Quaternary multi-proxy analysis of the paleoenvironment, paleogeography and active tectonics of the Corinth Isthmus

Abstract

This Ph.D. aims to shed light upon the interaction between the tectonic movements and the paleoenvironmental changes. The goal is to determine the tectonic uplift and the significance of the regional uplift at the Corinth isthmus, to estimate the slip rate of the Kalamaki-Isthmia fault and reconstruct the paleoenvironment and the paleogeography of the study area following a multidisciplinary approach. In the tectonically active region of Corinth Isthmus the paleoenvironment and paleogeography has been studied mainly through detailed field mapping, surface observations and data obtained from 11 borehole cores up to 70 m deep. The interplay between the glacioeustatic sea level changes and the active tectonics resulted into a complicated paleoenvironmental pattern and stratigraphic structure. As a result, a multi proxy analysis have been followed that incorporates paleoenvironmental and micropaleontological studies (foraminifera, nannofossils), magnetic susceptibility, absolute dating techniques (U/Th, luminescence), borehole and surface data, geological mapping. Quantitative analysis of foraminiferal fauna assemblages (355 in total) extracted both from surface outcrops and 8 borehole cores were employed to describe the paleoenvironment and the regional paleodepth estimation. Three indexes have been used to accurately describe the paleoenvironmetal conditions in the examined samples and in particular the foraminifer’s density (FD), the percentage of the broken/weathered specimens in each sample (BR ratio) and the relationship between small sized and large Ammonia spp. (A-ratio). Magnetic Susceptibility measurements, extracted only from the borehole cores, were also used as an independent methodology to describe the alternations in the sedimentary sequences, while the results were correlated with the findings deprived from foraminiferal analyses.To determine the age of the sediments three different techniques were employed. Coral dating and luminescence dating techniques were used for absolute dating and calcareous nannofossils assemblages for relevant dating, with the latter offering a higher reliability.Based on the data obtained both from the borehole sequences and the examined surface outcrops that have been successfully correlated, a 3-D spatial and temporal distribution of the sediments at the eastern part of the Canal has been described.Furthermore, based on the ages supported by the nannofossils assemblages and the glacioeustatic sea level curve, the uplift rate of the Eastern part of the Corinth Isthmus has been re-interpreted following an independent approach compared to existing published rates. It is interesting that even though a different approach than previous researchers have followed, approximately the same results have been proposed adding credibility to the existing uplift rates.The most important active fault that crosses the Corinth Canal has been studied in detail. Also in the basis of the ages proposed both from previous corals data and through nannofossils assemblages, the fault’s activity has been estimated verifying a relatively low slip-rate but active fault. Based on the slip rates of the major faults which influence the area; a model has been developed describing the significance of each fault and the influence of the regional uplift to the total uplift rate of the study area, where a regional uplift of approximately 0.34±0.04 mm/yr is required in order to explain the stratigraphy of the boreholes and the paleoenvironmental pattern.Finally, based on age constraints provided by nannofossils assemblages correlated with the glacioeustatic sea level changes and the uplift rate of the area, the paleogeography at the eastern part of the Corinth Isthmus during Pleistocene has been reconstructed, from MIS 9 (~330 ka) till the present day.

Η παρούσα διατριβή έχει σαν αντικείμενο μελέτης την αλληλεπίδραση μεταξύ των τεκτονικών κινήσεων και των παλαιοπεριβαλλοντικών εναλλαγών σε μια περιοχή. O σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη του ρυθμού τεκτονικής ανύψωσης στην περιοχή μελέτης, του ρυθμού ολίσθησης του ρήγματος Καλαμακίου-Ισθμίων, καθως και η μελέτη και ανακατασκευή του παλαιοπεριβάλλοντος και της παλαιογεωγραφίας στον Ισθμό της Κορίνθου. Η περιοχή έρευνας είναι η ενεργή τεκτονικά περιοχή της Κορίνθου και κυρίως η περιοχή του Ισθμού, όπου μελετήθηκε μέσω λεπτομερούς χαρτογράφησης της περιοχής, καθώς και δεδομένων από 11 πυρήνες γεωτρήσεων βάθους μέχρι 70 μ. Η έντονη αλληλεπίδραση μεταξύ των τεκτονικών διαδικασιών και των συνεχόμενων μεταβολών της στάθμης της θάλασσας οδήγησε σε ένα πολύπλοκο παλαιοπεριβαλλοντικό μοντέλο. Για την καλύτερη και πληρέστερη ανάλυση των δεδομένων, αξιοποιήθηκαν διαφορικές μεθοδολογίες.Η ανάλυση των συγκεντρώσεων της μικρό πανίδας τόσο από επιφανειακά δείγματα όσο και από τους πυρήνες γεωτρήσεων ήταν η βασική μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για την περιγραφή του παλαιοπεριβάλλοντος. Τρεις δείκτες χρησιμοποιήθηκαν για την ακριβέστερη περιγραφή του παλαιοπεριβάλλοντος και πιο συγκεκριμένα η πυκνότητα των τρηματοφόρων (FD), το ποσοστό των σπασμένων / φθαρμένων τρηματοφόρων σε κάθε δείγμα (BR) και σχέση μεταξύ μικρού και μεγάλου μεγέθους Ammonia spp. (Α-ratio). Παράλληλα, μετρήθηκε η μαγνητική επιδεκτικότητα στις γεωτρήσεις και έγινε συσχέτιση των παρατηρούμενων εναλλαγών με τις μεταβολές του παλαιοπεριβάλλοντος. Για τον χρονολογικό προσδιορισμό της ιζηματογένεσης χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές τεχνικές. Για τον απόλυτο προσδιορισμό της ηλικίας έγινε χρονολόγηση κοραλλιών που βρέθηκαν στα δείγματα των γεωτρήσεων καθώς και μέσω της φωταύγειας των ιζημάτων. Ο σχετικός προσδιορισμός της ηλικίας των ιζημάτων έγινε μέσω της βιοστρωματογραφίας καθώς αναλύθηκαν δείγματα ως προς το περιεχόμενο τους σε ναννο απολιθώματα. Η τελευταία μεθοδολογία παρείχε τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Με βάση τα δεδομένα που προέκυψαν τόσο από την ανάλυση των επιφανειακών δεδομένων όσο και τα δεδομένα από τις γεωτρήσεις, έγινε η τρισδιάστατη χωρική και χρονική κατανομή των ιζημάτων στο ανατολικό τμήμα της Διώρυγας.Επιπλέον, με βάση τις εκτιμώμενες ηλικίες έγινε ο επαναπροσδιορισμός του ρυθμού της ανύψωσης του ανατολικού τμήματος του ισθμού της Κορίνθου. Είναι ενδιαφέρον το γεγονός πως παρόλο που έχει ακολουθηθεί μια διαφορετική προσέγγιση σε σχέση με προηγούμενες έρευνες, προκύπτουν περίπου τα ίδια αποτελέσματα, επιβεβαιώνοντας τους προτεινόμενους ρυθμούς ανύψωσης από προηγούμενες μελέτες.Μελετήθηκε μέσω λεπτομερούς χαρτογράφησης το ρήγμα Καλαμάκι – Ίσθμια το σημαντικότερο ενεργό ρήγμα που τέμνει το κανάλι του Ισθμού της Κορίνθου. Με βάση τις ηλικίες που προτείνονται από την παρούσα διατριβή, εκτιμήθηκε η δραστηριότητα του ρήγματος, επιβεβαιώνοντας έναν σχετικά χαμηλό ρυθμό ολίσθησης ενός κατά άλλα ενεργού ρήγματος. Με βάση την ανάλυση της επίδρασης των σημαντικότερων ρηγμάτων που επηρεάζουν την περιοχή, επιβεβαιώνεται η σημασία της γενικότερης τεκτονικής ανύψωσης της περιοχής.Με βάση τον σχετικό προσδιορισμό της ηλικίας των ιζημάτων και τις ευστατικές μεταβολές της στάθμης της θάλασσας και την τεκτονική ανύψωση της περιοχής, προσδιορίστηκε η παλαιογεωγραφία στο ανατολικό τμήμα του Ισθμού της Κορίνθου κατά το Τεταρτογενές, με έμφαση κυρίως από MIS 9 (~ 400 ka ) μέχρι σήμερα