Pre-eruptive conditions at Lonquimay and Puyehue-Cordón Caulle Volcanoes, Chile : Framework for tectonic influences

Gilbert, David Johann

Vivid tectonic conditions - typical for subduction zones - affect the associated volcanism in many ways. Upper plate tectonic faults control not only the location of volcanoes but magnitude and orientation of tectonic stress along fault systems particularly control magma plumbing dynamics, i.e. the ascent, storage and eruption of magmas. For instance, bimodal volcanism in the central Andes is closely linked to the orientation and kinematics of regional faults and time-predictability may be a fundamental property of volcanism controlled by regional tectonic strain. While some eruption records show fairly uniform behavior through time, erratic evolution at other volcanoes may be controlled by either inherent change in the magmatic system or external forcing, or by complex coupling of both. Tectonic influence on volcanism on longer time scales is commonly implied from observed spatial correlations between tectonic and volcanic structures but may also be inferred from the pattern of temporal evolution of a volcano. On much shorter time scales, it is commonly believed that regional earthquakes are capable of triggering volcanic eruptions even though the particular processes involved are still under debate. The aim of this PhD thesis is to unravel a possible linkage between magmatic processes, regional tectonic stress and volatile inventories of two exemplary magmatic systems in the Southern Volcanic Zone (SVZ) of the Andes: Lonquimay (LVC; 38°23’S, 71°36’W) and Puyehue-Cordón Caulle (PCCVC; 40°35’S, 72°7’W) volcanic complexes. While the pre-eruptive inherent conditions of magmatic systems are in principle "visible" in the eruption products, the possible influence of tectonic stresses is commonly inferred by indirect evidence. Therefore, my work has focused on the control of post-glacial volcanism by petrogenesis (e.g. fractional crystallization, magma mixing) and stress regime; and in particular how the resulting volatile budgets ruled the eruptive activity by controlling the criticality of the investigated volcanic systems, i.e. their susceptibility to external forcing. The Lonquimay Volcanic Complex (LVC) in the high Southern Andes comprises a stratocone and two NE-trending flank-cone alignments that are associated with the arc-wide Liquiñe-Ofqui Fault Zone. Numerous effusive and explosive volcanic eruptions characterize its post-glacial magmatic activity. LVC’s tephrostratigraphy that comprises 22 dated pyroclastic deposits, was studied in order to investigate eruptive behavior through time. Statistical examination of the eruption time series yields two distinct repose time regimes. This change in recurrence times around 6000 b2k (years before 2000 AD) is also reflected in a change of magmatic products tapped during eruptions. In general, the LVC tephra deposits can be subdivided into three petrographic groups: a felsic group (Lonquimay Colored Pumice Tephra, LCPT), an intermediate population (Lonquimay Grey Pumice Tephra, LGPT) and a mafic member (Lonquimay Dark Scoria Tephra, LDST). LDST deposits as well as deposits compositionally zoned from LCPT to LGPT dominate the lower part of the stratigraphy for which recurrence times are short (RTmean=417±169 a). Deposits younger than 6000 b2k have dominantly LCPT and minor LDST compositions, no longer contain LGPT, and repose times are significantly longer (RTmean=1350±310 a). This change in eruption regime is interpreted to result from a tectonically driven rearrangement in the magma storage and plumbing system. To better constrain the plumbing system dynamics, thermobarometric calculations were performed using several complementary mineral liquid equilibria. The obtained P-T-X results reveal distinct magma storage levels for each petrographic group: the mafic LDST derive from mid crustal storage (Pmean≈440±100 MPa, Tmean≈1065±25°C), felsic LCPT mainly erupted from upper-crustal level (Pmean≈80±25 MPa, Tmean=935±20°C) whereas LGPT samples yield intermediate storage depths (Pmean=240±110 MPa, Tmean=1010±15°C). Magma contributions from this intermediate reservoir are restricted to >6000 b2k when the Lonquimay plumbing system was in a regime of short repose times; disappearance of the intermediate reservoir coincides with the change to longer repose times between eruptions. Despite the distinct storage levels, LVC’s magmatic products record a complex history of component magmas interacting within the plumbing system, thereby affecting the involved magmas and their volatile inventories and hence LVC’s eruptive behavior. Two independent levels of volatile saturation are documented in LVC magmatic products. A first deep level (~14 km) of volatile-saturation was reached by LDST melts during ascent, leading to the formation of a S-rich fluid phase and therefore strong depletion of S in the melt. A second level of H2O-saturation was reached between 1.5 and 6 km in the shallow reservoir. The stagnation of LCPT melts at this level led to their H2O-oversaturation and hence exsolution of an aqueous fluid phase. The frequent injections of primitive melt batches into the LDST reservoir, as documented in the pheno- and xenocryst assemblages, may have triggered the mafic LDST eruptions. The occurrence of compositionally zoned, amphibole-bearing deposits that is limited to LCPT deposits older 6000 b2k indicates the occurrence of compositionally zoned magma bodies and hence stronger interaction between the three distinct reservoirs prior to this threshold. In contrast, the matrix glass and crystal records of most felsic eruptions younger than 6000 b2k do not show such a strong influence of mafic replenishment. I therefore propose that these eruptions may have been triggered by H2O-saturation, giving a possible explanation for the longer repose times between these eruptions. While statistically significant correlations between major regional earthquakes and eruptions within days or even months have been reported by several studies, the 1960 eruption of the Puyehue-Cordón Caulle Volcanic Complex (PCCVC) is one of the most renowned examples thought to be susceptible to seismic triggering, because it occurred only 37h after the largest ever instrumentally recorded earthquake (MS=9.5). Its recent eruption that started on June 4th 2011 raised the question, if it was possibly related to the preceding MW 8.8 Maule earthquake of 2010. To determine the pre-eruptive criticality, thermobarometric and volatile studies were performed for the remarkably homogeneous rhyodacitic 2011, 1960 and four older post-glacial eruptions. The use of several independent methods allows us to give robust estimates of pre-eruptive P-T-X-conditions and how the volatile saturation state evolved over time. Several independent estimates for crystallization temperatures and pressures as well as pre-eruptive H2O-contents yield shallow magma storage (P=50-250 MPa, T=885-915°C) for all PCCVC eruptions studied. Pre-eruptive H2O contents of 4-5 wt% and the occurrence of water-dominated magmatic fluid inclusions indicate the exsolution of an aqueous fluid phase (salinitymean=3.2±0.1 wt% NaCl equivalent) at pressures of ~135 MPa for the 2011 eruption. Such pre-eruptive H2O-saturation in the upper part of the plumbing system appears to be typical for explosive eruptions at this volcanic system. I propose that due to volatile-supersaturation the system was due to erupt when it was eventually triggered by seismic activity. PCCVC’s position astride a NW fissure zone of the arc-wide Liquiñe Ofqui Fault Zone system (along which seismic energy/strain may be transmitted particularly effectively) as well as its ability to repeatedly reach critical magmatic conditions probably are the two factors that facilitate tectonic triggering of eruptions at this particular volcanic system. Although presenting case studies based on conditions valid for LVC and PCCVC, the general implication from this thesis may be applicable to other volcanic systems with similar prerequisites. Particularly in evolved subduction-related systems shallow storage and hence volatile saturation are common features, as are arc-wide fault systems in the upper plate due to oblique convergence in other subduction zones. I therefore infer that tectonic forcing of volcanic systems may be more common than usually assumed and is probably not only confined to dictating the structural features but also affects eruptive behavior. But more studies of the petrogenetic processes determining the saturation state and finally the criticality of volcanic systems that are discussed to be tectonically influenced are needed to better constrain the actual effects of internal and external forcing.

Subduktionszonenvulkanismus wird in vielfältiger Weise durch tektonische Rahmenbedingungen beeinflusst. Dabei bestimmen Störungszonen in der Oberplatte nicht nur das räumliche Auftreten von Vulkanen, sondern ebenso die Stärke und Orientierung des tektonischen Spannungsfeldes, welches wiederum die Dynamik von Magmenfördersystemen kontrolliert (d.h. Aufstieg, Speicherung und Eruption). Der bimodale Vulkanismus der Zentralanden beispielsweise ist eng verknüpft mit der Ausrichtung und Bewegungsrichtung regionaler Störungssysteme. Eine grundlegende Eigenschaft solcher tektonisch kontrollierter Vulkansysteme ist die zeitliche Kontinuität in ihrem Eruptionsverhalten. Während einige Vulkane eine zeitlich gleichförmige Eruptionstätigkeit aufweisen, zeigen andere ein sprunghaft wechselndes Eruptionsverhalten welches sich auf Magmensystem-inhärente Veränderungen oder externe Beeinflussung zurückführen lässt - oder aber auf eine komplexe Kopplung beider Prozesse. Der tektonische Einfluss auf Vulkanaktivität über längere Zeiträume wird für gewöhnlich aus der räumlichen Übereinstimmung zwischen tektonischen und vulkanischen Strukturen abgeleitet, lässt sich aber auch aus der zeitlichen Entwicklung eines Vulkansystems erschließen. Auf sehr kurzer Zeitskala können regionale Erdbeben Vulkaneruptionen auslösen, wie man gemeinhin annimmt, ohne dass die speziellen, dem zu Grund liegenden Prozesse bereits verstanden sind. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es daher eine mögliche Verknüpfung zwischen magmatischen Prozessen, regionalen tektonischen Spannungen und diversen Volatilinventaren zweier exemplarischer Vulkane in der südlichen Vulkanzone der Anden zu untersuchen: des Lonquimay Vulkankomplexes (LVC; 38°23’S, 71°36’W) und des Puyehue-Cordón Caulle Vulkankomplexes (PCCVC; 40°35’S, 72°7’W). Meine Arbeit hat sich dabei auf die Untersuchung der Mechanismen welche die Petrogenese und Eruptionstätigkeit des nacheiszeitlichen Vulkanismus bestimmen (bspw. fraktionierte Kristallisation, Krustenassimilation und Magmenmischung), konzentriert, da sich die prä-eruptiven Bedingungen aus den Ablagerungen rekonstruieren lassen. Im Gegensatz dazu muss der Einfluss von tektonischem Stress meist indirekt abgeleitet werden. Von besonderem Interesse war in welcher Weise die resultierenden Volatilgehalte den kritischen Zustand und damit die Empfindlichkeit gegenüber externen Störungen und folglich die Eruptionstätigkeit beider Systeme bestimmt haben. Der Lonquimay Vulkankomplex in den südlichen Hochanden besteht aus einem Stratovulkan und zwei nordost-streichenden Aneinanderreihungen von Eruptionszentren die mit der regionalen Liquiñe Ofqui Störungszone zusammenhängen. Zahlreiche effusive und explosive Eruptionen charakterisieren seine postglaziale Aktivität. Ich habe zunächst die LVC Tephrostratigraphie untersucht. Diese Ergebnisse wurden dann genutzt um die zeitliche Entwicklung der Eruptionstätigkeit zu untersuchen. Die statistische Auswertung der stratigraphie-basierten Eruptionszeitreihen ergab innerhalb der Holozänen Eruptionsgeschichten zwei unterscheidbare Phasen mit unterschiedlich lang andauernde Ruhezeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eruptionen. Der Wechsel in der Eruptionsfrequenz spiegelt sich ebenso in der Zusammensetzung der geförderten magmatischen Produkte wider. Generell lassen sich die LVC Tephren in drei unterschiedliche Lithologien einteilen: eine felsische Gruppe (farbige Lonquimay Bimse, LCPT), eine Gruppe intermediärer Zusammensetzung (graue Lonquimay Bimse, LGPT) und eine undifferenzierte mafische Gruppe (dunkle Lonquimay Schlacke, LDST). Der untere Teil des stratigraphischen Profils wird durch LDST Ablagerungen sowie chemisch zonierte Fallablagerungen mit basalen LCPT und einem Oberteil aus LGPT Pyroklasten dominiert. Die mittlere Eruptionsfrequenz dieser Ablagerugnen beträgt dabei rund 417±169 Jahre. Ablagerungen jünger als 6000 b2k (Jahre bevor 2000 AD) werden demhingegen dominiert durch LCPT und untergeordnet LDST Ablagerungen. LGPT Ablagerungen sind jedoch nicht mehr zu finden und die Eruptionshäufigkeit ist seltener (RTmean=1350±310a). Diese Unterschiede im Eruptionsverhalten lassen sich auf eine grundlegende, wahrscheinlich tektonisch verursachte Reorganisation des Magmenspeicher- und Fördersystems zurückführen. Um die dem Magmensystem innewohnende Dynamik besser charakterisieren zu können wurden thermobarometrische Berechnungen unter Nutzung mehrerer komplementärer Mineral-Schmelzgleichgewichte durchgeführt. Die erhaltenen P-T-X Abschätzungen decken klar abgegrenzte Niveaus der Magmenspeicherung für jede petrographische Gruppe auf: die mafischen LDST Ablagerungen stagnierten in der mittleren Kruste (Pmean≈440±100 MPa, Tmean ≈1065±25°C), die felsischen LCPT-Ablagerungen eruptierten aus einer Magmenkammer in der Oberkruste (Pmean≈80±25 MPa, Tmean=935±20°C) während die intermediären LGPT Proben intermediäre Speichertiefen (Pmean=240±110 MPa, Tmean=1010±15°C) dokumentieren. Eine Beteiligung dieses intermediären Reservoirs ist auf Ablagerungen älter 6000 b2k beschränkt. Während der Zeiten als alle drei Reservoire in die Magmenförderugn involviert waren, war das Lonquimay Magmensystem in einem Zustand hoher Eruptionsfrequenz. Das Ende der Magmenförderung aus dem mittleren Reservoir fällt mit dem Übergang zu geringerer Eruptionshäufigkeit zusammen. Obwohl drei voneinander abgegrenzte Speicherniveaus existiert haben dokumentieren die LVC-Tephren eine komplexe Geschichte miteinander wechselwirkender Magmakomponenten innerhalb des Magmenfördersystems welche die Entwicklung der beteiligten Magmen sowie deren Volatileninventare und dadurch das Eruptionverhalten des Vulkans Lonquimay beeinflusst haben. Zwei unabhängige krustale Niveaus der Volatilsättigung sind durch die LVC-Tephren dokumentiert. Ein tiefes Sättigungsniveau wurde durch LDST-Schmelzen während ihres Aufstiegs in rund 14 km Tiefe erreicht. Die resultierende Freisetzung einer schwefelreichen Fluidphase aus der Schmelze führte zu einer starken Abreicherung von Schwefel in dieser. Die Stagnation von LCPT-Schmelzen in Tiefen zwischen 1.5 und 6km führte zu deren Wasserübersättigung und als Folge dessen zur Entmischung einer wässrigen Fluidphase. Die häufige Injektion primitiver Schmelzen in das LDST-Reservoir ist in der Zusammensetzung der LDST Phäno- und Xenokristalle überliefert. Dieser häufige Magmennachschub könnte der Auslöser für die relativ häufigen LDST-Eruptionen gewesen sein. Das Auftreten von kompositionell zonierten, amphibolführenden Tephren ist auf Ablagerungen älter als 6000 b2k beschränkt. Dies kann als ein Hinweis für chemisch zonierte Magmenkammern interpretiert werden und weist auf eine möglicherweise stärkere Interaktion zwischen den einzelnen Magmenkörpern hin. Im Gegensatz dazu dokumentieren die Matrixgläser und Mineralzusammensetzungen der meisten felsischen LCPT-Tephren jünger 6000 b2k keinen signifikanten Einfluss mafischer Injektionen. Daraus lässt sich ableiten, dass diese Eruptionen vermutlich intern durch Volatilübersättigung ausgelöst wurden, was wiederum auch gut zu den niedrigeren Eruptionsfrequenzen dieser Eruptionen passt. Zahlreiche Studien haben einen statistisch signifikanten Zusammenhang zwischen starken regionalen Erdbeben und sich innerhalb weniger Tage bis Monaten danach ereignenden Vulkaneruptionen belegt. Die Eruption des Vulkans Puyehue-Cordón Caulle aus dem Jahre 1960 ist vermutlich die bekannteste der als tektonisch ausgelöst geltenden Eruptionen da sie nur 37h nach dem größten jemals gemessenen Erdbeben (MW 9.5) begonnen hat. Die letzte Eruption, die am 4. Juni 2011 begann wirft daher die Frage auf ob diese möglicherweise mit dem MW 8.8 Erdbeben von 2010 in Zusammenhang steht. Um zu bestimmen in welchem kritischen Zustand sich das Magmensystem vor der Eruption befand, wurden thermobarometrische und Volatilstudien der außergewöhnlich homogenen rhyodazitischen Eruptionen der Jahre 2011 und 1960 sowie vier älterer Eruptionen durchgeführt. Die Anwendung mehrerer unabhängiger Methoden zur Bestimmung von Kristallisationsdrucken und -temperaturen sowie prä-eruptiven Wassergehalten ergeben flache Magmenspeicherbedingungen (P=50-250 MPa, T=885-915°C) für alle untersuchten Eruptionen. Prä-eruptive Wassergehalte von 4-5 wt% und vorkommende Fluideinschlüsse belegen die Entmischung einer wässrigen Fluidphase bei Drucken von ~135 MPa kurz vor der 2011 Eruption. Eine derartige Wassersättigung im oberen Bereich des Magmenzufuhrsystems scheint typisch für explosive Eruptionen dieses Vulkansystems zu sein. Es lässt sich daher schlussfolgern, dass eine Eruption des Magmensystems überfällig war als diese möglicherweise durch seismische Aktivität ausgelöst wurde. Die Position des Puyehue-Cordón Caulle Vulkankomplex direkt auf einem nordwest-streichenden Seitenarm des regionalen Liquiñe-Ofqui Störungssystems - entlang dessen sich seismische Energie besonders effektiv ausbreiten kann - als auch die Eigenschaft des Systems wiederholt kritische prä-eruptive Bedingungen zu erreichen sind die notwendigen Randbedingungen, die eine tektonische Kontrolle dieses Vulkansystems ermöglichen. Obwohl die vorliegende Arbeit Fallstudien in Abhängigkeit der speziellen Bedingungen der Vulkansysteme LVC und PCCVC enthält sind die Hauptergebnisse dieser Arbeit möglicherweise übertragbar auf andere ähnlich geartete Vulkane. Besonders in entwickelten Subduktionszonen-Vulkanen sind flache Magmenkammern und dadurch bedingt Volatilsättigung häufige Merkmale. Ebenso treten weitspannende regionale Störungssysteme auch in anderen Subduktionszonen auf. Daraus lässt sich ableiten, dass Vulkane vermutlich häufiger tektonisch kontrolliert werden als gemeinhin angenommen wird, und dass sich dies nicht nur auf die Ausbildung struktureller Merkmale sondern ebenso auf deren Eruptionsverhalten auswirken kann. Um diese Frage besser beantworten zu können bedarf es noch weiterer Detailstudien der petrogenetischen Prozesse die die Volatilsättigung und daduch den prä-eruptiven Zustand von Vulkansystemen bestimmen, von denen man annimmt, dass sie tektonisch kontrolliert sind.

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Gilbert, David Johann: Pre-eruptive conditions at Lonquimay and Puyehue-Cordón Caulle Volcanoes, Chile : Framework for tectonic influences.

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