Sedimentological processes occurring in the deep basins of the South Aegean sea

Abstract

Investigating deep-sea sediments is essential for understanding climate variability, and marine ecosystems. The sediments serve as a natural archive, preserving records of past environmental conditions such as ocean temperature, salinity, and biological activity. Furthermore, deep-sea sediments contain valuable information about ocean currents and tectonic movements, aiding researchers in studying seafloor dynamics, earthquake results, tsunami impacts and underwater volcanic activity. The South Aegean region is characterized by a complex geomorphology involving interactive basins, steep canyons and an intricate network of active faults, making the area a “natural laboratory” for sediment dynamics investigation. The geological events recorded in the sediment layers in the area (ranging from major earthquakes and tsunami deposits to episodes of volcanic activity and landslides) have attracted global scientific interest for decades. These studies not only enhance the understanding of regional geology but also contribute to broader knowledge related to past reconstruction of geological events, sediment transportation and accumulation processes in a tectonically active area and models of geo-hazard risks. Overall, deep-sea sediment investigation in the South Aegean offers a multifaceted window into past marine conditions and geological events and informs about future geo-hazard mitigation strategies. Thus, the addition of new scientific results related to such a unique marine compartment has high research, academic and societal impact. The scope of the dissertation was the contribution to deepening the understanding of sediment dynamics in the complex marine compartment of the South Aegean Sea, and more specifically in the deep basins, by studying the sediment accumulation mechanisms and the factors that influence and control the different sedimentation process, as well as the potential relationship between the sedimentological and geochemical signatures. In order to accomplish the objectives of the study, six sediment cores, with lengths up to 3.9 meters, were examined for their physical, sedimentological, and geochemical properties, followed by statistical analysis. The cores were scanned with a multi-sensor core logger (Geotek), were described, photographed, and subjected to X-radiography. A total of 1,072 samples were taken for the various laboratory analyses (grain size, dating, major and trace elements, TOC and nitrogen) and statistical analysis was performed. Several sediment deposits, were identified, including hemipelagites, contourites, turbidites, and mass transport deposits (MTDs).In two of the four basins, specifically, the Cretan and Kamilonisi Basins, the deposition of turbidites and MTDs indicates that their gravity-driven downslope deposits were mobilized during different periods. Additionally, both basins contain volcanoclastic deposits with similar characteristics. In contrast, contourites were identified in the shallower Zafora Basin, suggesting the influence of bottom currents in this area. Magnetic susceptibility serves as an effective proxy for distinguishing between volcanoclastic deposits, turbidites, MTDs and contourites. Furthermore, the onset of sapropel S1 began around 9,000 years ago (ka BP) in our study area. Moreover, in the Zafora Basin as in the Cretan Sea, Minoan tephra and sapropel S1 have been detected in similar depth interval, although their sedimentation processes are completely different. Conversely, the Amorgos Basin and south of Anafi Island, MTDs are the dominant deposits. These MTDs are linked to the 1956 earthquake, with thicknesses ranging from 55 to 100 cm in the sediment cores. The predominant sediment fraction consists of clay, followed by sand. These deposits are characterized by a gray color, sharp boundaries, and a mixture of cohesive and non-cohesive flows. Additionally, values of gamma density, p-wave velocity, and magnetic susceptibility are elevated compared with the above and underlying sediments. They are characterized as lithoclastic, with a lack of foraminiferal material and calcite dilution. Additionally, they present low amounts of calcium (Ca) and strontium (Sr) and elevated values in potassium (K), rubidium (Rb). All the physical and chemical signatures allow us to distinguish the MTD deposits from 1956 from the overlying and underlying sediments. The differences in sedimentological characteristics of the MTDs are attributed to their proximity to the main seismic event. Although a statistical analysis took place it was difficult to establish some proxies for the different sedimentary facies, due to the different geology of the islands that are neighboring. Hemipelagic sedimentation is negligible especially in the basins (Cretan, Kamilonisi, Zafora, and Amorgos), and are composed mostly of reworked sediments (contourites, turbidites, MTDs). A more detailed study has to be done with emphasis to contourites, to help unravel the palaeoclimatology and the palaeoceanography of the Aegean Sea. Moreover, denser sampling for major and trace elements can help to identify geochemical proxies useful to distinguish pelagic sediments from the reworked sediments in the Aegean Sea. Finally a numerical modeling of the 1956 tsunami, combined with the sediment characteristics, is essential for evaluating the impact of tsunamis and providing predictive insights for future seismic events.

Η μελέτη των θαλάσσιων ιζημάτων βοηθά στην κατανόηση της κλιματικής μεταβλητότητας και των θαλάσσιων οικοσυστημάτων. Τα ιζήματα λειτουργούν ως φυσικό αρχείο, διατηρώντας καταγραφές προηγούμενων περιβαλλοντικών συνθηκών, όπως η θερμοκρασία του ωκεανού, η βιολογική δραστηριότητα, η αλατότητα, το οξυγόνο. Επιπλέον, στα θαλάσσια ιζήματα αποτυπώνονται πληροφορίες σχετικά με τα πυθμένια ρεύματα, την κίνηση και τους μηχανισμούς των διαφόρων βαρυτικών ροών, βοηθώντας τους ερευνητές στη μελέτη του θαλάσσιου πυθμένα, όπως την υποθαλάσσια ηφαιστειακή δραστηριότητα, τις κατολισθητικές ροές μαζών, τις τεκτονικές κινήσεις και την σεισμική δραστηριότητα.Το νότιο Αιγαίο χαρακτηρίζεται από μια πολύπλοκη γεωμορφολογία που περιλαμβάνει υποθαλάσσιες λεκάνες, υποθαλάσσια φαράγγια, από έντονη σεισμική δραστηριότητα με ενεργό δίκτυο ρηγμάτων, έχει ηφαιστειακή δραστηριότητα, ενώ διάφορες θαλάσσιες μάζες εισέρχονται, εξέρχονται και δημιουργούνται, καθιστώντας την περιοχή ένα "φυσικό εργαστήριο". Τα προαναφερθέντα αποτυπώνονται στα ιζήματα και έχουν προσελκύσει παγκόσμιο επιστημονικό ενδιαφέρον εδώ και δεκαετίες, με μελέτες που βελτιώνουν όχι μόνο την κατανόηση της γεωλογίας/ τεκτονικής της περιοχής, αλλά στη ευρύτερη γνώση σχετικά με τις διαδικασίες μεταφοράς και εναπόθεσης τω ιζημάτων σε μια τεκτονικά ενεργή περιοχή. Σκοπός της διατριβής ήταν η συμβολή στην κατανόηση και εμβάθυνση της δυναμικής των ιζημάτων στο Νότιου Αιγαίου, και πιο συγκεκριμένα στις βαθιές λεκάνες και τα πρανή τους, μελετώντας τους μηχανισμούς απόθεσης των ιζημάτων και τους παράγοντες που επηρεάζουν και ελέγχουν τις διαφορετικές διαδικασίες ιζηματογένεσης, καθώς και τη διερεύνηση της δυνητική σχέση μεταξύ των ιζηματολογικών και γεωχημικών τους χαρακτηριστικών. Για την επίτευξη του στόχου, εξετάστηκαν έξι πυρήνες ιζήματος, μήκους έως 3,9 μέτρων, ως προς τις φυσικές, ιζηματολογικές και γεωχημικές τους ιδιότητες, και στην συνέχεια έγινε στατιστική ανάλυση. Οι πυρήνες σαρώθηκαν με ένα καταγραφικό πολλαπλών αισθητήρων (multi-sensor core logger, Geotek), φωτογραφήθηκαν, στην συνέχεια έγινε η μακροσκοπική τους περιγραφή, και υποβλήθηκαν σε ακτινογραφίες Χ-ray. Συνολικά ελήφθησαν 1.072 δείγματα για τις διάφορες εργαστηριακές αναλύσεις (κοκκομετρία, χρονολογήσεις, κύρια στοιχεία και ιχνοστοιχεία, οργανικό, ολικό άνθρακα και άζωτο) και έπειτα πραγματοποιήθηκε στατιστική ανάλυση. Αναγνωρίστηκαν δομές ιζημάτων όπως ημιπελαγίτες, ισοβαθύτες, τουρβιδίτες, αποθέσεις ροών μάζας (MTDs) και τέφρες. Γενικώς η ημιπελαγική ιζηματογένεση είναι μηχανισμός απόθεσης πιο σπάνιος σε όλες τις λεκάνες (Κρήτη, Καμηλονήσι, Ζάφρα και Αμοργός), σε σύγκριση με τις βαρυτικές ροές, ενώ και οι ισοβαθύτες παίζουν μεγάλο ρόλο. Σε δύο από τις τέσσερις λεκάνες, στην Κρητική λεκάνη και την λεκάνη του Καμηλονησίου, οι βαρυτικές ροές είναι ο κύριος μηχανισμός εναπόθεσης υλικού μέσα στις λεκάνες. Επιπλέον και οι δύο λεκάνες περιέχουν ηφαιστειακό υλικό με παρόμοια χαρακτηριστικά, που οφείλεται στην τελευταία έκρηξη της Σαντορίνης. Η λεκάνη του Καμιλονησίου περιέχει την μισή ποσότητα σε ηφαιστειακό υλικό σε σχέση με την Κρητική λεκάνη, ενώ παράλληλα παρατηρείται ημιπελαγική ιζηματογένεση όπως και ο σαπροπηλός S1, σε αντίθεση με την Κρητική λεκάνη που αποτελείται μόνο από τουρβιδίτες και ροές μαζών. Οι τουρδιβίτες ηφαιστειακής προέλευσης και οι ροές μαζών ηφαιστειακής προέλευσης στην Κρητική λεκάνη ξεχωρίζουν από τις αυξημένες τιμές στους λόγους Zr/Cr, Sr/Cr και V/Cr στις ηφαιστειακής προέλευσης ροές μαζών. Στην μικρή λεκάνη της Ζαφόρας αναγνωρίστηκαν ισοβαθύτες. Διαφέρουν από τους ημιπελαγίτες λόγω των υψηλότερων τιμών στην μαγνητική επιδεκτικότητα και παρουσιάζουν θετική συσχέτιση μεταξύ Al-Si και Ti-Fe. Επιπλέον, στη λεκάνη της Ζαφόρας, όπως και στο Κρητικό Πέλαγος, η τέφρα της Μινωικής έκρηξης (3,500 B.P.) και ο σαπροπηλός S1 εντοπίστηκαν σε παρόμοια βάθη, αν και οι διαδικασίες ιζηματογένεσης των δύο περιοχών είναι εντελώς διαφορετικές. Οι ισοβαθύτες δείχνουν έντονα επεισόδια πυθμένιων ρευμάτων από τα 16 έως 42.000 χρόνια και οφείλονται στο Λεβαντινό Ενδιάμεσο Νερό (LIW). Στην λεκάνη της Αμοργού και νότια της Ανάφης, οι αποθέσεις ροών μάζας είναι οι κυρίαρχες αποθέσεις. Οι συγκεκριμένες αποθέσεις (MTDs) συνδέονται με τον σεισμό του 1956 και έχουν πάχος ιζήματος που κυμαίνεται από 55 έως 100 cm. Αυτές οι αποθέσεις χαρακτηρίζονται από γκρι χρώμα, διαβρωσιγενή επιφάνειες με τα υπερκείμενα και υποκείμενα στρώματα. Ενώ οι ροές είναι μείγμα συνεκτικών και μη ροών. Επιπλέον, η πυκνότητας των ιζημάτων, η ταχύτητας ήχου και της μαγνητικής επιδεκτικότητας είναι αυξημένες στις αποθέσεις ροών μαζών (MTDs). Χαρακτηρίζονται από έλλειψη τρηματοφόρων υλικού και διάλυση ανθρακικού ασβεστίου. Επιπλέον, παρουσιάζουν χαμηλές ποσότητες ασβεστίου (Ca) και στροντίου (Sr) και αυξημένες τιμές σε κάλιο (K), ρουβίδιο (Rb). Όλες οι φυσικές και χημικές ιδιότητες μας επιτρέπουν να διακρίνουμε τις αποθέσεις ροών μαζών σχετιζόμενες με το σεισμικό γεγονός του 1956 από τα υπερκείμενα και υποκείμενα ιζήματα. Οι διαφορές στα ιζηματολογικά χαρακτηριστικά των ροών μαζών (MTDs) σχετιζόμενες με το σεισμικό γεγονός του 1956 αποδίδονται στην εγγύτητά τους με το κύριο σεισμικό συμβάν.αποδίδονται στην εγγύτητά τους με το κύριο σεισμικό συμβάν. Έμφαση πρέπει να δωθεί στους ισοβαθύτες με σκοπό την περαιτέρω κατανόηση της παλαιοκλιματολογίας και της παλαιοωκεανογραφίας του Νότιου Αιγαίου. Επιπλέον, η πυκνότερη δειγματοληψία για κύρια στοιχεία και ιχνοστοιχεία μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό κοινών γεωχημικών χαρακτηριστικών για τις διάφορες ιζηματολογικές φάσεις. Τέλος, μια αριθμητική μοντελοποίηση του τσουνάμι του 1956, σε συνδυασμό με τα χαρακτηριστικά των ιζημάτων, είναι απαραίτητη για την αξιολόγηση των επιπτώσεων των τσουνάμι και την παροχή προγνωστικών πληροφοριών για μελλοντικά σεισμικά γεγονότα.