The Distribution and Origin of Radon, CO2 and SO2 Gases at Arenal Volcano, Costa Rica
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The Distribution and Origin of Radon, CO2 and SO2 Gases at Arenal Volcano, Costa Rica par Glyn Williams-Jones Département de géologie Faculté des Arts et des Sciences Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures en vue de l’obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.) Avril 1996 Université de Montréal Glyn Williams-Jones - MCMXCVII Université de Montréal Faculté des études supérieures Ce mémoire intitulé The Distribution and Origin of Radon, CO2 and SO2 Gases at Arenal Volcano, Costa Rica présenté par: Glyn Williams-Jones a été évalué par un jury composé des personnes suivantes: Président-rapporteur: Dr. Walter E. Trzcienski Membre du jury: Dr. Hélène Gaonac’h Membre du jury: Dr. John Stix Frontispiece Arenal To all those that made this thesis possible. ii Abstract Volcanic gases are one of several important indicators used to better understand and forecast volcanic activity. However, direct sampling of these gases is often dangerous or impossible due to the high level of activity and the common inaccessibility of the crater areas of many volcanoes. Indirect methods such as the study of soil gases or the use of remote sensing techniques are thus required. Soil gases such as radon and carbon dioxide have been shown to correlate well with variations in volcanic activity. Similarly, the remote sensing of gases such as sulphur dioxide has proven significant in the geochemical characterisation of both passively and actively degassing volcanoes. Techniques such as these can now provide important clues to the behaviour and future activity of the volcano. This thesis investigates the degassing of Arenal volcano. A small stratovolcano in northwestern Costa Rica, Arenal is one of the most active volcanoes in Central America, having been in continuous eruption since its reactivation in July 1968. Estimates, using petrologic and remote sensing techniques, are made of the quantity of SO2 emitted from Arenal since 1968 and are related to a degassing model for the volcano. Observed spatial and temporal patterns of soil and plume gases are correlated to eruptive and seismic activity, and the origin and transport of these gases at Arenal is discussed. Measurements of seismicity, radon, CO2 and SO2 gas were made as (1) the results could be compared to other volcanoes where similar measurements have been made, (2) it was comparatively simple to measure radon, CO2, and SO2, and (3) these gases are believed to respond to changes in activity and the stress-state of the volcano. iii Resumen Los gases volcánicos son uno de los varios indicadores importantes usados para entender mejor y pronosticar la actividad volcánica. Sin embargo, el muestreo directo de éstos gases es frecuentemente peligroso o imposible a causa del alto nivel de actividad y la usual inaccesibilidad del área de cráter de muchos volcanes. Los métodos indirectos tal como el estudio de gases de suelo o el uso de técnicas de teledetección son necesarios. Se observó que los gases de suelo tal como radon y el dióxido de carbono son apropiados para correlacionar bien las variaciones de la actividad volcánica. Igualmente, los gases estudiados a distancia tal como: dióxido de azufre, ha probado ser importante en la caracterización geoquímica pasiva y activa de volcanes con emisiones gaseosas. Técnicas como éstas pueden proveer ahora, pistas importantes del comportamiento y actividad futura del volcán. Esta tésis investiga la emisión gaseosa del volcán Arenal, un pequeño estratovolcán en el noroeste de Costa Rica. Arenal, es uno de los volcanes más activos en Centroamérica, con erupción continua desde su reactivación en Julio de 1968. La estimación, por medio de técnicas petrológicas y de teledetección, se hizo teniendo en cuenta la cantidad de gas SO2 emitidas del volcán desde 1968, y son relativas a un modelo de emanaciones gaseosas para Arenal. Los modelos espaciales y temporales de los gases de pluma y suelo observados, se correlacionan con la actividad sísmica y eruptiva. También, el orígen y el transporte de éstos gases en Arenal se discute en esta tésis. Las medidas de sismicidad y medidas particulares de los gases radon, CO2 y SO2 se hicieron con motivo de que: (1) los resultados podrían compararse a otros volcanes iv donde medidas similares son disponibles, (2) los gases radon, CO2, y SO2 son comparativamente simples de medir, y (3) se piensa que éstos gases responden a cambios en la actividad volcánica y el estado de tensión del volcán. v Résumé L’Arenal est un stratovolcan situé à 10.463°N 84.703°O dans le nord-ouest du Costa Rica en Amérique Centrale. Arenal est le volcan costaricien le plus petit, avec un volume de 15 km3, mais aussi le volcan le plus actif du pays. Il consiste d’un édifice avec des flancs pentus formé de deux cratères sommitaux (C and D), et il est verdoyant sur les flancs nord, sud, et est. Un grand champ de laves jeunes, mis en place depuis 1968, couvre le flanc ouest. Arenal est situé entre deux massifs, la Cordillera de Guanacaste au sud-est et la Cordillera Central au nord-ouest. L’ensemble de ces deux cordillères forment la chaîne volcanique qui comprend l’arc du Costa Rica. Environ trois kilomètres au sud de l’Arenal on retrouve le volcan dormant de Cerro Chato. Le matin du 29 juillet, 1968, après 10 heures d’activité sismique intense, l’Arenal est entré en éruption de façon explosive, il a continué son activité éruptive durant une période de trois jours, tuant ainsi 78 personnes et dévastant une région de 12 kilomètres carrés sur le flanc ouest. L’explosion initiale était suivie par des colonnes d’éruptions pliniennes, des coulées pyroclastiques et des bombes et blocs éjectés de façon balistique. Trois nouveaux cratères (A, B, C) ont été formés durant cette période, avec une orientation approximative est-ouest sur le flanc ouest du volcan. Un autre épisode explosif a commencé le 17 juin 1975, avec l’emplacement d’une coulée pyroclastique de cendres et blocs le long de la vallée Rio Tabacon. Ce dépôt provient de la formation des nuées ardentes produites par des avalanches d’une coulée de lave provenant du cratère C. Jusqu’en juin 1984, l’Arenal a continué son activité fumerolienne forte avec l’extrusion de lave bloqueuse de type aa. Cette date marque une augmentation de l’activité à Arenal, avec le début d’éruptions de cendres et de grandes coulées pyroclastiques. Cette vi activité se change en phase éruptive strombolienne produisant des tephras et des laves de composition basaltique-andésitique. De nos jours le volcan Arenal est encore dans cette phase strombolienne. Les objectifs de ce mémoire sont, premièrement l’évaluation de la distribution des gaz de sol sur les flancs du volcan Arenal, deuxièmement l’estimation de la quantité du gaz SO2 dégagé par le volcan Arenal depuis 1968, en utilisant des techniques pétrologique et télédétectée, troisièmement la tentative de trouver des patrons spatial et temporel observés dans les gaz de sol et les fumerolles durant l’activité éruptive et sismique, et finalement une discussion sur l’origine et le transport des gaz pour le volcan Arenal. Pour réussir à ces objectifs, des mesures de sismicité, et des mesures de gaz de radon, de CO2 et de SO2 ont été effectuées avec l’idée de comparer les résultats à d’autres volcans où des mesures semblables ont été faites. De plus, il était relativement simple de mesurer le radon, le CO2, et le SO2, et il est suggéré que ces gaz répondent bien aux changements de l’activité volcanique et à l’état de stress du volcan. Des mesures des concentrations de radon et CO2 ont montré des maxima seulement près des failles possibles et sur les flancs inférieurs du volcan. Les données de δ13C ont aussi été les plus lourdes sur les flancs inférieurs et près de ces failles possibles. Il y a peu d’expression de la structure en surface du volcan Arenal parce qu’il est couvert de laves récentes. Le niveau d’activité élevé de l’Arenal rend difficile les corrélations entre l’activité sismique et les fluctuations des gaz de sol. Par contre, ces fluctuations peuvent être expliquées par des variations dans la pression atmosphérique. Ces observations impliquent que les concentrations des gaz de sol sont influencées principalement par le niveau de développement du sol. Ensuite, le dégazage diffus des vii gaz magmatiques profonds sur les flancs supérieurs des volcans est négligeable dû à la faible perméabilité du sol causée par le couvert des roches volcaniques jeunes. Finalement, l’augmentation du dégazage magmatique sur les flancs inférieurs est le résultat d’une augmentation de la fracturation des laves plus âgées. Les gaz de sol mesurés pour deux autres stratovolcans actifs associés à la subduction (le Poás, Costa Rica et le Galeras, Colombie) ressemblent bien à ce qui a été observé à l’Arenal. Les concentrations de radon étaient maximales seulement près des zones de failles, des zones d’activité sismique, près des cratères et fumerolles, et sur les flancs inférieurs de ces volcans. Les valeurs les plus negatives de δ13C ce trouvaient près des fumerolles à l’intérieur des cratères actifs, près des failles et sur les flancs inférieurs. Ces observations impliquent que les failles majeures peuvent canaliser les gaz profonds vers la surface seulement s’ils ont une expression superficielle. Des volcans, comme ceux étudiés ici, réagissent comme des bouchons dans la croûte continentale, limitant le dégazage aux fumerolles, failles, et flancs inférieurs fracturés. L’utilisation de la télédétection des gaz pour l’étude des volcans actifs est encore jeune. Le seul gaz qui peut être télédétecté de façon routinière est le dioxyde de soufre, en utilisant la spectroscopie de corrélation dans la région ultraviolette du spectre électromagnétique.