Interazioni crosta-mantello e connessioni con il sistema geodinamico nell’origine e circolazione dei fluidi dell’Arcipelago delle Comore - Oceano Indiano

The study area focuses on two islands of the Comoros archipelago, Grande Comore and Mayotte, located within the Mozambique Channel and in a complicated geodynamic system of great interest due to the volcanic and seismic activity that currently exists and of which a complete descriptive picture is currently lacking. In particular, there is still very limited knowledge of gas and fluid geochemistry. On Grande Comore, the focus was on the Karthala volcano, the most active volcano in the western Indian Ocean after Piton de la Fournaise in La Reunion. Karthala is a basaltic shield volcano that has erupted regularly over the last century, fourteen eruptions are listed from 1904 to the present, with the last eruption in 2007. The knowledge of the diffuse degassing of the Karthala volcano, with particular attention to the emission of CO2 from the flanks and of the summit fumarolic area is fundamental for the assessment of the state of activity of the volcano. Mayotte is the oldest island in the archipelago and no recent eruptions have been recorded since the last one around 2050 BC ± 500; however, volcanic activity in Mayotte is still present in the form of a large area of subaerial and underwater outgassing on the small island to the north-east of Mayotte: Petite Terre. Two areas of high outgassing are present here: the south-eastern beach (BAS); and Lake Dziani located in the northern part of the island of Petite Terre. The island was recently affected by a seismic crisis that lasted several months, and was accompanied by the formation of the largest submarine volcano in recent centuries, about 50 km from its coast. The thesis is divided into two sections: the first focuses on gas emissions from Karthala and the BAS area at Petite Terre, with the aim of identifying the main characteristics, similarities and differences; the second section of the thesis focuses on the difference between the two bubbling areas at Petite Terre, where the study of gas emissions from Lake Dziani, which have only been investigated in more recent surveys, will be included. The results of this thesis converge towards the recognition of some remarkable peculiarities: 1. Soil CO2 emissions are spatially distributed along the main structural features of both Grande Comore and Petite Terre; however, the carbon isotopic signature of soil CO2 emissions shows a low magmatic contribution in the distal areas of Karthala volcano, and vice-versa a higher magmatic contribution in CO2 emissions at Petite Terre, relative to the period of observation. 2. The helium isotopic signature is typically low and in the range of ~6 ≤ Rc/Ra ≤ ~7.5 at Petite Terre and ~4.6 ≤ Rc/Ra ≤ ~5.8 at Karthala. 3. The bubbling area on the sea (BAS) and at Dziani lake (Mayotte) are likely fed by a common source; however, Dziani lake is significantly affected by secondary processes that are mainly related to biotic activities in the lake, which result in the higher variability of gas chemistry, 13C in methane and CO2 than BAS. 4. The increased value of Rc/Ra between 2008 and 2018-19, and a not-reached isotopic equilibrium of 13CCH4 from the hydrothermal fluid, may be ascribed to the volcanic activity that generated the new submarine volcano 50 km offshore from Petite Terre. The latter consideration is also consistent with the final interpretation of this work, where the input of heated CO2-rich fluid into the Petite Terre hydrothermal system is a consequence of the perturbation of the shallow plumbing system by the offshore submarine eruption, resulting in higher equilibrium temperatures in 2018 and subsequent cooling down during and after the seismo-volcanic activity.

L'area di studio si concentra su due isole dell'arcipelago delle Comore: Grande Comore e Mayotte, situate all'interno del Canale di Mozambico e in un complicato sistema geodinamico di grande interesse a causa dell'attività vulcanica e sismica attualmente esistente e di cui attualmente manca un quadro descrittivo completo. In particolare, per quanto riguarda la geochimica dei fluidi, esiste ancora una conoscenza molto limitata delle emissioni di gas e fluidi. Sull'isola Grande Comore ci si è concentrati sul vulcano Karthala, il più attivo dell'Oceano Indiano occidentale dopo il Piton de la Fournaise a La Reunion. Karthala è un vulcano a scudo basaltico che ha eruttato regolarmente nell'ultimo secolo, quattordici eruzioni sono elencate dal 1904 ad oggi, e l'ultima eruzione è del 2007. Lo studio del degassamento diffuso del vulcano Karthala, con particolare attenzione all'emissione di CO2 dai fianchi del vulcano, e del degassamento fumarolico sommitale è fondamentale per la valutazione dello stato di attività del vulcano. Mayotte è l'isola più vecchia dell'arcipelago e nessuna eruzione recente è stata registrata a dall'ultima intorno al 2050 a.C. ± 500; tuttavia, l'attività vulcanica a Mayotte è ancora presente sotto forma di una vasta area di degassamento subaereo e subacqueo nella piccola isola a nord-est di Mayotte: Petite Terre. Qui due zone ad alto degassamento sono presenti: la spiaggia sud-orientale (BAS); e il lago Dziani situato nella parte nord dell'isola di Petite Terre. L’isola è stata recentemente interessata da una crisi sismica che è durata diversi mesi, ed è stata accompagnata dalla formazione del più grande vulcano sottomarino degli ultimi secoli, a circa 50 km dalla sua costa. La tesi è divisa in due sezioni: la prima si concentra sulle emissioni di gas di Karthala e dell’area BAS a Petite Terre, con lo scopo di identificare le principali caratteristiche, similitudini e differenze; la seconda sezione della tesi si concentra sulla differenza tra le due aree di gorgogliamento di Petite Terre, dove sarà incluso lo studio delle emissioni di gas del lago Dziani che sono state indagate solo nelle indagini più recenti. I risultati di questa tesi convergono verso il riconoscimento di alcune notevoli peculiarità: 1. Le emissioni di CO2 nel suolo sono spazialmente distribuite lungo le principali caratteristiche strutturali sia della Grande Comore che di Petite Terre; tuttavia, la firma isotopica del carbonio delle emissioni di CO2 nel suolo evidenzia un basso contributo magmatico nelle aree distali del vulcano Karthala, e un contributo magmatico più alto nelle emissioni di CO2 a Petite Terre, relativamente al periodo di osservazione. 2. La firma isotopica dell'elio è tipicamente bassa e compresa nell'intervallo di valori ~6 ≤ Rc/Ra ≤ ~7.5 a Petite Terre e ~4.6 ≤ Rc/Ra ≤ ~5.8 a Karthala. 3. L'area di gorgogliamento sul mare (BAS) e al lago Dziani (Mayotte) hanno probabilmente una alimentazione comune; tuttavia, il lago Dziani è significativamente influenzato da processi secondari legati alle attività biotiche nel lago che ne determinano una maggiore variabilità della chimica del gas, nel 13C (CH4 e CO2) rispetto a BAS. 4. L'aumento del valore di Rc/Ra tra il 2008 e il 2018-19, e un non raggiunto equilibrio isotopico di 13CCH4 dal fluido idrotermale, può essere attribuito all'attività vulcanica che ha generato il nuovo vulcano sottomarino a 50 km al largo di Petite Terre. Quest’ultima considerazione è anche coerente con l'interpretazione finale di questo lavoro, dove l'ingresso di fluido riscaldato ricco di CO2 nel sistema idrotermale di Petite Terre è una conseguenza della perturbazione del sistema idraulico superficiale legata alla eruzione sottomarina, con conseguente aumento delle temperature di equilibrio nel 2018 e successivo raffreddamento durante e dopo l'attività sismo-vulcanica.