Modelling the eruptive and pre-eruptive dynamics on Teide-Pico Viejo complex

Abstract

[eng] The volcanic island of Tenerife (Canary Islands, Spain), the largest and most populated island of the Canarian archipelago, hosts the active Teide-Pico Viejo (T-PV) volcanic complex in its central region, known for its high explosive potential. The volcanic activity of this central complex, along with the primarily effusive activity of the island's two rift zones (Santiago and La Dorsal), poses a significant risk to the island's population. Eruptions in Tenerife are infrequent, with estimated recurrence intervals of around 100 years for effusive rift eruptions, and approximately 1,000 years for phonolitic eruptions from the central complex. Therefore, studying past eruptions is essential to understand the volcanic activity on the island. The petrological and geochemical study of eruptive products, along with geophysical data, can help us understand the internal structure of the magmatic system and the pre-eruptive processes that influence magma evolution and eruptive dynamics. Despite numerous studies conducted on the island of Tenerife, only a limited number has focused on studying the T-PV magmatic system as a whole. Furthermore, the few existing studies are outdated regarding recent advances in volcanology. Thus, the objective of this thesis is to improve our understanding of the active magmatic system in Tenerife, consolidating previous knowledge and contributing with new insights into the volcanic history, pre-eruptive conditions, and magmatic processes that have occurred on the island since the last caldera collapse (< 180 ka). Special attention has been given to phonolitic eruptions, not only because they have the highest explosive potential, but also because they exhibit the greatest compositional variety. Additionally, this study aims to investigate whether significant differences exist between central phonolitic eruptions (originating from Teide) and those from the domes (felsic flank vents) that may explain the supposed difference in eruptive dynamics (effusive vs. explosive, respectively). To conduct this research, we first reviewed both the geophysical studies carried out on Tenerife and the petrological and geochemical studies of the T-PV complex and the island's two active rifts. The main goal was to unify all previous knowledge within a common framework, thus identifying potential knowledge gaps. The results of these reviews have been compiled into two databases: i) a database of geophysical observations and interpretations, which has allowed us to synthesize all information into a series of geological cross-sections illustrating Tenerife's internal structure; and ii) a geochemical database of whole-rock analyses from the T-PV complex and the two active rifts (GeoTeRi). The latter database includes information on 561 rock samples, 540 major element analyses, 517 trace element analyses, 172 isotopic ratios, and 60 datings. The compilation of these datings, along with a review of published maps, has also enabled a reanalysis of the volcanic stratigraphy of the T-PV complex.

Secondly, we have conducted new sampling of eruption products (lavas and various pyroclast types) from the central T-PV complex outcropping within the Las Cañadas Caldera and from some eruptions of the Santiago rift proximal to the central complex. Whole-rock data were obtained for all these samples, thus complementing the data in the GeoTeRi database. Additionally, mineral chemistry analyses were performed on some of the collected samples. This allowed performing a general petrological and geochemical characterization of the recent eruptions from the central complex, as well as the identification of the different compositional groups within the magmatic series. Detailed studies were then conducted on some of these samples to calculate pre-eruptive conditions and identify pre-eruptive processes. The most relevant findings obtained from the study of these new samples include: i) the identification of several pumice levels potentially related to Teide eruptions, indicating a higher explosive potential than previously thought; ii) the calculation of pre-eruptive conditions for both the explosive and effusive phases of the Pico Cabras eruption, revealing that the changes in eruptive dynamics were related to differences in temperature and volatile content within a zoned magma chamber emplaced at 1 ± 0.5 kbar; and iii) the identification of various processes that explain some of the compositional variability found in the T-PV eruptions, including self-mixing processes, magma mixing, melting and recrystallization of feldspar-rich crystal mushes, and the remobilization and assimilation of the partial melting of these mushes. Some of these conclusions were reached through the comparison with a model for predicting partition coefficients of several trace elements in feldspars, allowing for the identification of xenocryst populations, a methodology applicable to other alkaline volcanic systems. The joint interpretation of these new findings, along with pre-existing information on the volcanic system, has revealed that the shallow accumulation zones of phonolitic magmas are highly complex and that the active magmatic system in Tenerife exhibits the typical characteristics of a transcrustal magmatic system, with active crystal-rich mush zones in which the melt-rich domains are stored. Furthermore, the geochemical comparison of all studied samples has shown that there are no significant petrological or geochemical differences between Teide and the dome eruptions, indicating that the magmatic processes leading to the different compositional groups are not correlated with the emission area. Tt is therefore reasonable to assume that the pre-eruptive conditions of these compositionally similar eruptions are also alike. This observation challenges the previous hypothesis, which attributed the difference in eruptive dynamics to a variation in the storage depth between Teide and the dome eruptions. Our new hypothesis is further confirmed by the identification of pumice deposits from Teide eruptions. These findings are highly relevant for assessing volcanic hazard in Tenerife, as the explosive potential of Teide had been underestimated prior to this Thesis, highlighting the need for further studies to identify recent explosive deposits from the T-PV complex.

[spa] La isla volcánica de Tenerife (Islas Canarias, España), la isla más grande y poblada del archipiélago canario, alberga en su zona central el complejo volcánico activo Teide-Pico Viejo (T-PV), con una elevada capacidad explosiva. La actividad volcánica de este complejo central, junto con la actividad fundamentalmente efusiva de los dos rifts de la isla (Santiago y La Dorsal) presenta un importante riesgo para la población de la isla. Las erupciones en Tenerife son poco frecuentes, con periodos de recurrencia estimados de unos 100 años para las erupciones efusivas de los rifts, y de unos 1000 años para las erupciones fonolíticas del complejo central, por lo que el estudio de erupciones pasadas es vital para entender el funcionamiento de la actividad volcánica de la isla. El estudio de los productos de estas erupciones mediante petrología y geoquímica, junto con los datos obtenidos mediante geofísica, puede ayudarnos a entender la estructura interna del sistema magmático, así como los procesos pre-eruptivos que condicionan la evolución de los magmas y la dinámica eruptiva de las erupciones. De los numerosos estudios realizados en la isla de Tenerife, son escasos aquellos centrados en estudiar el sistema magmático de T-PV en su conjunto. Además, los pocos que existen se encuentran desactualizados con respecto a los nuevos avances en el campo de la vulcanología. Por ello, el objetivo de esta Tesis es mejorar el conocimiento del sistema magmático activo de Tenerife, ayudando a consolidar el conocimiento previo y contribuir con nuevos avances en el estudio de la historia volcánica, condiciones pre-eruptivas y procesos magmáticos ocurridos en la isla tras el último colapso de caldera (< 180 ka). Se ha prestado especial atención a las erupciones fonolíticas, no solo por ser las que presentan un mayor potencial explosivo, sino porque son las que muestran una mayor variedad composicional. Se pretende, además, investigar si existen o no diferencias significativas entre las erupciones fonolíticas centrales (procedentes del Teide) y las de los domos laterales que puedan explicar la supuesta diferencia entre la dinámica eruptiva entre ambos (efusiva y explosiva, respectivamente). Para realizar este trabajo, en primer lugar, se han revisado tanto los estudios geofísicos realizados en Tenerife como los de petrología y geoquímica sobre el complejo T-PV y los dos rifts activos de la isla. El objetivo principal era unificar todo el conocimiento previo dentro de un marco común, permitiendo de esta forma identificar posibles lagunas de conocimiento. El resultado de ambas revisiones se ha recogido en dos bases de datos: i) una de observaciones e interpretaciones geofísicas, que ha permitido sintetizar toda la información en una serie de cortes geológicos que muestran la estructura interna de Tenerife; y ii) una segunda base de datos geoquímicos de roca total del complejo T-PV y los dos rifts activos (GeoTeRi). Esta base de datos contiene información sobre 561 muestras de roca, 540 análisis de elementos mayores, 517 de elementos traza y 172 análisis isotópicos, así como 60 dataciones. La recopilación de estas dataciones junto con una revisión de las cartografías publicadas ha permitido, además, hacer una revisión de la estratigrafía volcánica del complejo volcánico T-PV.

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En segundo lugar, se ha realizado un nuevo muestreo de productos (lavas y piroclastos de diversos tipos) de las erupciones del complejo central T-PV que afloran dentro de la Caldera de Las Cañadas y de algunas erupciones del rift de Santiago proximales al complejo central. Se ha obtenido información de roca total de todas ellas, complementando así los datos recogidos en la base de datos GeoTeRi. Se añade, además, la realización de análisis de química mineral de algunas de ellas. Esto ha permitido llevar a cabo una caracterización general de la petrología y geoquímica de las erupciones recientes del complejo central, además de identificar los diferentes grupos composicionales observables dentro de la serie magmática. Posteriormente, se han realizado estudios de detalle con algunas de estas muestras, con el objetivo de calcular las condiciones pre-eruptivas e identificar procesos pre-eruptivos. Los hallazgos más relevantes obtenidos mediante el estudio de estas nuevas muestras consisten en: i) la identificación de varios niveles de pumitas potencialmente relacionados con erupciones del Teide, indicando una mayor capacidad explosiva de la que se pensaba; ii) el cálculo de las condiciones pre-eruptivas tanto de la fase explosiva como de la fase efusiva de la erupción de Pico Cabras, en la que se ha encontrado que los cambios en la dinámica eruptiva se relacionan con diferencias en la temperatura y la cantidad de volátiles en una cámara magmática zonada emplazada a 1 ± 0.5 kbar; y iii) la identificación de diversos procesos que explican parte de la variabilidad composicional hallada en las erupciones de T-PV, entre los que se encuentran procesos de "self-mixing", mezcla de magmas, fusión y recristalización de "crystal mush" ricos en feldespato y la removilización y asimilación de la fusión parcial de estos últimos. Parte de estas conclusiones han sido obtenidas gracias a la comparación con un modelo de predicción de coeficientes de distribución de varios elementos traza en feldespatos, lo que permite la identificación de poblaciones de xenocristales, metodología aplicable a otros sistemas volcánicos de composición alcalina. La interpretación conjunta de estos nuevos hallazgos junto con la información que ya se tenía del sistema volcánico ha permitido identificar que las zonas someras de acumulación de magmas fonolíticos son altamente complejas, y que el sistema magmático activo en Tenerife presenta las características típicas de un sistema magmático transcortical, con la existencia de "mush" activos ricos en cristales entre los que se encuentran las zonas de acumulación de magma. Además, la comparación geoquímica entre todas las muestras estudiadas ha permitido observar que no existen diferencias petrológicas y geoquímicas significativas entre las erupciones del Teide y los domos, deduciéndose que los procesos magmáticos que dan lugar a los distintos grupos composicionales no se correlacionan con la zona de emisión. Es lógico pensar, por tanto, que las condiciones pre-eruptivas de estas erupciones tan similares composicional- mente también se asemejan entre ellas. Esta observación permite descartar la hipótesis previa, que relaciona la diferencia de profundidad de los reservorios de las erupciones del Teide y las de los domos con la variabilidad en la dinámica eruptiva. Esto queda, además, descartado al haber encontrado niveles de pumitas procedentes del Teide. Estos hallazgos tienen una gran relevancia a la hora de evaluar la peligrosidad volcánica en Tenerife, ya que, hasta la presente Tesis, el potencial explosivo del Teide había sido subestimado, y subraya la necesidad de realizar más estudios que identifiquen los depósitos explosivos recientes del complejo T-PV.