Développement d’un traceur des interactions gaz-eau dans les systèmes volcaniques basé sur les isotopes stables du chlore dans les gaz fumeroliens : application à la Soufrière de Guadeloupe

L’étude de la composition des gaz volcaniques est un élément central pour la surveillance des volcans, car la composition des gaz porte des informations cruciales sur le magma responsable de l’activité volcanique (profondeur de stockage, recharge de la chambre magmatique). Mais la composition des gaz peut être modifiée au cours de leur ascension vers la surface par interaction avec le système hydrothemal qui dissout partiellement certaines les espèces chimiques solubles dans l’eau (e.g., HCl, SO2). Cet effet, appelé « scrubbing », masque une partie de l’information portée par les gaz. La compréhension en profondeur des moteurs et de l’intensité de ce processus est nécessaire pour révéler la part d’information qu’il masque. Le comportement du HCl volcanique, très soluble dans l’eau et non réactif en dehors des interactions avec l’eau liquide (à la différence du SO2), associé au fait que la dissolution partielle du HCl est le seul moyen connu pour largement fractionner les isotopes du chlore dans les gaz volcaniques, font des compositions isotopiques en chlore (δ37Cl) un traceur unique des interactions entre gaz et eau. Cette thèse représente la première étude exhaustive d’application du δ37Cl du HCl des fumeroles volcaniques prélevées par les méthodes dites de condensats et ampoules à soude (ie. le type d’échantillons communément collectés en connexion directe avec la fumerole). Ce travail se base sur l’échantillonnage mensuel de l’observatoire Volcanologique et Sismologique de la Guadeloupe et plusieurs missions de terrains (Soufrière et Vulcano) qui ont eu lieu au cours de cette thèse. Le premier objectif de cette thèse a été de tester et d’adapter les méthodes de préparation en laboratoire et de prélèvements directs sur le terrain en vue d’une détermination optimale du δ37Cl du HCl volcanique de manière fiable (i.e. la plus juste et précise possible). Ainsi, l’étude d’échantillons d’ampoules à soude et de condensats prélevés en tubant les fumeroles à la Soufrière (Antilles françaises) et de Vulcano (îles éoliennes) avec des techniques et conditions de prélèvement sensiblement différentes (e.g., températures, flux, systèmes de prélèvements) ont permis de définir les condensats comme méthode fiable. En effet les condensats montrent des δ37Cl : (1) systématiquement plus faibles que les ampoules à soude; et (2) cohérents avec la source de HCl magmatique attendue. Le deuxième objectif de ce travail a été d’une part, de mieux contraindre le comportement du HCl(g) dans les systèmes hydrothermaux volcaniques en étudiant les δ37Cl sur La Soufrière et Vulcano, et d’autre part, de tirer des informations importantes sur l’activité actuelle de La Soufrière de Guadeloupe à partir du δ37Cl. Sur La Soufrière et Vulcano, les δ37Cl des condensats couvrent respectivement des gammes de -0.8 à +15.8 ‰ et de -2.1 à +6.7 ‰, leurs valeurs les plus basses sont proches des valeurs attendues pour le HCl issus de magmas des deux volcans. Les δ37Cl des condensats sont anti-corrélés avec leurs concentrations en chlore sur une pente qui suggère un fractionnement isotopique du chlore hors équilibre entre HCl gazeux et dissout. Nous proposons l’hypothèse que la réaction de dissolution du HCl(g) se produise hors équilibre chimique. Sur La Soufrière, les δ37Cl sont grossièrement anti-corrélés aux rapports CO2/CH4 mesurés par l’OVSG-IPGP et ne montrent pas de co-variation avec les températures des fumeroles ou l’évolution de la charge en eau de l’édifice. Nous en déduisons que l’intensité des interactions gaz-eau à La Soufrière serait contrôlée au premier ordre par l’apport de gaz magmatiques au système hydrothermal. Mots clefs : gaz volcaniques, isotopes stables, chlore, prélèvements de gaz, volcanologie Le jury est composé de : - Anne Le Friant (présidente du jury, examinatrice), directrice de recherche CNRS à l'IPGP - Alessandro Aiuppa (rapporteur), professeur à l'université de Palerme (Italie) - Ivan Vlastelic (rapporteur), chargé de recherche HDR CNRS à l'université Clermont Auvergne - Hélène Balcone-Boissard (examinatrice), maitresse de conférence à Sorbonne Université - Jens Fiebig (examinateur), professeur appl. à l'université Goethe de Franckfort (Allemagne) - Benoit Villemant (membre invité), professeur émérite à Sorbonne Université - Pierre Agrinier (directeur de thèse), Physicien CNAP à l'IPGP - Magali Bonifacie (co-encadrante), chargée de recherche CNRS à l'IPGP