Geomorphological – Geoenvironmental investigation of natural and artificial beachrocks formation mechanism and their potential as a soft engineering method against coastal hazards: comparative studies from the eastern Mediterannean and southern Japan

Abstract

The purpose of this thesis was to study the geomorphology and micro-morphology of natural beachrocks and reveal their formation mechanism in order to mimic and accelerate the process to create artificial beachrocks. The ultimate goal is the protection of the vulnerable sandy beaches from coastal erosion using a new soft engineering solution by understanding in depth the formation mechanism of natural beachrocks. This PhD focuses on the beachrock formation mechanism through the comparison of cement characteristics, mineral chemistry and granulometry of beachrock occurrences from different geological and geographical localities from Greece, Cyprus and Okinawa, Japan. In order to investigate a potential soft engineering method to protect coasts from erosion, artificial beachrock samples were created in vitro using sand samples and ureolytic bacteria from both areas under accelerating conditions. Geomorphological observations during our field activities had already shown that beachrocks in many cases play the role of the protective mechanism against coastal erosion. At north Naxos Island, a windy day gave the idea to follow the example of nature, as high waves couldn’t reach the coast as the beachrocks were playing the role of natural breakwater. Thus the idea of imitating nature and find a solution against coastal hazards was born. Although there are many studies on beachrocks, with different backgrounds, methodologies, and objectives, no homogenous-specific methodology that could contribute to understanding the mechanisms of beachrock formation or their diagenetic environment existed. For this reason, a multiproxy analysis took place throughout the study of beachrocks at 13 study areas on Greece, Cyprus and Okinawa (Japan), which have different geological, geomorphological and physico-geographical characteristics, as well as different sediment supply and different granulometry. Detailed field surveys took place on the shore and underwater. Beachrock samples were retrieved for mineralogical and geochemical analysis to understand the structure of beachrocks, cement micro-morphology order to identify the type of cement and determine the spatial relationship between the past shoreline and beachrock formation zone. Selected samples were collected for dating using OSL dating of quartz. From selected areas, sand and water samples were retrieved for microbiological analysis to identify ureolytic bacteria, which were essential for the application of the Microbially Induced Carbonate Precipitation (MICP) to create corresponding artificial beachrocks in-vitro. The artificial beachrock samples were analyzed for their mechanical, mineralogical and geochemical properties. The geomorphological, mineralogical and geochemical analysis of beachrocks showed that the beachrocks of Diolkos, Porto Rafti, Edipsos, Naxos and Paros were formed in the upper/shallow to middle intertidal zone and they consist of detrital material originating from the local bedrock. Okinawa beachrocks were also formed in the upper/shallow to middle intertidal zone and consist of sand, coral sand and foraminifera fragments. Beachrocks that were formed in the middle intertidal zone were the ones located in Skyros, Psatha, Katakolo, Salamina and Rhodes. The beachrocks of Lefkada and Cyprus were formed in the subtidal to middle intertidal zone. The subtidal- middle intertidal beachrocks were formed in areas with high Mg and Cal content lithologies, i.e. Cyprus (volcanic rocks) and Lefkada (limestone). All beaches were part of a well-developed drainage system and fresh water was available. Geomorphological observations showed that in areas with multiple beachrock slabs, beachrock had more discontinuities, which were mostly submerged or on sea level. The broken beachrocks indicate that they absorb the wave energy before it reaches the sandy beach. Conversely, uplifted beachrocks were found more preserved. Beachrock development stops when sediment supply is disturbed due to human activity or other causes and the beach geomorphological processes affect the beachrock development (e.g. Diolkos). In addition, it was found that longer saturation period and Magnesium Calcite supply may result in thicker beachrock development. When gravels are incorporated in beachrocks more pore space occurs helping the formation of matrix cement which results in better consolidation (e.g. Salamina, Psatha). The beach morphology and type (protected/ open) does not play an important role in the development of beachrock rather than physicochemical factors. At areas where beachrock is destroyed (e.g. Salamina, Paros, Edipsos) the beach morphology indicates beach retreat. The artificial beachrock experiments contributed to the realization of the concept that Artificial beachrock is a possible natural based methodology for coastal protection. They are controlled by the bacteria metabolism type. It was found that the artificial beachrocks were more favorable in poorly shorting sediments (pore space). Slow circulation of nutrients may affect better artificial beachrock creation. The Micrococcus Yunnanensis sp bacteria case grow better crystals and leads to better consolidation than those of Virgibacillus sp. The Native bacteria performed better with native sediment as they created samples with UCS is equal to 4-5 MPa. The analysis resulted in an optimum combination of parameters to create artificial beachrocks, native bacteria, native sediment, bad shorting sediment, 0.5 M CaCl2 and Urea. Overall, this work has shown that beachrocks should be studied with a multiproxy approach, using geomorphological, geochemical, and mineralogical methodologies. In this way, confusion with other lithologies (such as sandstone) is avoided, their formation environment is accurately determined, and they can be used as geomorphological indicators of past sea levels. Regarding artificial beachrocks, this work has shown that artificial beachrocks may lead to a new era of soft engineering methods, through which we can imitate the natural beachrocks as breakwaters.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να μελετήσει τη γεωμορφολογία και τη μικρομορφολογία των φυσικών ακτόλιθων ώστε να αποκαλύψει τον μηχανισμό σχηματισμού τους και να μιμηθεί τις φυσικές διεργασίες με στόχο τη δημιουργία τεχνητών ακτόλιθων. Απώτερος στόχος είναι η προστασία των ευάλωτων αμμωδών παραλιών από τη παράκτια διάβρωση με τη χρήση μιας νέας ήπιας μεθόδου προστασίας. Αυτό το διδακτορικό επικεντρώνεται στον μηχανισμό σχηματισμού ακτόλιθων μέσω της σύγκρισης των χαρακτηριστικών του συνδετικού τους υλικού, της χημείας ορυκτών και της κοκκομετρίας των ακτόλιθων από διαφορετικές γεωλογικές και γεωγραφικές τοποθεσίες της Ελλάδας, της Κύπρου και της Οκινάουα της Ιαπωνίας. Προκειμένου να διερευνηθεί η προτεινόμενο ήπιας μέθοδος για την προστασία των ακτών από τη διάβρωση, δημιουργήθηκαν in vitro δείγματα τεχνητών ακτόλιθων με τη χρήση δειγμάτων άμμου και ουρεολυτικών βακτηρίων και από δύο περιοχές της Ελλάδας, υπό συνθήκες επιτάχυνσης. Γεωμορφολογικές παρατηρήσεις κατά τη διάρκεια των εργασιών πεδίου έχουν αποδείξει ότι οι ακτόλιθοι σε πολλές περιπτώσεις παίζουν το ρόλο του προστατευτικού μηχανισμού κατά της διάβρωσης των ακτών. Στη βόρεια Νάξο, μια μέρα με αέρα γεννήθηκε η ιδέα να ακολουθήσουμε το παράδειγμα της φύσης, καθώς τα μεγάλα κύματα δεν μπορούσαν να φτάσουν στην ακτή λόγω των ακτόλιθων που είχαν το ρόλο του φυσικού κυματοθραύστη. Έτσι μιμούμενοι τη φύση δημιουργήθηκε μία νέα λύση ενάντια στους παράκτιους κινδύνους. Παρόλο που υπάρχουν πολλές μελέτες σχετικά με τους ακτόλιθους, με διαφορετικό υπόβαθρο, μεθοδολογίες και στόχους, δεν υπήρχε ομοιογενής συγκροτημένη μεθοδολογία που θα μπορούσε να συμβάλει στην κατανόηση των μηχανισμών σχηματισμού ακτόλιθων ή του διαγενετικού τους περιβάλλοντος. Για το λόγο αυτό, πραγματοποιήθηκε ανάλυση πολλαπλών τύπων δεδομένων σε ακτόλιθους από 13 περιοχές μελέτης της Ελλάδας, της Κύπρου και της Οκινάουα, Ιαπωνίας, οι οποίες έχουν διαφορετικά γεωλογικά, γεωμορφολογικά και φυσικογεωγραφικά χαρακτηριστικά, καθώς και διαφορετική παροχή ιζημάτων και διαφορετική κοκκομετρία. Πραγματοποιήθηκαν λεπτομερείς εργασίες πεδίου στην ακτή αλλά και υποβρύχια. Ελήφθησαν δείγματα ακτόλιθων για ορυκτολογική και γεωχημική ανάλυση για την κατανόηση της δομής των ακτόλιθων. Μελετήθηκε η μικρομορφολογία του συνδετικού υλικού για τον προσδιορισμό του τύπου του και τον προσδιορισμό της χωρικής σχέσης μεταξύ της παλαιάς ακτογραμμής και της ζώνης σχηματισμού πετρωμάτων. Επιλεγμένα δείγματα συλλέχθηκαν για χρονολόγηση με χρήση OSL χρονολόγησης χαλαζία. Από επιλεγμένες περιοχές λήφθηκαν δείγματα άμμου και νερού για μικροβιολογική ανάλυση και τον εντοπισμό ουρεολυτικών βακτηρίων, τα οποία ήταν απαραίτητα για την εφαρμογή της Μικροβιακά Προκαλούμενης Ανθρακικής Κατακρήμνισης (MICP) για τη δημιουργία αντίστοιχων τεχνητών ακτόλιθων in-vitro. Τα δείγματα τεχνητών πετρωμάτων αναλύθηκαν για τις μηχανικές, ορυκτολογικές και γεωχημικές τους ιδιότητες. Η γεωμορφολογική, ορυκτολογική και γεωχημική ανάλυση των ακτόλιθων έδειξε ότι οι ακτόλιθοι της Διόλκου, του Πόρτο Ράφτη, της Αιδηψού, της Νάξου και της Πάρου σχηματίστηκαν μεταξύ άνω και μέσω παλιρροιακής ζώνης και αποτελούνται από υπολειμματικά υλικά που προέρχεται από το μητρικό πέτρωμα. Οι ακτόλιθοι της Οκινάουα σχηματίστηκαν επίσης στην άνω έως μέσω παλιρροιακή ζώνη και αποτελούνται από άμμο, κοραλλιογενή άμμο και θραύσματα τρηματοφόρων. Οι ακτόλιθοι που σχηματίστηκαν στη μέσω παλιρροιακή ζώνη ήταν αυτοί που εντοπίστηκαν στη Σκύρο, την Ψάθα, το Κατάκολο, τη Σαλαμίνα και τη Ρόδο. Οι ακτόλιθοι της Λευκάδας και της Κύπρου σχηματίστηκαν στην υποπαλιρροϊκή έως μεσαία μεσοπαλιρροιακή ζώνη. Οι υποπαλιρροϊκοί-μέσω παλιρροιακοί ακτόλιθοι σχηματίστηκαν σε περιοχές με λιθολογίες υψηλής περιεκτικότητας σε Mg και Cal, δηλαδή στην Κύπρο (ηφαιστειακά πετρώματα) και στη Λευκάδα (ασβεστόλιθος). Όλες οι παραλίες ήταν μέρος ενός καλά ανεπτυγμένου υδρογραφικού δικτύου το οποίο διέθετε γλυκό νερό. Οι γεωμορφολογικές παρατηρήσεις έδειξαν ότι σε περιοχές με πολλαπλές γεννεές ακτολίθων, οι ακτόλιθοι είχαν περισσότερες ασυνέχειες, οι οποίες ήταν κυρίως βυθισμένες ή στο επίπεδο της θάλασσας. Οι θραυσμένοι ακτόλιθοι δείχνουν ότι απορροφούν την ενέργεια των κυμάτων πριν φτάσει στην αμμώδη παραλία. Αντίθετα, οι ανυψωμένοι ακτόλιθοι βρέθηκαν πιο διατηρημένοι. Η ανάπτυξη των ακτόλιθοων παύει όταν η παροχή ιζημάτων διαταράσσεται λόγω ανθρώπινης δραστηριότητας ή άλλων φυσικών αιτιών και οι παράκτιες γεωμορφολογικές διεργασίες επηρεάζουν την ανάπτυξη των ακτόλιθοι (π.χ. Δίολκος). Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι η μεγαλύτερη περίοδος κορεσμού σε νερό και η παροχή ασβεστίου μαγνησίου μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη ακτολιθων με μεγαλύτερο πάχος. Όταν τα χαλίκια ενσωματώνονται σε ακτόλιθους δημιουργείται περισσότερο πορώδες βοηθώντας τον σχηματισμό συνδετικού υλικού matrix που έχει ως αποτέλεσμα την καλύτερη στερεοποίηση (π.χ. Σαλαμίνα, Ψαθά). Η μορφολογία και ο τύπος της παραλίας (προστατευόμενη/ανοιχτή) δεν παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του πετρώματος παρά των φυσικοχημικών παραγόντων. Σε περιοχές όπου καταστρέφονται οι ακτόλιθοι (π.χ. Σαλαμίνα, Πάρος, Αιδηψός) η μορφολογία της παραλίας υποδηλώνει υποχώρηση. Τα πειράματα των τεχνητών ακτόλιθων συνέβαλαν στην υλοποίηση της ιδέας ότι οι τεχνητοί ακτόλιθοι είναι μια πιθανή φυσική μεθοδολογία για την προστασία των ακτών. Ελέγχονται από τον τύπο του μεταβολισμού των βακτηρίων. Διαπιστώθηκε ότι οι τεχνητοί ακτόλιθοι ήταν πιο ευνοϊκοί σε κακώς ταξινομημένο ιζήματα (πορώδες). Η αργή κυκλοφορία των θρεπτικών συστατικών μπορεί να επηρεάσει την καλύτερη δημιουργία τεχνητών ακτόλιθων. Η περίπτωση βακτηρίων Micrococcus Yunnanensis sp. αναπτύσσει καλύτερους κρυστάλλους και οδηγεί σε καλύτερη συγκόλληση έναντι των Virgibacillus sp. Τα εγγενή βακτήρια απέδωσαν καλύτερα με το φυσικό ίζημα καθώς δημιούργησαν δείγματα με UCS ίσο με 4-5 MPa. Η ανάλυση οδήγησε σε έναν βέλτιστο συνδυασμό παραμέτρων για τη δημιουργία τεχνητών πετρωμάτων παραλίας, ιθαγενών βακτηρίων, εγγενών ιζημάτων, ιζήματος κακής ταξινόμησης, 0,5 M CaCl2 και ουρίας. Συνολικά, αυτή η εργασία έδειξε ότι οι ακτόλιθοι θα πρέπει να μελετούνται με μια προσέγγιση πολλαπλών προσεγγίσεων, χρησιμοποιώντας γεωμορφολογικές, γεωχημικές και ορυκτολογικές μεθοδολογίες. Με αυτόν τον τρόπο, αποφεύγεται η σύγχυση με άλλες λιθολογίες (όπως ψαμμίτη), προσδιορίζοντας με ακρίβεια το περιβάλλον σχηματισμού τους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως γεωμορφολογικοί δείκτες παλαιών ακτογραμμών. Όσον αφορά τους τεχνητούς ακτόλιθους, αυτή η διατριβή έδειξε ότι οι τεχνητοί ακτόλιθοι μπορούν να οδηγήσουν σε μια νέα εποχή μεθόδων ήπιας μηχανικής, μέσω της οποίας μπορούμε να μιμηθούμε τους φυσικούς ακτόλιθους ως κυματοθραύστες