High resolution upper quaternary tephrostratigraphy in the southeastern Aegean sea

Abstract

This study presents new chronostratigraphic, sedimentological, and geochemical data to refine the understanding of Upper Quaternary volcanic activity in the Southeast Aegean Volcanic Arc. Four deep-sea sediment gravity cores reaching up to 5m in length were retrieved from key locations: the Kos-Yali-Nisyros complex (cores PAG-12-10 and PAG-12-13) and the submarine region northwest of Karpathos and specifically SE of Syrna islet (M-15-221 and M-15-211). All four cores were examined at high resolution in order to establish a detailed stratigraphic framework for each of them. All cores underwent magnetic susceptibility scanning, lithological logging, and sampling at 0.5-1cm. Carbonate content was measured throughout, while selected intervals were analyzed for textural parameters, grain density, and organic carbon. XRD mineralogical analyses were conducted on selected intervals of the Yali cores. Volcaniclastic-rich samples were further examined for major and minor elements using Electron Microprobe-WDS systems. A total of seventeen samples were dated applying AMS 14C techniques. In the Yali cores, 30 WDS analyses revealed volcaniclastic components linked to various Yali eruptions, including previously undocumented events in the Holocene and a probable detection of the younger expressions of Kamara pyroclastics at 16-17 ka. Yali Upper Pumice is recognized at ~32 ka south of Yali. These predominantly cryptotephra deposits show evidence of marine reworking and bioturbation through deep sea sediment transport and gravity, mostly turbiditic processes as confirmed by granulometric data. In the Syrna cores, tephra layers correspondent to well established eruptions-e.g. Santorini Cape Riva (Y-2), Yali-C, Campanian (Y-5), and Nisyros Upper Pumice-were identified within the upper 50 ka (57 samples analyzed). Notably, this study documents the first marine record of M12 scoria fall members. Specifically in core M-15-221, the deepest of the set, intense turbiditic activity occurs between 60 and 110 ka, marked by tephra layers attributed to Santorini Upper Scoriae 1 and Campanian X-5. Y-4 (Cape Tripiti) horizon is identified within core M-15-211, whereas the Minoan (Z-2) horizon is clearly recognized in both cores from Syrna. Further research is under process on another set of 31 samples in order to acquire more detailed information on the volcanic sequences of these cores. AMS 14C dating establishes a robust chronostratigraphic framework for the investigated cores, with several tephra markers dated independently for the first time. These findings advance the volcanic and sedimentary record of the SE Aegean shedding new light over marine tephra dispersal.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζει νέα χρονοστρωματογραφικά, ιζηματολογικά και γεωχημικά δεδομένα, ώστε να αποσαφηνιστεί η Άνω Τεταρτογενής ηφαιστειακή δραστηριότητα στη νοτιοανατολική απόληξη του Ηφαιστειακού Τόξου του Αιγαίου. Για τον σκοπό αυτόν ανασύρθηκαν τέσσερις πυρήνες βαρύτητας μήκους έως και 5 μ. από τις εξής καίριες θέσεις: το ηφαιστειακό σύμπλεγμα Κω–Γυαλιού–Νισύρου (πυρήνες PAG-12-10 και PAG-12-13) και τον υποθαλάσσιο χώρο βορειοδυτικά της νήσου Καρπάθου, συγκεκριμένα νοτιοανατολικά της νησίδας Σύρνα (πυρήνες Μ-15-221 και Μ-15-211). Και οι τέσσερις πυρήνες εξετάστηκαν σε υψηλή ανάλυση, με στόχο την εγκαθίδρυση ενός λεπτομερούς στρωματογραφικού πλαισίου για τον καθένα. Σάρωση μαγνητικής επιδεκτικότητας, καταγραφή της λιθοστρωματογραφίας και δειγματοληψία ανά 0,5–1 cm πραγματοποιήθηκαν σε όλους του προαναφερθέντες πυρήνες. Η περιεκτικότητα σε ανόργανα ανθρακικά εξετάστηκε σε όλο το μήκος των πυρήνων, ενώ κοκκομετρικές αναλύσεις, μετρήσεις πυκνότητας κόκκων και αναλύσεις οργανικού άνθρακα πραγματοποιήθηκαν σε επιλεγμένα δείγματα. Ορυκτολογικές αναλύσεις Περιθλασιμετρίας Ακτίνων Χ (XRD) εφαρμόστηκαν επίσης σε επιλεγμένα δείγματα από τους πυρήνες που ανασύρθηκαν από την περιοχή πέριξ του Γυαλιού. Τα πλούσια σε ηφαιστειοκλαστικό υλικό δείγματα αναλύθηκαν περαιτέρω για τη μέτρηση της περιεκτικότητάς τους σε κύρια και δευτερεύοντα στοιχεία μέσω της μεθόδου Φασματοσκοπίας Περίθλασης Κυμάτων με χρήση ηλεκτρονικού μικροανιχνευτή (Electron microprobe -WDS analysis). Πραγματοποιήθηκε χρονολόγηση με ισότοπα Άνθρακα 14 μέσω Φασματομετρίας Μάζας Επιταχυντή (AMS 14C) σε συνολικά δεκαεπτά (17) δείγματα ιζημάτων. Στους πυρήνες της περιοχής του Γυαλιού, η γεωχημική ανάλυση (WDS) 30 δειγμάτων ιζήματος αποκάλυψε την περιεκτικότητα σε ηφαιστειοκλαστικό υλικό προερχόμενο από διαφορετικές εκρήξεις του ηφαιστείου του Γυαλιού, συμπεριλαμβανομένων του επικλαστικού ορίζοντα του Γυαλιού και των νεότερων πυροκλαστικών της Καμάρας, με ηλικίες περίπου 16–17 χιλιάδων ετών. Η Ανώτερη Κίσσηρη του Γυαλιού αναγνωρίστηκε στα ~32 χιλιάδες χρόνια πριν από σήμερα, νότια του Γυαλιού. Οι παραπάνω ορίζοντες, κυρίως κρυπτοτέφρας, υποδεικνύουν την επικράτηση διαδικασιών επαναπόθεσης ιζημάτων λόγω της δράσης ιζημάτων βαθιάς θάλασσας, καθώς και βαρυτικών ροών, κυρίως τουρβιδιτών, όπως αποδεικνύεται από τα αποτελέσματα των κοκκομετρικών αναλύσεων. Στους πυρήνες που ελήφθησαν από την περιοχή της Σύρνας, χαρακτηριστικοί ορίζοντες τέφρας που αντιστοιχούν σε καλά τεκμηριωμένες εκρήξεις —π.χ. εκρήξεις του Ακρωτηρίου Ρίβα (Y-2), της Ανώτερης Κίσσηρης Γυαλιού (Yali-C), του Ιγκνιμβρίτη της Καμπανίας (Y-5) και της Ανώτερης Κίσσηρης Νισύρου— ανιχνεύθηκαν εντός των τελευταίων 50 χιλιάδων ετών (57 αναλύσεις). Χαρακτηριστικά, η παρούσα Διατριβή τεκμηριώνει την πρώτη υποθαλάσσια καταγραφή των μελών της υπο-πλινιακής Σκωρίας M12. Ειδικότερα στον πυρήνα M-15-221, τον βαθύτερο της παρούσας μελέτης, παρατηρείται έντονη τουρβιδιτική δραστηριότητα μεταξύ 60 και 110 χιλιάδων ετών, με στρώματα τέφρας που αποδίδονται στην Ανώτερη Σκωρία 1 της Σαντορίνης και στον Ιγκνιμβρίτη της Καμπανίας (X-5). Ο ορίζοντας Y-4 (η υποθαλάσσιο ανάλογο των αποθέσεων του Ακρωτηρίου Τρυπητή) αναγνωρίζεται στον πυρήνα M-15-211, ενώ ο ορίζοντας της Μινωικής έκρηξης (Z-2) αναγνωρίζεται σαφώς και στους δύο πυρήνες της Σύρνας. Περαιτέρω έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη σε ένα σύνολο 31 επιπλέον δειγμάτων, με στόχο την απόκτηση λεπτομερέστερων πληροφοριών για τις ηφαιστειακές ακολουθίες των υπό μελέτη πυρήνων. Η χρονολόγηση AMS 14C θεσπίζει ένα ισχυρό χρονοστρωματογραφικό πλαίσιο για τους εξεταζόμενους πυρήνες, με αρκετούς τεφροστρωματογραφικούς δείκτες να χρονολογούνται ανεξάρτητα για πρώτη φορά. Τα παραπάνω ευρήματα ενισχύουν την γνώση μας για το ηφαιστειο-ιζηματολογικό καθεστώς του ΝΑ Αιγαίου εισφέροντας νέα δεδομένα για την εξάπλωση των οριζόντων ηφαιστειακής τέφρας στην περιοχή.

Cette étude présente de nouvelles données chronostratigraphiques, sédimentologiques et géochimiques visant à clarifier l’activité volcanique du Quaternaire supérieur à l’extrémité sud est de l’Arc volcanique de la mer Égée. À cette fin, quatre carottes de sédiments de type gravity core, d’une longueur maximale de 5 m, ont été prélevées dans des positions clés : le complexe volcanique Kos–Gyali–Nisyros (carottes PAG 12 10 et PAG 12 13) et la zone sous marine au nord ouest de Karpathos, plus précisément au sud est de l’îlot Syrna (carottes M 15 221 et M 15 211). Les quatre carottes ont été étudiées en haute résolution afin d’établir pour chacune un cadre stratigraphique détaillé. Des mesures de susceptibilité magnétique, un enregistrement lithostratigraphique et un échantillonnage tous les 0,5–1 cm ont été réalisés sur l’ensemble des carottes. La teneur en carbonates inorganiques a été analysée sur toute leur longueur, tandis que des analyses granulométriques, des mesures de densité des grains et des analyses du carbone organique ont été effectuées sur des échantillons sélectionnés. Des analyses minéralogiques par diffraction des rayons X (XRD) ont également été appliquées à des échantillons provenant des carottes prélevées autour de Gyali. Les échantillons riches en matériel volcanoclastique ont été analysés plus en détail pour déterminer leur composition en éléments majeurs et mineurs au moyen d’une microsonde électronique (WDS). Une datation par le radiocarbone (AMS 14C) a été réalisée sur dix sept (17) échantillons de sédiments. Dans les carottes de la région de Gyali, l’analyse géochimique (WDS) de 30 échantillons a révélé la présence de matériel volcanoclastique provenant de différentes éruptions du volcan de Gyali, notamment l’horizon épiclastique de Gyali et les dépôts pyroclastiques plus récents de Kamara, datés d’environ 16–17 ka. La ponce supérieure de Gyali a été identifiée à ~32 ka au sud de l’île. Ces horizons, principalement des cryptotéphras, indiquent une prédominance de processus de remaniement liés à la sédimentation en milieu profond ainsi qu’à des courants gravitaires, notamment des turbidites, comme le montrent les résultats granulométriques. Dans les carottes prélevées dans la région de Syrna, des horizons de cendres caractéristiques correspondant à des éruptions bien documentées — par exemple Riva (Y 2), la ponce supérieure de Gyali (Yali C), l’Ignimbrite de Campanie (Y 5) et la ponce supérieure de Nisyros — ont été identifiés dans les 50 derniers millénaires (57 analyses). Notamment, cette thèse documente la première identification sous marine des membres de la scorie sub plinienne M12. Dans la carotte M 15 221, la plus profonde de l’étude, une activité turbiditique intense est observée entre 60 et 110 ka, avec des niveaux de cendres attribués à la Scorie supérieure 1 de Santorin et à l’Ignimbrite de Campanie (X 5). L’horizon Y 4 (équivalent sous marin des dépôts de Trypiti) est identifié dans la carotte M 15 211, tandis que l’horizon de l’éruption minoenne (Z 2) est clairement reconnu dans les deux carottes de Syrna. Des recherches supplémentaires sont en cours sur 31 échantillons additionnels afin d’obtenir des informations plus détaillées sur les séquences volcaniques des carottes étudiées. La datation AMS 14C établit un cadre chronostratigraphique robuste pour les carottes, plusieurs marqueurs téphrostratigraphiques étant datés indépendamment pour la première fois. Ces résultats renforcent notre compréhension du régime volcano sédimentaire du sud est de la mer Égée et apportent de nouvelles données sur la dispersion des horizons de cendres volcaniques dans la région.