Exploring submarine Antartic volcanism: Petrologic-geochemical study of the submarine volcanoes Edifice C, Three Sisters, Orca and Gebra Seamount (Bransfield Strait, Antarctica) | Explorando el vulcanismo submarino Antártico: Estudio petrológico-geoquímico de los volcanes submarinos Edificio C, Three Sisters, Orca y Gebra Seamount (Estrecho de Bransfield, Antártida)

Premio del curso internacional de espectometría de masas por ablación láser de la Universidad de Perugia, 2021.

[EN] Bransfield Strait, located between the South Shetland Archipelago and the Antarctic Peninsula (West Antarctica), is a reference site for studying Antarctic submarine volcanism, with nine active submarine volcanic edifices. An eruption in one of these volcanoes could impact the local ecosystem by releasing acid gases and heavy metals, potentially disrupting the Antarctic trophic chain. Moreover, these volcanoes represent a direct hazard to the nearby scientific stations, as their shallow water depths increase the potential for paroxysmal eruptions and tsunami triggering, similar to the Bridgeman Island eruption in 1821. Despite their potential risk, little research in the area has focused on these volcanic edifices and their underlying magmatic systems, yet understanding them is essential for accurate hazard assessment. To fill this gap, this PhD presents a novel petrologic and geochemical database from the available volcanic rock samples collected at Edifice C, Three Sisters, Orca and Gebra Seamount volcanoes, located at the centre of Bransfield Strait, by addressing the following objectives: (i) constraining the sequence and timescales of magma evolution; (ii) determining the depth and temperature conditions of magma storage; (iii) depicting the magma degassing processes; (iv) evaluating the influence of secondary external processes on the erupted products; and (v) characterising the magma source and its relationship to the local geodynamic regime. To achieve this, the database includes: (a) petrography; (b) major and trace element geochemistry of whole-rock, glass and minerals; (c) geothermobarometry; (d) thermodynamic modelling of magma evolution; (e) Crystal Size Distribution; (f) undercooling calculations; and (g) isotope geochemistry of gases trapped in glass shards and olivine phenocrysts. The volcanic rocks, ranging from basalt to basalt-andesite compositions, are constituted by clinopyroxene and plagioclase phenocrysts, a crystal-rich groundmass of clinopyroxene and plagioclase microcrysts, and glass confined to areas near vesicles. Locally, the glass shows nanocryst-rich edges surrounding the vesicles. Uniquely, the rock sample from Gebra Seamount contains olivine phenocrysts instead of clinopyroxene. The gas trapped in glass from Edifice C, Three Sisters and Orca, as well as in olivine phenocrysts from Gebra Seamount, are characterised by enriched 18O, depleted D and low 3He/4He isotope ratios, compared to the MORB average values. The results indicate that magmas beneath all volcanoes resided in reservoirs at depths of 9 – 15 km, near the local mantle-crust boundary, between 2 to 28 years before ascending rapidly (12 hours – 53 days) to the seafloor. In Orca, an additional shallow reservoir at 2 – 3 km depth was identified, where magmas resided between 3 and 35 years. These inferred depth ranges align with estimates from previous geophysical studies in Bransfield Strait. The rapid ascent of magma promoted the formation of microcrysts within the crystallising groundmass by inducing an undercooling degree of approximately 50 °C higher compared to phenocryst formation. The remaining melt was segregated into the exsolved vesicles and, upon seawater quenching, underwent a second crystallisation stage, forming nanocryst-rich edges surrounding the vesicles. During degassing, H2O remained dissolved until magmas reached very low pressures (13 – 21 MPa), after which it exsolved and was subsequently trapped in the quenched glass. The depletion of D ratios in the trapped gas was primarily due to degassing, with no influence from external secondary processes. Glass rehydration models ruled out these processes, as low-temperature rehydration would require unrealistic timescales, and high-temperature rehydration would result in D enrichment. Meanwhile, the 18O and 3He/4He ratios remained unaffected, reflecting a subduction influence from the Phoenix plate at the magma source beneath all volcanoes, consistent with previous knowledge. The magmatic systems of Edifice C, Three Sisters, Orca, and Gebra Seamount slightly differ from that of Deception Island, a subaerial volcano located in the western side of Bransfield Strait used as a reference to understand the magmatic systems of the Bransfield submarine edifices. Deception Island is characterised by more evolved eruptive products (basalt to rhyolite), a slightly deeper main reservoir (15 – 20 km), and a reduced subduction influence reflected in a MORB-like isotopic signature. These differences are likely due to its proximity to the Hero Fracture Zone, which may facilitate a lateral flow of non-subduction-affected mantle materials, and to the thicker crust beneath this volcano, promoting magma stagnation and evolution. This original research represents the first approach to decipher the magmatic systems of the submarine volcanoes within Bransfield Strait, providing parameters such as magma storage depths, magma compositions and volatile contents. Such parameters are essential for hazard assessment and accurate interpretation of geophysical data, particularly during future volcanic unrest episodes in this challenging polar region.

[ES] El Estrecho de Bransfield, situado entre el archipiélago de las Shetland del Sur y la península Antártica, constituye un lugar de referencia para la investigación del vulcanismo submarino antártico, al albergar nueve volcanes submarinos activos. Una erupción en ellos podría repercutir en el ecosistema local mediante la liberación de gases ácidos o metales pesados, la cual podría afectar a la cadena trófica antártica. Por otro lado, dichos volcanes representan un riesgo para las bases científicas cercanas, ya que la escasa profundidad en la que se hallan aumenta la probabilidad de una erupción de tipo paroxísmica y/o de eventos de tsunami como ocurrió en Isla Bridgeman en 1821. A pesar de su potencial peligrosidad, existen pocas investigaciones centradas en los sistemas magmáticos de esta región. Entenderlos es esencial para realizar una evaluación de riesgos precisa. Por tanto, para avanzar en su conocimiento, en esta tesis doctoral se presenta una nueva base de datos petrológica y geoquímica obtenida a partir de muestras de lava disponibles, recogidas en los volcanes Edificio C, Three Sisters, Orca y Gebra Seamount, situados en el centro del estrecho, abordando los siguientes aspectos: (i) su secuencia de evolución magmática y escalas de tiempo asociadas; (ii) las condiciones de profundidad y temperatura de sus reservorios magmáticos principales; (iii) sus condiciones de desgasificación en los magmas; (iv) la posible influencia de procesos externos secundarios en las rocas estudiadas; y (v) las características de sus áreas fuente de magma y su relación con la geodinámica del Estrecho de Bransfield. Para ello, esta base de datos incluye: (a) petrografía; (b) elementos mayores y traza analizados en roca total, vidrio y minerales; (c) geotermobarometría; (d) modelización termodinámica de evolución magmática; (e) crystal size distribution; (f) cálculos de sobreenfriamiento; y (g) análisis isotópicos en gases atrapados en vidrio y fenocristales de olivino. Las rocas, de composición basáltica a basáltico-andesítica, se componen de fenocristales de clinopiroxeno y plagioclasa, una matriz cristalina de microcristales de clinopiroxeno y plagioclasa; y de vidrio. Este último solo se encuentra alrededor de las vesículas, presentando localmente bordes ricos en nanocristales que las rodean. Únicamente la muestra de Gebra Seamount contiene fenocristales de olivino en lugar de clinopiroxeno. El gas atrapado, tanto en el vidrio de Edificio C, Three Sisters y Orca, como en el olivino de Gebra Seamount, presenta relaciones isotópicas enriquecidas en 18O (18O) y bajas relaciones D y 3He/4He, respecto a los valores medios de los MORB. Los resultados indican que los reservorios magmáticos principales se encuentran entre 9 y 15 km de profundidad, cerca del límite local corteza-manto. En ellos, los magmas residieron entre 2 y 28 años, seguido de un rápido ascenso (12 horas – 53 días). Además, en Orca, se identificó un reservorio superficial entre 2 y 3 kilómetros de profundidad, donde el magma residió entre 3 y 35 años. Estos rangos de profundidad concuerdan con investigaciones geofísicas previas. El ascenso rápido de los magmas resultó en la formación de los microcristales, debido al aumento del grado de sobreenfriamiento, de aproximadamente 50 ºC en comparación con los fenocristales. El fundido residual fue segregado hacia las vesículas exsueltas y al llegar al fondo marino, experimentó una segunda cristalización, formando los bordes ricos en nanocristales. Durante la desgasificación, el H2O alcanzó el límite de solubilidad a bajas presiones (13 – 21 MPa) y posteriormente, quedó atrapada dentro del vidrio. El empobrecimiento en las relaciones isotópicas D del gas atrapado fue consecuencia de la desgasificación. Los modelos de rehidratación descartaron la influencia de procesos secundarios externos, ya que a bajas temperaturas es demasiado lenta, y a altas temperaturas causa un enriquecimiento en D. Entretanto, las relaciones 18O y 3He/4He se mantuvieron constantes, y reflejan la influencia de subducción de la placa Phoenix en el área fuente de los magmas, coincidiendo con estudios anteriores. Los sistemas magmáticos de Edificio C, Three Sisters, Orca y Gebra Seamount difieren ligeramente con el de Isla Decepción, situada en el extremo oeste del Estrecho de Bransfield, usada como referencia. El sistema magmático de Decepción destaca por magmas más evolucionados (basalto a riolíta), un reservorio magmático principal más profundo (15 – 20 km) y una menor influencia de la subducción, con relaciones isotópicas parecidas a los valores MORB. Estas diferencias pueden deberse a la proximidad de Decepción a la falla de Hero, la cual facilitaría un flujo lateral de materiales mantélicos no afectados por la subducción, y a su corteza más gruesa que favorecería la evolución de sus magmas. Esta investigación es pionera en la interpretación de los sistemas magmáticos de los volcanes submarinos en el Estrecho de Bransfield. Presenta datos clave como la profundidad de almacenamiento del magma, su composición y su contenido en volátiles, parámetros cruciales para la evaluación de la peligrosidad volcánica y la interpretación adecuada de datos geofísicos, especialmente en casos de futuros episodios de inestabilidad volcánica en esta región polar tan desafiante.

La realización de esta tesis doctoral ha sido posible gracias a la concesión del contrato predoctoral Programa Propio III Universidad de Salamanca cofinanciado con Banco de Santander, la financiación obtenida por los proyectos ERUPTING (PID2021-127189OB-I00) financiado por MICIN/AEI/10.13039/501100011033, HYDROCAL (PID2020-114876GB-I00) financiado por MICIN/AEI/10.13039/501100011033 y VOLGASDEC (PGC2018-095693-B-I00) (AEI/FEDER, UE); además de la beca antártica conjunta COMNAP – IAATO 2022 y el premio del curso internacional de espectrometría de masas por ablación láser de la Universidad de Perugia 2021. Las muestras fueron obtenidas del Repositorio Polar de Rocas (https://prr.osu.edu) con ayuda de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos bajo el convenio de colaboración OPP-1643713.