Sulfur Degassing at Erta Ale (Ethiopia) and Masaya (Nicaragua) Volcanoes : Implications for Degassing Processes and Oxygen Fugacities of Basaltic Systems

Abstract

We investigate the relationship between sulfur and oxygen fugacity at Erta Ale and Masaya volcanoes. Oxygen fugacity was assessed utilizing Fe3þ/ PFe and major element compositions measured in olivine-hosted melt inclusions and matrix glasses. Erta Ale melts have Fe3þ/ PFe of 0.15–0.16, reflecting fO2 of DQFM 0.0 6 0.3, which is indistinguishable from fO2 calculated from CO2/CO ratios in high-temperature gases. Masaya is more oxidized at DQFM þ1.7 6 0.4, typical of arc settings. Sulfur isotope compositions of gases and scoria at Erta Ale (34Sgas 0.5%; 34Sscoria þ 0.9%) and Masaya (34Sgas þ 4.8%; 34Sscoria þ 7.4%) reflect distinct sulfur sources, as well as isotopic fractionation during degassing (equilibrium and kinetic fractionation effects). Sulfur speciation in melts plays an important role in isotope fractionation during degassing and S6þ/ PS is <0.07 in Erta Ale melt inclusions compared to >0.67 in Masaya melt inclusions. No change is observed in Fe3þ/ PFe or S6þ/ PS with extent of S degassing at Erta Ale, indicating negligible effect on fO2, and further suggesting that H2S is the dominant gas species exsolved from the S2-rich melt (i.e., no redistribution of electrons). High SO2/H2S observed in Erta Ale gas emissions is due to gas re-equilibration at low pressure and fixed fO2. Sulfur budget considerations indicate that the majority of S injected into the systems is emitted as gas, which is therefore representative of the magmatic S isotope composition. The composition of the Masaya gas plume (þ4.8%) cannot be explained by fractionation effects but rather reflects recycling of high 34S oxidized sulfur through the subduction zone.

Investigamos la relación entre la fugacidad del azufre y el oxígeno en los volcanes Erta Ale y Masaya. La fugacidad del oxígeno se evaluó utilizando la relación Fe₃₄/PFe y las composiciones de los elementos mayoritarios medidas en inclusiones de fundido alojadas en olivino y vidrios de matriz. Los fundidos de Erta Ale presentan una relación Fe₃₄/PFe de 0,15-0,16, lo que refleja una fO₂ de DQFM 0,0 ± 0,3, indistinguible de la fO₂ calculada a partir de las relaciones CO₂/CO en gases a alta temperatura. Masaya presenta mayor oxidación con una relación DQFM þ1,7 ± 0,4, típica de entornos de arco. Las composiciones isotópicas de azufre de los gases y la escoria en Erta Ale (34Sgas 0.5%; 34Sscoria þ 0.9%) y Masaya (34Sgas þ 4.8%; 34Sscoria þ 7.4%) reflejan distintas fuentes de azufre, así como el fraccionamiento isotópico durante la desgasificación (efectos de fraccionamiento cinético y de equilibrio). La especiación de azufre en los fundidos juega un papel importante en el fraccionamiento isotópico durante la desgasificación y S6þ/PS es <0.07 en las inclusiones de fundido de Erta Ale en comparación con >0.67 en las inclusiones de fundido de Masaya. No se observa ningún cambio en Fe3þ/PFe o S6þ/PS con el grado de desgasificación de S en Erta Ale, lo que indica un efecto insignificante en fO2 y sugiere además que H2S es la especie de gas dominante exuelta del fundido rico en S2 (es decir, no hay redistribución de electrones). El alto contenido de SO₂/H₂S observado en las emisiones de gas de Erta Ale se debe al reequilibrio del gas a baja presión y una fO₂ fija. Las consideraciones sobre el balance de azufre indican que la mayor parte del S inyectado en los sistemas se emite en forma de gas, lo cual es, por lo tanto, representativo de la composición isotópica magmática del S. La composición de la columna de gas de Masaya (±4,8%) no se puede explicar por efectos de fraccionamiento, sino que refleja el reciclaje de azufre oxidado con alto contenido de 34S a través de la zona de subducción.