Use of helium, neon, and argon for tracing the origin and migration of magmas in the active South Aegean volcanic arc (Greece)

Les gaz rares sont de puissants traceurs de l'origine et de la migration des magmas, et des fluides géologiques en général. Dans les zones de subduction, les magmas d'arc se forment par fusion du manteau. Les gaz (CO2, N2, He, Ne, Ar, etc.) dissous dans ces roches sont incorporés aux magmas lors de leur formation, puis libérés au cours de leur migration à travers la croûte. Leurs compositions chimiques et isotopiques peuvent ensuite être mesurées dans les émanations de surface des volcans actifs. Les rapports isotopiques contrastés de ces gaz entre les différents réservoirs terrestres fournissent des contraintes robustes sur la composition du manteau, laquelle varie selon divers paramètres géologiques (nature et géométrie du slab, etc.). Les abondances élémentaires des gaz volcaniques sont par ailleurs des traceurs sensibles de la migration des magmas, du fait des différences de solubilité des espèces volatiles entre les divers fluides impliqués. Le premier objectif de cette thèse est d'exploiter ces compositions chimiques et isotopiques afin de contraindre la composition du manteau à l'origine des magmas de l'arc volcanique actif sud-égéen (Grèce). Le second objectif est de mener une étude systématique des gaz émis par le volcan de Santorin entre 2015 et 2022. Ces travaux visent à mieux comprendre les paramètres géologiques qui caractérisent cette zone de subduction et contrôlent la composition des magmas, tout en renforçant la surveillance volcanique. Les premiers résultats obtenus, complétés par des données de la littérature, révèlent des variations couplées des rapports 3He/4He, 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, δ13C-CO2 et δ15N-N2, évoluant progressivement vers une signature crustale d'est en ouest le long de l'arc, avec une forte variabilité entre les volcans de Santorin et de Kolumbo, pourtant situés dans le même champ volcanique. De telles caractéristiques sont rares dans les arcs insulaires, qui conservent généralement une signature isotopique mantellique marquée et peu variable. À partir des taux de production de 4He radiogénique estimés pour la croûte continentale, des connaissances sur la mobilité des éléments traces dans les zones de subduction, de comparaisons avec d'autres arcs, ainsi que des modèles géodynamiques du domaine égéen, la subduction de la croûte continentale adriatique apparaît comme le scénario le plus probable pour expliquer une contamination radiogénique du manteau. Cette interprétation contraste avec les modèles classiquement invoqués de recyclage sédimentaire et d'évolution des magmas dans la croûte, mais rejoint les explications avancées pour expliquer les signatures géochimiques des magmas de l'arc volcanique italien, analogue de l'arc égéen en termes de configuration géodynamique et de signatures isotopiques. Les seconds résultats obtenus mettent en évidence l'absence d'anomalies géochimiques, notamment des rapports CO2/CH4 et des concentrations en H2, dans les gaz émis à Santorin au cours de la période étudiée. Les modèles de mélange montrent par ailleurs une augmentation des contributions atmosphériques au détriment des gaz profonds, ce qui implique un ralentissement du dégazage volcanique. Enfin, une diminution de la température hydrothermale est suggérée par un modèle de dissolution préférentielle du CO2, utilisée pour la première fois à ces fins, et confirmée par le géothermomètre H2/N2. Ces résultats, cohérents avec les données géophysiques et géodésiques, sont interprétés comme les signaux d'un état de quiescence du volcan, à la suite d'une période de réactivation entre 2011 et 2012. Néanmoins, les troubles enregistrés en janvier 2025 sur le volcan voisin de Kolumbo soulignent la rapidité de l'évolution de ces systèmes. L'ensemble de ces conclusions mettent en évidence la forte variabilité géographique et temporelle dans l'origine et la migration des magmas d'arc et rappellent l'importance d'études pluridisciplinaires et continues pour mieux comprendre et surveiller ces systèmes volcaniques.