Γεωχημική έρευνα ιζημάτων του πυθμένα και περιοχών του ηφαιστειακού τόξου του Αιγαίου

Abstract

The important geothermal fields that exist in Greece are associated with the volcanic activity or the existence of magma. The geothermal fields being found in the greater area of Aegean Sea are linked with the so called Hellenic Volcanic Arc. In addition, there are proofs of hydrothermal influence on the surface of marine sediments located in basins in front and back from the volcanic arc. The areas studied during this Thesis are: Methana Peninsula, and the islands of Milos, Kos and Yali. The research focused both on shallow submarine hydrothermal fields near shore (at water depth <15m), and also in deeper waters off Methana, off Milos and off Kos with main objective to find active deep hydrothermal vents. The highest vent temperatures measured in all hydrothermal fields are: 28°C Thiafi Bay, 116°C Palaeochori Bay, 53°C Voudia Bay and 58°C Adamas Bay, 45°C Bros Thermi, 23°C Kefalos Bay και 18.5 °C Yali Bay respectively. During the research in the sea around Methana, an important submarine hydrothermal field was discovered in the Thiafi Bay. In deeper areas small mounds at the seafloor of hydrothermal origin were also discovered and sediment samples from this area contained high concentrations of Fe, As, Mn, C, Co, Ρ and Zn. The submarine hydrothermal activity is associated with the existence of faults in the area of Methana but also this fact is found in all areas studied. In the hydrothermal waters of this area elevated concentrations of many elements are observed like Fe, Cu, Pb, Μη and Zn comparing with their levels in normal seawater. Remarkably, Cu concentration exhibit its highest value in the arc. Sulphur spherical particles and abundant diatoms are also observed in the marine sediments around vents. In the hydrothermal areas white bacterial mats exist close to the vent outlets, while this phenomenon is observed in all hydrothermal fields studied. From the analysis of geochemical results it is revealed that biological activity contributes in the incorporation of certain elements such as Cu, Ba, Ni και Μη in the marine sediments in the proximity of the vents, and various associations are found between organic material and many trace elements. Milos submarine hydrothermal vents contain great quantities of Si, Mn, Co, Ni, Cd and other trace metals. There are also strong indications of hydrothermal origin of P. In Faros area (Adamas Bay), the vents exhibit extremely high values of Μη και Zn and great values of Ca, Sr and Κ but in contrast their Fe and Na concentrations are low. This finding implies the presence of metalliferous substrate or probably could reflect a small tectonic event such as a weak earthquake not physically observed. From the Pore water chemistry of sediment columns sampled on 4 venting areas, it is deduced that Ca, Κ, Na and Cl are of hydrothermal origin, while SO₄ and Mg are associated with sea water. The fluxes of hydrothermal fluids and Suspended particulate matter has a diurnal or semidiurnal time variability but a seasonal fluctuation is also observed. It should be mentioned that time variability of the vent chemistry found in all the hydrothermal fields, is well correlated with the variation of atmospheric pressure, tide point and also with the season. Hydrothermal sediments contain high concentrations of Fe, Μη, Cu, Pb and Ca. The Bros Thermi submarine hydrothermal field in Kos had not been studied before. Ca, F and Sr high concentrations were found in this area. In Kefalos Bay high levels of Mn and Zn are observed in hydrothermal waters together with Pb and Co concentrations for first time. In Yali, hydrothermal vents are rich in Ca, Κ, Na and Sr. The hydrothermal sediments contain elevated levels of Mn, Fe, Ca, Pb and Ba. In the venting areas in Yali and Kos the dissolution of marine carbonates is very likely to occur during the accession of hydrothermal fluids. Generally in the arc, the degree of hydrothermal alteration of rocks varies from one area to the other and the submarine hydrothermal vents are characterised on the basis of their physical and geochemical properties (pH, temperature, gas and metallic element content, intensity of gas and water flux), the type of the rocks in the substrate, the thickness and chemistry of the marine sediments and mineral deposits on them. In addition, vents present some common characteristics (e.g. the concentration level of Mg and its geochemical relationship with other elements). It was found that Mn in some cases fractionates from the hydrothermal fluids and presents its own way of incorporation into the mass of the sediments. This geochemical behaviour being different of Fe. Sediment reflects also its influence from the geochemistry of the hydrothermal suspended particulate matter coming out from the vent outlets. For example in Methana, high concentrations of Cu and Zn in SPM result in high levels of Cu and Zn in the sediments of Thiafi Bay. Sometimes the hydrothermal influence is imprint on sediments far away from the venting areas towards the deeper waters (e.g. Methana), while in other cases this influence is not observed (Yali). From the study of sediment cores along the arc, it was found that hydrothermal activity varied with geological time. In areas such as Methana this activity was higher in the past. Is of great importance that in deeper areas off Kos island a sediment rich in Cu, Zn and Pb on its surface layers and high concentrations of Ti, V, Fe, Cr, Ni, Co, Mo, Y, Nb and Sr in its deeper horizons was discovered. This finding implies hydrothermal inputs in this area. The amount of suspended particulate matter vary from 0.4 to 2.4 mg/1 in the hydrothermal waters of Methana, and from 0.93 to 8.64 mg/1 in Kefalos Bay. SPM also varies 0.93-8.64 mg/1 in Bros Therma, between 0.87 and 43.12 mg/1 in Palaeochori, while in Voudia Bay its values being between 2.42 and 18.66 mg/1. Finally, in Adamas Bay SPM concentration is from 0.78 to 3.76 mg/1 and together with Methana has the lowest observed level in the arc. In Methana SPM contains high concentration of Cu, Pb, Fe, Μη, Al, Si, Ca, Ba, Sr and Cd while Milos hydrothermal particulate matter show enrichments in Fe, Pb, Si, and Li, and elevated concentrations of Μη, Cu and Cd compared with other hydrothermal fields of the volcanic arc. In Kos Island, SPM from the vents is enriched in Fe, Μη και Ca in Kefalos Bay while high concentrations of Μη, Fe, Pb, Si, Ca and Sr are also found in Bros Therma venting area. In all the submarine hydrothermal fields, bottom water has lower pH values and show enrichments in many hydrothermal elements compared with the surface seawater, being influenced from the venting activity. Spatial variability of elements depends on the mixing rate of hydrothermal water with seawater and the waves. At vertical distance from the seafloor towards the surface a decrease in the concentration of these elements is also observed. According to Bostrom's Geochemical Classification of Hydrothermal Systems and on the basis of geochemical analyses, the hydrothermal System in Methana is associated with Thick continental Crustal Unit (TCU), and thus connecting the western part of the arc with continental and not oceanic crust. Conclusively, hydrothermal vents along the Hellenic Volcanic Arc influence the chemistry of seawater, the biological activity and the geochemistry of marine sediments around them.

Τα σημαντικά γεωθερμικά πεδία, που υπάρχουν στη χώρα μας, συνδέονται με την ηφαιστειακή δραστηριότητα ή την ύπαρξη μάγματος. Ειδικότερα στο χώρο του Αιγαίου έχουν άμεση σχέση με το γνωστό Ελληνικό Ηφαιστειακό Τόξο. Επιπλέον υπάρχουν αποδείξεις υδροθερμικής επίδρασης στα επιφανειακά ιζήματα στις λεκάνες μπροστά και πίσω από το τόξο. Οι περιοχές που μελετήθηκαν κατά τη διάρκεια της παρούσας διατριβής ήταν: τα Μέθανα, η Μήλος, η Κως και το Γυαλί. Η έρευνα αφορούσε κυρίως τα υποθαλάσσια υδροθερμικά πεδία, που βρίσκονταν κοντά στην ακτή (σε βάθος <15m), αλλά και στις βαθύτερες περιοχές όπως ανοιχτά των Μεθάνων, ανοιχτά της Μήλου και ανοιχτά της Κω με σκοπό κυρίως τον εντοπισμό ενεργών υδροθερμικών πηγών σε μεγάλα βάθη. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες στις υποθαλάσσιες πηγές του τόξου είναι: 28°C Κ.Θειάφι, 116°CΚ.Παλαιοχώρι, 53°C Κ.Βούδια και 58°C Κ.Αδάμαντα, 45°C Εμπρός Θέρμη, 23°C Κ.Κέφαλος και 18,5 °C Κ.Γυαλί. Οι έρευνες στην υποθαλάσσια περιοχή των Μεθάνων οδήγησαν για πρώτη φορά στον εντοπισμό ενός σημαντικού υποθαλάσσιου υδροθερμικού πεδίου στον Κόλπο Θειάφι ενώ στα βαθύτερα ανακαλύφθηκαν μικροδομές στον πυθμένα της θάλασσας, που προήλθαν από υδροθερμική δραστηριότητα και παρουσιάζουν υψηλές συγκεντρώσεις σε Fe και As, Mn, C, Co, Ρ και Ζn. Η υποθαλάσσια υδροθερμία συνδέεται στενά με την ύπαρξη ρηγμάτων τόσο στα Μέθανα όσο και σε όλες τις άλλες περιοχές μελέτης. Στα υδροθερμικά νερά της περιοχής αυτής βρέθηκαν εμπλουτισμοί αρκετών στοιχείων όπως Fe, Cu, Pb, Mn και Zn σε σχέση με τη συγκέντρωση τους στο θαλασσινό νερό, ενώ είναι πολύ σημαντικό ότι η συγκέντρωση του Cu είναι η υψηλότερη σε όλο τόξο. Στα ιζήματα βρέθηκαν άφθονα σφαιρίδια θείου και ποσότητες διατομών ενώ παρατηρήθηκαν λευκές βακτηριδιακές ζώνες γύρω από τις πηγές φαινόμενο που συναντάται σε όλα τα πεδία. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι η βιολογική δραστηριότητα συνεισφέρει στην ενσωμάτωση Cu, Ba, Ni και Mn στα ιζήματα της περιοχής, λόγω των δεσμών που υπάρχουν ανάμεσα στο οργανικό υλικό με διάφορα ιχνοστοιχεία. Οι υδροθερμικές πηγές στη Μήλο περιέχουν μεγάλες ποσότητες σε Si, Mn, Co, Ni, Cd και άλλα ιχνοστοιχεία ενώ υπάρχουν σαφείς ενδείξεις υδροθερμικής προέλευσης και του Ρ. Στην περιοχή Φάρος οι πηγές παρουσιάζουν εξαιρετικά υψηλές συγκεντρώσεις Μη και Ζn και υψηλά επίπεδα Ca, Sr και Κ ενώ αντίθετα έχουν χαμηλότερα επίπεδα σε Fe και Na. Το γεγονός αυτό μπορεί να σχετίζεται με την ύπαρξη μεταλλοφορίας στο υπόβαθρο εκτός αν αντανακλά ένα μικροσεισμικό επεισόδιο. Από τη μελέτη του Νερού των Πόρων σε 4 υδροθερμικές πηγές της Μήλου φαίνεται ότι τα στοιχεία Ca, Κ, Na και Cl, προέρχονται από την υδροθερμική δραστηριότητα, ενώ τα S0₄ και Mg συσχετίζονται με το θαλασσινό νερό. Οι εκροές των υδροθερμικών ρευστών και του αιρούμενου υλικού παρουσιάζουν ημερήσια διακύμανση, περιοδικότητα αλλά και εποχικότητα. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε σε όλα τα υδροθερμικά πεδία και φαίνεται ότι σχετίζεται απόλυτα με την μεταβολή της ατμοσφαιρικής πίεσης και το στάδιο της παλίρροιας σε αυτές καθώς και με την εποχή. Τα ιζήματα παρουσιάζουν και αυτά εμπλουτισμούς στα υδροθερμικά στοιχεία Fe, Mn, Cu και Pb καθώς και στο Ca. Στην Κω μελετήθηκε για πρώτη φορά το υδροθερμικά πεδίο στην Εμπρός Θέρμη όπου στα υδροθερμικά νερά παρατηρούνται αυξημένες συγκεντρώσεις σε Ca, F και Sr. Στην περιοχή Κεφάλου βρέθηκαν υψηλά ποσοστά Μn και Ζn, και πρώτη φορά παρατηρήθηκαν συγκεντρώσεις Pb και Co. Στο Γυαλί τα υδροθερμικά νερά έχουν υψηλά ποσοστά Zn, Ca, Κ, Na και Sr , ενώ τα ιζήματα παρουσιάζουν υψηλά επίπεδα Mn, Fe, Ca, Pb και Ba. Και στο Γυαλί και στην Κω είναι πολύ πιθανή η διάλυση των ανθρακικών πετρωμάτων από τα υδροθερμικά ρευστά κατά την άνοδο τους. Γενικά στο τόξο, ο βαθμός υδροθερμικής εξαλλοίωσης των πετρωμάτων ποικίλλει από τη μια περιοχή στην άλλη και οι υποθαλάσσιες πηγές διαφοροποιούνται βάση των γεωχημικών χαρακτηριστικών τους (pH, Θερμοκρασίας, συγκεντρώσεις αερίων και μεταλλικών στοιχείων, έντασης εκροής αερίων και υγρών), του είδος των πετρωμάτων υποβάθρου, του πάχους και της σύστασης των ιζημάτων και των αποθέσεων ορυκτών σε αυτά. Παράλληλα παρουσιάζουν και ορισμένες ομοιότητες (π.χ. το επίπεδο του Mg και η σχέση του τα άλλα στοιχεία). Βρέθηκε επίσης ότι το Μn σε αρκετές περιπτώσεις διαχωρίζεται κλασματικά και παρουσιάζει δικό του τρόπο ενσωμάτωσης στα ιζήματα και διαφορετικό από αυτόν του Fe. Η χημεία των ιζημάτων επηρεάζεται έντονα από τη χημεία του αιωρούμενου υλικού που βγαίνει από τις πηγές. Για παράδειγμα υψηλά ποσοστά Cu και Ζn στο αιωρούμενο υλικό στα Μέθανα προκαλούν υψηλές συγκεντρώσεις Cu και Ζn στο ίζημα στην περιοχή Θειάφι. Η υδροθερμική επίδραση κάποιες φορές αποτυπώνεται αρκετά μακριά από τις πηγές προς τα βαθύτερα σημεία (Μέθανα), ενώ άλλες φορές όχι (Γυαλί). Από τη μελέτη πυρήνων ιζημάτων από όλο το τόξο βρέθηκε ότι υπήρξε μεταβολή στην ένταση της υδροθερμικής δραστηριότητας με το χρόνο. Σε περιοχές όπως τα Μέθανα η δραστηριότητα ήταν υψηλότερη στο γεωλογικό παρελθόν. Επίσης σε βαθύτερες περιοχές της Κω βρέθηκε ίζημα που ήταν πολύ εμπλουτισμένο σε Cu, Zn και Pb στα επιφανειακά στρώματα και με υψηλές συγκεντρώσεις σε Ti, V, Fe, Cr, Ni, Co, Mo, Y, Nb και Sr στους βαθύτερους ορίζοντες. To γεγονός αυτό αντανακλά κάποια υδροθερμική επίδραση και στην περιοχή αυτή. Οι ποσότητες του αιωρούμενου υλικού κυμαίνονται από 0,4 έως 2,4 mg/1 στα υδροθερμικά νερά των Μεθάνων, και από 0,93 έως 8,64 mg/1 στον Κ.Κεφάλου. Από 0,93-8,64 mg/1 στα Εμπρός Θέρμα, στο Παλαιοχώρι από 0,87 έως 43,12 mg/1, ενώ την περιοχή Βούδια οι τιμές αιωρούμενου υλικού στα υδροθερμικά νερά βρέθηκαν ότι είναι από 2,42 έως 18,66 mg/1. Τέλος, στον Κόλπο Αδάμαντα η συγκέντρωση κυμαίνεται από 0,78 και φθάνει τα 3,76 mg/1 και είναι μαζί με τα Μέθανα οι χαμηλότερες που παρατηρούνται. Υψηλές συγκεντρώσεις σε Cu, Pb, Fe, Mn, Al, Si, Ca, Ba, Sr και Cd βρέθηκαν στο αιωρούμενο υλικό των Μεθάνων ενώ στη Μήλο παρατηρούνται υψηλές συγκεντρώσεις Fe, Pb, Si, και Li, ανεβασμένες συγκεντρώσεις Mn, Cu και Cd συγκριτικά με τις άλλες υδροθερμικές περιοχές του ηφαιστειακού τόξου. Στην Κω το αιωρούμενο υλικό των πηγών είναι εμπλουτισμένο σε Fe, Mn και Ca στον Κ.Κέφαλο, ενώ είναι πολύ πλούσιο σε Mn, Fe, Pb, Si, Ca και Sr στην περιοχή Εμπρός Θέρμα. Σε όλα τα πεδία, στα κατώτατα στρώματα της θάλασσας παρατηρείται μείωση του pH και εμπλουτισμοί υδροθερμικών στοιχείων σε σχέση με τα επιφανειακά λόγω της δραστηριότητας των πηγών. Η διασπορά των στοιχείων επηρεάζεται από τον ρυθμό ανάμιξης των υγρών με το θαλασσινό νερό και τον κυματισμό, ενώ κατακόρυφα παρατηρείται ελάττωση των συγκεντρώσεων προς την επιφάνεια. Σύμφωνα με το σύστημα ταξινόμησης των υδροθερμικών συστημάτων του Bostrom (1980) και τις γεωχημικές αναλύσεις, το Υδροθερμικό Πεδίο των Μεθάνων σχετίζεται με Ηπειρωτικά τεμάχη μεγάλου πάχους φλοιού (Τhick Continental Crustal Unit - TCU), συνδέοντας το δυτικό τμήμα του τόξου του Αιγαίου με ηπειρωτικό φλοιό και όχι με ωκεάνιο. Συμπερασματικά, οι υποθαλάσσιες υδροθερμικές πηγές κατά μήκος του Ελληνικού Ηφαιστειακού Τόξου, επηρεάζουν τη χημεία του θαλασσινού νερού, την βιολογική δραστηριότητα καθώς και τη γεωχημεία των θαλάσσιων ιζημάτων γύρω από αυτές.