The Magmatic Gas Signature of Pacaya Volcano, With Implications for the Volcanic CO2 Flux From Guatemala

Abstract

Pacaya volcano in Guatemala is one of the most active volcanoes of the Central American Volcanic Arc (CAVA). However, its magmatic gas signature and volatile output have received little attention to date. Here, we present novel volcanic gas information from in-situ (Multi-GAS) and remote (UV camera) plume observations in January 2016. We find in-plume H2O/SO2 and CO2/SO2 ratios of 2-20 and 0.6-10.5, and an end-member magmatic gas signature of 80.5 mol. % H2O, 10.4 mol. % CO2, and 9.0 mol. % SO2. The SO2 flux is evaluated at 885 6 550 tons/d. This, combined with co-acquired volcanic plume composition leads to H2O and CO2 fluxes of 2,230 6 1,390 and 700 6 440, and a total volatile flux of 3,800 tons/d. We use these results in tandem with previous SO2 flux budgets for Fuego and Santiaguito to estimate the total volcanic CO2 flux from Guatemala at 1,160 6 600 tons/day. This calculation is based upon CO2/total S (St) ratios for Fuego (1.5 6 0.75) and Santiaguito (1.4 6 0.75) inferred from a gas (CO2/St ratio) versus traceelement (Ba/La ratio) CAVA relationship. The H2O-poor and low CO2/St ratio (1.0-1.5) signature of Pacaya gas suggests dominant mantle-wedge derivation of the emitted volatiles. This is consistent with 3 He/4 He ratios in olivine hosted fluid inclusions (FIs), which range between 8.4 and 9.0 Ra (being Ra the atmospheric 3 He/4 He ratio) at the upper limit of MORB range (8 6 1 Ra). These values are the highest ever measured in CAVA and among the highest ever recorded in arc volcanoes worldwide, indicating negligible 4 He contributions from the crust/slab.

El volcán Pacaya, en Guatemala, es uno de los volcanes más activos del Arco Volcánico Centroamericano (CAVA). Sin embargo, su firma de gas magmático y su emisión de volátiles han recibido poca atención hasta la fecha. Aquí, presentamos información novedosa sobre gases volcánicos obtenida mediante observaciones in situ (Multi-GAS) y remotas (cámara UV) de la pluma en enero de 2016. Encontramos relaciones H₂O/SO₂ y CO₂/SO₂ en la pluma de 2-20 y 0,6-10,5, y una firma de gas magmático en el miembro terminal de 80,5 % mol de H₂O, 10,4 % mol de CO₂ y 9,0 % mol de SO₂. El flujo de SO₂ se evalúa en 885-6550 toneladas/día. Esto, combinado con la composición de la pluma volcánica coadquirida conduce a flujos de H2O y CO2 de 2230 ± 1390 y 700 ± 440, y un flujo volátil total de 3800 toneladas/día. Utilizamos estos resultados junto con los presupuestos de flujo de SO2 previos para Fuego y Santiaguito para estimar el flujo volcánico total de CO2 de Guatemala en 1160 ± 600 toneladas/día. Este cálculo se basa en las razones CO2/S (St) total para Fuego (1,5 ± 0,75) y Santiaguito (1,4 ± 0,75) inferidas de una relación CAVA de gas (razón CO2/St) versus oligoelementos (razón Ba/La). La firma de la razón pobre en H2O y baja de CO2/St (1,0-1,5) del gas de Pacaya sugiere una derivación dominante de la cuña del manto de los volátiles emitidos. Esto concuerda con las relaciones 3He/4He en inclusiones fluidas (IF) alojadas en olivino, que oscilan entre 8,4 y 9,0 Ra (siendo Ra la relación 3He/4He atmosférica) en el límite superior del rango MORB (8 ± 1 Ra). Estos valores son los más altos jamás medidos en CAVA y se encuentran entre los más altos registrados en volcanes de arco a nivel mundial, lo que indica contribuciones insignificantes de 4He de la corteza/losa.