mantle plume source. The results suggest that magmas of the adventive cones originate from chemical source comparable to that of all the La Réunion lavas. This source is intermediate between a primitive-like mantle domain and a depleted one, almost unaffected by recycling processes. Small degrees of melting of this source can explain the enriched trace element concentrations of the melt inclusions. Plagioclase-bearing ultraphyric basalts, which can have up to 35 % millimetre-sized plagioclase crystals, were erupted during some stages of building of the two volcanoes. The compositions of the melt inclusions hosted in the plagioclase macrocrystals (An 84.2-71.7 ) and textural observations of the crystals highlight their inherited character. The parental melts of the crystals mainly evolve by clinopyroxene and plagioclase crystallization. Density contrasts between the phases allow plagioclase segregation by flotation and their accumulation at the top of the chamber. The Plagioclase Ultraphyric-Basalts are derived from the remobilization of this plagioclase-rich accumulation zones, upon input of a new batch of magma. The specific eruption periods of these basalts would correspond to decreases in the magma supply, which promoted plagioclase crystallization. Lava textures of the adventive cones and Hudson crater and their olivine-hosted melt inclusions reflect a complex history of the crystals, and the role of recycling processes in the magma feeding system of the Piton de la Fournaise volcano. The olivine crystals are clearly more magnesian (Fo > 85) than those found in the historical lava ones. The chemical compositions of the lavas show that they correspond for the most part to slightly alkaline basalts, called “Mid-Alkaline Basalts”, which are depleted in CaO and enriched in compatible and incompatible elements. Isotopic and trace element compositions suggest that they have a common origin with the historical lavas, but partial melting degrees are lower for the “Mid-Alkaline Basalts”. Clinopyroxene and plagioclase deep fractionation would explain their formation. All the results suggest that the ascent of deep-seated magma clearly could bypass the central volcanic system.

In order to improve the purity of steel castings, the use of special reactive coatings on carbon-bonded ceramic foam filters was explored. Carbon nanotubes were dispersed in water by means of ultrasonic treatment, using xanthan gum to stabilize the nanotubes in suspension and control the rheological behavior. The coatings were applied by cold spraying and binding was achieved during heat treatment in reducing atmosphere, thanks to an artificial pitch added to the slurry. The coated filters were successfully immersed in molten steel for different times. The thickness of the first alumina layer generated at the interface was independent of the immersion time: concentration gradients through its thickness suggested that the formation of this structure is limited by diffusion. Investigation of the steel after solidification by means of ASPEX showed that the presence of the coating influenced the size as well as the chemical composition of the remaining inclusions. Nano-coated filters had the best filtration efficiency (up to 95% for alumina inclusions after 10 s), but longer tests resulted in worse performance. In addition, coatings based on calcium aluminates in combination with carbon showed an efficiency greater than 97% for steel samples taken directly from the melt.