Επίδραση της ηφαιστειακής δράσης στα σύγχρονα και πρόσφατα θαλάσσια ιζήματα της περιοχής Κω-Νισύρου-Αστυπάλαιας

Abstract

The aim of this thesis is the study of the recent and modern marine sediments of the SE Volcanic Arc of the Aegean Sea and particularly of the area, which presently extends between Kos, Nissyros and Astypalea islands. Samples of 74 bottom surface sediments and 10 drilling cores were gathered from water depths varying between 30 and 610 m. The sedimentation in the study area began after the post-alpine orogenesis during the Oligocene (about 10 million years ago) with the deposition of marine sediments. From the Upper Pliocene (3-5 million years ago) to the present the sedimentation includes and sediments of volcanic origin. From the grain size and mineralogical analysis of sixteen bottom surface and eight core samples the following conclusions resulted: a) With the three chemical treatments of the samples it was concluded that the majority of the included undesired materials (cement materials) were carbonate constituents mainly of biogenic origin. In the most bottom surface and core samples the total percentage of the undesired materials (carbonates + organics + Fe oxides and Fe and Al hydroxides) is more than 30%. At least 90% percent of this is due to the carbonate materials, which come from the calcitic shells of microscopic marine organisms after their death. b) Of the 24 samples (bottom surface and cores), which were analysed, 20 samples show percentages of sand and coarse -grained silt (>20 μm) varying from 4 to 50%, while in the rest 4 samples the percentages vary between 51 and 82%. c) The percentages of the medium and fine-grained silt (20-2 μm) in all samples vary between 2 and 23%. d) The percentages of the coarse-grained clay (2-0,2 μm) vary between 1 and 14%, while of the medium + fine-grained clay (<0,2 μm) vary between 0 and 16%). e) The mineralogical phases recognized are: quartz, cristobalite, plagioclases, K-feldspars, amphiboles, pyroxenes, micas, calcite, dolomite, chlorite, kaolinite, illite, and smectite. Cristobalite and to a less extend smectite are considered minerals formed from the volcanic activity in the study area. In the 20-2 μm fraction quartz constitutes the most abundant mineral. Its abundance ranges from 7 to 41%. The total percentage of clay minerals (+micas) is 25-46%. The participation of feldspars (mostly plagioclases) ranges from 10 to 52%. In the same fraction, cristobalite is observed in 6 of the 16 bottom surface samples, which have been analysed, with percentages from 8 to 33%; it participates in all core samples ranging from 10 to 26%. In the same fraction of all samples, among the phyllosilicate minerals, the most abundant mineral is muscovite, while the amphiboles and pyroxenes are observed in much smaller percentages. As the grain size decreases from 20-2, to 2-0,2 and to <0,2 μm in the bottom surface samples, as well as in the core samples, a considerable decrease of quartz and feldspars and predominance of the clay minerals illite, smectite and chlorite is observed. From the grain size and mineralogical analysis the following paleogeographical conclusions resulted: a) The presence of shells of microscopic dimensions, as well as of fragments of other microorganism skeletons, is significant in all samples, especially in the fine-grained. b) The transportation and deposition of the sediments in the sea happened in a low energy environment. This is concluded from the climate conditions, which were predominating in the broader area during the Pliocene-Holocene (temperate and semi-arid climate). In similar conditions, the sediments deposited present poor sorting and the morphology of their grains is angular to sub-angular. The fine-grained sediments have been deposited at a greater distance from the land, at the open sea, in low energy hydrodynamic environments. Such environments are located western of Nissyros and southwestern of Kos islands. c) The extended presence of fine-grained material (medium + finegrained silt and clay up to 49%) is associated with a quiet environment of low energy. In such environment favourable conditions are created which permit the deposition of fine-grained materials. d) The study area was found in a rather swallow sea or close to the land. This is resulted from the presence of sufficient coarse –grained sandy sediments (grain size >20 μm) either of bottom surface or of drilling cores. The percentage of these sediments ranges between 4 and 82% and they are found at the N-NE side of Nissyros towards Kos, E-SE of Nissyros and S-SW towards Astypalea at depths ranging from 175 to 610 m. Therefore, it is evident that at present time the sediments are located in deeper isobaths than the –120 m that was the maximum depth of the sea regression reported during Würm (Pleistocene). e) The poor sorting, the low-grade sphericity and the angular to subangular morphology of the grains consist common textural signs of all the clastic materials, which characterize the majority of the analysed sediments. These textural characteristics should be related to an environment where the reworking of the materials is missing or limited, thus the sediments being formed are texturally immature. f) The most abundant minerals are quartz and feldspars, mostly plagioclases, which in majority are unaltered or slightly altered to sericite and rarely to kaolinite. Among the phyllosilicates chlorite is the most significant mineral. Between the micas muscovite is the most abundant, while biotite is rare. The silicate minerals with large specific gravity such as the pyroxenes, amphiboles, e.t.c., are less abundant. The predominance of minerals with small specific gravity as well as their low degree of alteration, characterizes a calm depositional environment of low energy. If we consider the abundance of plagioclases and chlorite as well as the small presence of the ferromagnesian minerals with large specific gravity, then it is obvious that all the sediments are mineralogically immature. g) The predominance of temperate and semi-arid climate during the Pliocene-Holocene obviously played a primary role for the mineralogical immaturity of the sediments since at these conditions the processes of weathering and destruction of the unstable minerals are not favoured. From the chemical analysis of samples taken from different depths of the four cores the following conclusions resulted: a) At all depths (20 different samples) the sediments consist of 25,2- 65,5% of silicate oxide (SiO2), which mainly comes from the destruction of quartz, feldspars and clay minerals. It has been found that there is an equal distribution of the quartz and total clay minerals, while the feldspars follow in abundance. b) Analogous distribution with depth increase, present the oxides TiO2, Al2O3, Fe2O3, Na2O, K2O and P2O5, too. On the contrary, the CaO and MgO oxides present values reversibly distributed with depth. c) From the 20 samples analysed only few trace elements present higher values compared to the median values of the earth crust like strontium with values 427-1037 ppm (except 4 samples) (median value of earth crust 375 ppm), chromium with values 102-237 ppm (except 8 samples) (m.v. 100 ppm) and nickel with values 78-303 ppm (except 3 samples) (m.v. 75 ppm). d) The rare earth elements’ statistical analysis proves the presence of a geotectonic environment of volcanic origin. The studied sediments have been deposited along active continental shelves and island arcs.

Ο στόχος αυτής της διατριβής είναι η μελέτη των σύγχρονων και πρόσφατων θαλάσσιων ιζημάτων του νοτιοανατολικού ηφαιστειακού τόξου του Αιγαίου και ιδιαίτερα της περιοχής που εκτείνεται σήμερα μεταξύ των Νήσων Κω - Νισύρου - Αστυπάλαιας. Εβδομήντα τέσσερα δείγματα επιφάνειας πυθμένα και δέκα πυρήνες γεωτρήσεων συλλέχθηκαν από βάθη νερού 30 ως 610 m. Η ιζηματογένεση στην περιοχή μελέτης άρχισε μετά την μετα-αλπική ορογένεση στο Αιγαίο κατά το Ολιγόκαινο (περίπου πριν 10 εκατομμύρια έτη) με την απόθεση θαλάσσιων ιζημάτων. Από το Άνω Πλειόκαινο (πριν 3-5 εκατομμύρια έτη) μέχρι σήμερα η ιζηματογένεση περιλαμβάνει και ιζήματα ηφαιστειακής προέλευσης. Από την κοκκομετρική και ορυκτολογική ανάλυση δέκα έξι δειγμάτων επιφάνειας πυθμένα και οκτώ πυρήνων προέκυψαν τα παρακάτω συμπεράσματα: α) Με τις τρεις χημικές κατεργασίες στις οποίες υποβλήθηκαν όλα τα δείγματα διαπιστώθηκε ότι η πλειοψηφία των ανεπιθύμητων υλικών (υλικά συγκόλλησης) που περικλείουν ήταν ανθρακικά συστατικά κυρίως βιογενούς προέλευσης. Στα περισσότερα δείγματα της επιφάνειας του πυθμένα και των πυρήνων το συνολικό ποσοστό των ανεπιθύμητων υλικών (Ανθρακικά άλατα + Οργανική ύλη + Οξείδια Fe και Υδροξείδια Fe και Al) υπερβαίνει το 30%. Τουλάχιστο 90% αυτού οφείλεται στα ανθρακικά υλικά που προέρχονται από τα ασβεστιτικά κελύφη μικροσκοπικών θαλάσσιων οργανισμών μετά τον θάνατό τους. β) Στο σύνολο των 24 δειγμάτων (επιφάνειας πυθμένα και πυρήνων) που αναλύθηκαν, 20 δείγματα εμφανίζουν ποσοστά άμμου και αδρόκοκκης ιλύος (>20 μm) που κυμαίνονται από 4 έως 50%, ενώ στα υπόλοιπα 4 δείγματα τα ποσοστά κυμαίνονται από 51 έως 82%. γ) Τα ποσοστά της μεσόκοκκης και λεπτόκοκκης ιλύος (20-2 μm) σε όλα τα δείγματα κυμαίνονται από 2 ως 23%. δ) Τα ποσοστά της αδρόκοκκης αργίλου (2-0,2 μm) κυμαίνονται από 1 ως 14%, ενώ της μεσόκοκκης + λεπτόκοκκης αργίλου (<0,2 μm) από 0 ως 16%. ε) Οι ορυκτές φάσεις που αναγνωρίστηκαν είναι: χαλαζίας, χριστοβαλίτης, πλαγιόκλαστα, Κ-ούχοι άστριοι, αμφίβολοι, πυρόξενοι, μαρμαρυγίες, ασβεστίτης, δολομίτης, χλωρίτης, καολινίτης, ιλλίτης και σμεκτίτης. Ο χριστοβαλίτης και μερικώς ο σμεκτίτης θεωρούνται ορυκτά που προήλθαν από την ηφαιστειακή δραστηριότητα στην περιοχή μελέτης. Στο κλάσμα 20-2 μm ο χαλαζίαςσυνιστά το επικρατέστερο ορυκτό με συμμετοχή που κυμαίνεται από 7 ως 41%. Το συνολικό ποσοστό των αργιλικών ορυκτών (+μαρμαρυγίες) είναι 25-46%. Η συμμετοχή των αστρίων (κυρίως πλαγιόκλαστα) κυμαίνεται από 10 ως 52%. Στο ίδιο κλάσμα ο χριστοβαλίτης παρατηρείται σε 6 από τα 16 δείγματα επιφάνειας πυθμένα που αναλύθηκαν, σε ποσοστά από 8 ως 33%, ενώ συμμετέχει σε όλα τα δείγματα των πυρήνων από 10 ως 26%. Στο ίδιο κλάσμα όλων των δειγμάτων, μεταξύ των φυλλοπυριτικών ορυκτών, επικρατεί ο μοσχοβίτης, ενώ οι αμφίβολοι και οι κλινοπυρόξενοι παρατηρούνται σε πολύ μικρότερα ποσοστά. Με μείωση του μεγέθους των κόκκων από 20-2, σε 2-0,2 και σε <0,2 μm στα δείγματα επιφάνειας πυθμένα, αλλά και στους πυρήνες, παρατηρείται σημαντική μείωση του χαλαζία και των αστρίων και επικράτηση των αργιλικών ορυκτών ιλλίτη, σμεκτίτη και χλωρίτη. Από την κοκκομετρική και ορυκτολογική ανάλυση προέκυψαν τα ακόλουθα παλαιογεωγραφικά συμπεράσματα: α) Η παρουσία κελυφών μικροσκοπικών διαστάσεων, αλλά και θραυσμάτων σκελετών άλλων μικροοργανισμών, είναι σημαντική σε όλα τα δείγματα, ιδιαίτερα στα λεπτόκοκκα. β) Η μεταφορά και απόθεση των ιζημάτων στη θάλασσα πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον χαμηλής ενέργειας. Στη διαπίστωση αυτή καταλήγουμε από τις κλιματικές συνθήκες που επικρατούσαν στην ευρύτερη περιοχή στη διάρκεια του Πλειόκαινου-Ολόκαινου (θερμό και ημίξηρο κλίμα). Τα υλικά που αποθέτονται σε παρόμοιες συνθήκες παρουσιάζουν κακή ταξινόμηση και η μορφολογία των κόκκων τους είναι γωνιώδης ως υπογωνιώδης. Τα λεπτόκοκκα ιζήματα έχουν αποτεθεί σε μεγαλύτερη απόσταση από την ξηρά, μέσα στη θάλασσα, σε χαμηλής ενέργειας υδροδυναμικά περιβάλλοντα. Τέτοια περιβάλλοντα εντοπίζονται δυτικά της Νισύρου και νοτιοδυτικά της Κω. γ) Η εκτεταμένη παρουσία λεπτόκοκκου υλικού (μεσόκοκκη + λεπτόκοκκη ιλύς και άργιλος μέχρι 49%) συνδέεται με ένα ήρεμο περιβάλλον χαμηλής ενέργειας. Σε τέτοιο περιβάλλον δημιουργούνται ευνοϊκές συνθήκες που επιτρέπουν την απόθεση λεπτόκοκκων υλικών. δ) Η περιοχή μελέτης βρισκόταν σε αβαθή θάλασσα ή κοντά στην ξηρά. Αυτό συμπεραίνεται από την παρουσία αρκετών αδρόκοκκων αμμωδών ιζημάτων (μέγεθος κόκκων >20 μm) τόσο στην επιφάνεια του πυθμένα όσο και στους πυρήνες. Τα ποσοστά αυτών των ιζημάτων κυμαίνονται από 4 ως 82% και βρίσκονται στη Β-ΒΑ πλευρά της Νισύρου προς την Κω, Α-ΝΑ της Νισύρου και Ν-Ν/ προς την Αστυπάλαια σε βάθη από 175 έως 610 m. Επομένως, είναι φανερό ότι σήμερα τα ιζήματα βρίσκονται σε πολύ μεγαλύτερα βάθη από τα –120 m που αναφέρεται ως το μεγαλύτερο βάθος της θαλάσσιας απόσυρσης κατά το Βούρμιο (Πλειστόκαινο). ε) Η κακή ταξινόμηση, ο μικρός βαθμός σφαιρικότητας και η γωνιώδης έως υπογωνιώδης μορφολογία των κόκκων, αποτελούν κοινά ιστολογικά γνωρίσματα όλων των κλαστικών υλικών που χαρακτηρίζουν την πλειονότητα των δειγμάτων που αναλύονται. Αυτά τα ιστολογικά χαρακτηριστικά θα πρέπει να συσχετίζονται με ένα περιβάλλον, όπου η ανακατεργασία των υλικών απουσιάζει ή είναι περιορισμένη, ώστε τα ιζήματα που σχηματίζονται να είναι ανώριμα ιστολογικά. στ) Τα περισσότερο άφθονα ορυκτά είναι ο χαλαζίας και οι άστριοι, κυρίως πλαγιόκλαστα, που στην πλειονότητά τους είναι αναλλοίωτα ή ελαφρά αλλοιωμένα σε σερικίτη και σπανιότερα σε καολινίτη. Μεταξύ των φυλλοπυριτικών ο χλωρίτης είναι το σημαντικότερο ορυκτό. Μεταξύ των μαρμαρυγιών αφθονεί ο μοσχοβίτης, ενώ ο βιοτίτης σπανίζει. Τα πυριτικά ορυκτά με μεγάλο ειδικό βάρος όπως είναι οι πυρόξενοι, αμφίβολοι κ.λπ. είναι λιγότερο άφθονα. Η επικράτηση ορυκτών μικρού ειδικού βάρους, καθώς και ο μικρός βαθμός εξαλλοίωσής τους χαρακτηρίζουν ένα ήρεμο περιβάλλον χαμηλής ενέργειας. Αν λάβουμε υπόψη την αφθονία των πλαγιοκλάστων και του χλωρίτη, καθώς και τη μικρή παρουσία των σιδηρομαγνησιούχων ορυκτών μεγάλου ειδικού βάρους, τότε γίνεται φανερό ότι τα ιζήματα στο σύνολό τους είναι ορυκτολογικά ανώριμα. ζ) Η επικράτηση θερμού και ημίξηρου κλίματος κατά τη διάρκεια του Πλειόκαινου-Ολόκαινου, προφανώς έπαιξε ένα πρωταρχικό ρόλο στην ορυκτολογική ανωριμότητα των ιζημάτων, επειδή σε τέτοιες συνθήκες δεν ευνοούνται οι διεργασίες αποσάθρωσης και καταστροφής των ασταθών ορυκτών. Από τη χημική ανάλυση δειγμάτων διαφορετικών βαθών των τεσσάρων πυρήνων προέκυψαν τα παρακάτω συμπεράσματα: α) Σε όλα τα βάθη (20 διαφορετικά δείγματα) τα ιζήματα αποτελούνται από 25,2-65,5% από οξείδιο του πυριτίου (SiO2) που προέρχεται κυρίως από το χαλαζία, τους αστρίους και τα αργιλικά ορυκτά. Έχει βρεθεί ότι υπάρχει ισοκατανομή του χαλαζία και του συνόλου των αργιλικών ορυκτών, ενώ ακολουθούν σε αφθονία οι άστριοι. β) Ανάλογη κατανομή με αύξηση του βάθους παρουσιάζουν και τα οξείδια TiO2, Al2O3, Fe2O3, Na2O, K2O και P2O5. Αντίθετα, τα οξείδια CaO και MgO παρουσιάζουν τιμές αντίστροφα ανάλογες με το βάθος. γ) Στα είκοσι δείγματα που αναλύθηκαν μερικά μόνο ιχνοστοιχεία παρουσιάζουν υψηλότερες τιμές σε σχέση με τις μέσες τιμές του φλοιού της γης όπως το στρόντιο με τιμές 427-1037 ppm (εκτός 4 δειγμάτων) (μ.τ. φλοιού γης 375 ppm), το χρώμιο με τιμές 102-237 ppm (εκτός 8 δειγμάτων) (μ.τ. 100 ppm) και το νικέλιο με τιμές 78-303 ppm (εκτός 3 δειγμάτων) (μ.τ. 75 ppm). δ) H στατιστική επεξεργασία των σπάνιων γαιών δηλώνει την παρουσία ενός γεωτεκτονικού περιβάλλοντος ηφαιστειακής προέλευσης. Τα ιζήματα που εξετάζονται έχουν αποτεθεί κατά μήκος ενεργών ηπειρωτικών περιθωρίων και νησιωτικών τόξων.