Abstract :
[fr] Au cours des dernières décennies, la vision des réservoirs magmatiques a profondément évolué : les grandes chambres magmatiques riches en liquide ont été remplacées par un réseau complexe de dykes et de sills dominés par des mushs cristallins. Cette nouvelle conception a renforcé l’intérêt pour la quantification des échelles de temps magmatiques, essentielles pour comprendre la dynamique volcanique. Parmi les différentes méthodes existantes (datation isotopique, diffusion, modélisation thermique), l’analyse des distributions de tailles de cristaux (CSD), associée à des taux de croissance déterminés expérimentalement, constitue un outil particulièrement précieux, notamment lorsque les minéraux datables sont absents ou que les textures sont altérées.
Cette thèse vise à évaluer le potentiel des approches texturales, en particulier la méthode CSD, pour contraindre les temps caractéristiques de l’évolution magmatique, en combinant expériences contrôlées et étude d’échantillons naturels. L’approche expérimentale, comprenant 80 expériences réalisées dans un four vertical sur une andésite basaltique en conditions anhydres, poursuivait deux objectifs principaux : (i) quantifier les taux de croissance du plagioclase au cours de différents chemins de solidification ; et (ii) étudier l’impact du chemin thermique et du prétraitement (surchauffe, élimination des germes) sur la nucléation et les textures cristallines.
Les résultats montrent une évolution similaire des taux de nucléation et de croissance, avec un maximum généralement atteint à proximité du liquidus, suivi d’une diminution progressive lors du refroidissement. Les microtextures obtenues constituent un excellent marqueur du taux de refroidissement (et donc du sous-refroidissement), avec une évolution des morphologies allant de formes euédriques à des textures squelettiques puis dendritiques lorsque ce dernier augmente. Toute modification du chemin thermique, en particulier lors du prétraitement (notamment la préchauffe initiale), influence fortement la cristallisation : elle tend à inhiber la nucléation et à favoriser la croissance de grands cristaux présentant des textures de déséquilibre (dendritiques). Les taux de croissance obtenus varient de 10⁻⁹ à 10⁻⁸ cm·s⁻¹ (pour des refroidissements compris entre 1 et 125 °C/h), et atteignent des valeurs de l’ordre de 10⁻⁷ à 10⁻⁶ cm·s⁻¹ lorsque la surchauffe dépasse 15 °C au-dessus du liquidus.
Les taux de croissance ainsi établis ont ensuite été utilisés pour interpréter les CSD de 19 échantillons issus de trois stratovolcans actifs de l’arc chilien (Osorno, Calbuco et Villarrica). Ces systèmes, dépourvus de phases accessoires datables et caractérisés par des textures criblées, se prêtent particulièrement bien à cette approche. Les durées de cristallisation estimées s’étendent de quelques jours à environ trois ans, selon les vitesses de croissance retenues et les populations cristallines considérées. Ces durées reflètent trois stades distincts de l’histoire magmatique : les macrocristaux enregistrent un séjour prolongé dans le réservoir principal ; les micro-phénocristaux témoignent d’un temps de résidence dans des réservoirs intermédiaires peu profonds, crucial pour l’évaluation des risques ; les microlites, quant à eux, reflètent la cristallisation lors de l’ascension finale précédant l’éruption.
Ces durées, plus courtes que celles obtenues par diffusion ou par les séries de l’uranium, soulignent que chaque méthode chronométrique enregistre une fenêtre temporelle distincte. L’approche CSD, sensible aux taux de croissance considérés, permet d’estimer exclusivement les temps de cristallisation. Elle apparaît néanmoins comme un complément indispensable aux chronomètres géochimiques pour mieux comprendre le stockage et la dynamique du magma dans les arcs volcaniques, en reliant à la fois échelles de temps et processus magmatiques.
[en] Over the past decades, the conceptual view of magmatic reservoirs has profoundly evolved: large, liquid-rich magma chambers have been replaced by a complex network of dykes and sills dominated by crystalline mushes. This new paradigm has reinforced interest in quantifying magmatic timescales, which are essential for understanding volcanic dynamics. Among the various existing methods (isotopic dating, diffusion chronometry, thermal modelling), the analysis of crystal size distributions (CSD), combined with experimentally determined growth rates, represents a particularly valuable tool, especially when datable accessory minerals are absent or when crystal textures are altered.
This thesis aims to assess the potential of textural approaches, particularly the CSD method, to constrain the characteristic timescales of magmatic evolution by combining controlled experiments with the study of natural samples. The experimental approach, consisting of 80 experiments performed in a vertical furnace on an anhydrous basaltic andesite, pursued two main objectives: (i) to quantify plagioclase growth rates along different solidification paths; and (ii) to investigate the influence of thermal history and pre-treatment (superheating, removal of nuclei) on nucleation behaviour and crystal textures.
The results show a similar evolution of nucleation and growth rates, with a maximum generally reached near the liquidus, followed by a progressive decrease during cooling. The resulting microtextures are excellent markers of cooling rate (and thus undercooling), with morphologies evolving from euhedral forms to skeletal and then dendritic textures as undercooling increases. Any modification of the thermal path, particularly during pre-treatment (notably initial superheating), strongly influences crystallization: it tends to inhibit nucleation while promoting the growth of large crystals exhibiting disequilibrium textures (dendritic). The measured growth rates range from 10⁻⁹ to 10⁻⁸ cm·s⁻¹ for cooling rates between 1 and 125 °C/h, and reach values on the order of 10⁻⁷ to 10⁻⁶ cm·s⁻¹ when superheating exceeds 15 °C above the liquidus.
The experimentally derived growth rates were then used to interpret the CSDs of 19 samples from three active stratovolcanoes of the Chilean arc (Osorno, Calbuco and Villarrica). These systems, which lack datable accessory phases and commonly display sieve textures, are particularly well suited to this approach. The estimated crystallization durations range from a few days to roughly three years, depending on the growth rates considered and the crystal populations analysed. These timescales reflect three distinct stages of the magmatic history: macrocrysts record prolonged residence in the main reservoir; microphenocrysts correspond to residence times in shallow intermediate reservoirs, which are crucial for hazard assessment; and microlites reflect crystallization during the final ascent prior to eruption.
These timescales, shorter than those obtained from diffusion chronometry or U-series dating, highlight that each method records a different temporal window. The CSD approach, inherently sensitive to the growth rates considered, provides estimates of crystallization durations only. Nevertheless, it emerges as an essential complement to geochemical chronometers for improving our understanding of magma storage and dynamics in volcanic arcs, by linking both timescales and magmatic processes.
