Bianca Rimoldi

Deep-sea tsunami deposits in the eastern Mediterranean: New evidence and depositional models

The tsunami wave induced by the collapse of the Santorini caldera after the Bronze age (Minoan) eruption (3500 BP) produced turbidites and large volume mega-turbidites in the abyssal plains of the Ionian Sea as well as on the floor of small basins of the Mediterranean and Calabrian Ridges, characterized by the so-called ‘Cobblestone Topography’. Since the first discovery in 1978, a Holocene mud layer which has been termed ‘homogenite’ and which typically shows a graded interval at its base, has been identified and correlated in over 50 deep-sea cores recovered in the eastern Mediterranean. Four types of ‘homogenite’ can be distinguished, each related to a particular depositional setting: 1. (a) ‘Closed Cobblestone’: these are from a few decimetres to several metres thick pelagic turbidites of local provenance, exclusively found at the bottom of small-sized ponded basins of the Mediterranean and Calabrian ridges. A debris flow may be present at the base of the turbidite where the vertical relief of the basins is over 200 m. 2. (b) ‘Abyssal Plain’: a 10 to 20-m thick megaturbidite recorded in the Ionian and Sirte abyssal plains. The source area is the African continental margin, possibly the continental shelf; it can be easily identified as a transparent acoustic layer that shows recent deformation across the deformation front of the Mediterranean Ridge accretionary prism. The volume of the Minoan ‘homogenite’ in the Ionian Abyssal Plain has been calculated at a minimum of 11 km3. 3. (c) ‘Open Cobblestone’: this type is exclusively found on the outer slope of the Mediterranean Ridge, near the deformation front. Unlike types (a) and (b), the base of the turbidite here is erosional instead of depositional. This ‘homogenite’ has been deposited in small basins, and occasionally on topographic highs of the Mediterranean Ridge by the up-slope flow of turbidity currents of African provenance that formed the abyssal plain deposit (type b). 4. (d) A fourth depositional model has been identified: homogenites present in deep anoxic basins of the Mediterranean Ridge. This setting is substantially similar to type (a), but the vertical relief of the basin is much higher (up to 800 m) and the deposition occurs in high-density anoxic brines which modify the settling rate and hence the resulting sedimentological characters.

Geological and geophysical evidence for a holocene tsunami deposit in the astern Mediterranean deep-sea record

Abstract Extended geological and geophysical exploration of basinal settings in different areas of the eastern Mediterranean demonstrate the existence of a Holocene mud layer several metres in thickness (up to more than 20 m) and typically showing a graded basal part. The event producing this peculiar deposit is correlated with the gigantic ‘Bronze Age’ or Minoan eruption of the Santorini volcano (3500 years BP), which resulted in caldera collapse and supposedly produced a strong seismic sea-wave, that is a tsunami. Order of magnitude calculations demonstrate that the wave speed was sufficient to induce erosion and liquefaction of the soft unconsolidated sediments draping the deep-sea floor. The event is recorded in over 50 deep-sea cores recovered in the last 20 years which contain the fine grained ‘Homogenite’ layer starting with a fining-upwards sandy base and having a thickness of more than 24 m in the Sirte Abyssal Plain area. Several depositional models related to setting and source areas and based on thickness, composition, carbonate content and sedimentary structures of the deposits have been proposed.

Prehistoric mega-tsunami in the eastern Mediterranean and its sedimentary response

The volcanic island of Santorini that belongs to the trench-arc-backarc Aegean system of the eastern Mediterranean underwent a catastrophic eruption in the Bronze age (circa 3500 y BP), with caldera collapse and creation of a tsunami wave that was funnelled westward. The sedimentary response to this exceptional event in the deep sea was the deposition of resediments called Homogenites. The data set available after almost thirty years of active research consists of 60 sediment cores, including several giant piston cores up to 30 meters long, raised from water depths ranging from 4100 to 2500 m in discrete parts of the Ionian Sea. Two types of Homogenite are recognized. Type A Homogenite consists of pelagic turbidites typically recorded in the Calabrian Ridge and in the western Mediterranean Ridge accretionary prisms, characterized by the «cobblestone topography», only in lows or basinal settings. Their stratigraphic position consistently above the Holocene sapropel S-1 and the depositional base are interpreted as the result of liquefaction of the unconsolidated pelagic sediments draping the nearby slopes caused by the tsunami waves, followed by downslope movement and settling. Type B Homogenite is a megaturbidite of African provenance that expanded throughout the Messina and Sirte abyssal plains originating an up to 24 m thick surficial acoustically-transparent layer calibrated by coring. Type B Homogenite has a coarse and thick sandy base consisting of bioclasts deriving from the continental shelf of North Africa and is interpreted as triggered by the tsunami wave reaching the Sirte Gulf. The Dec. 26, 2004 megatsunami that hit the coastlines of SE Asia provides a real world example of how sediment dispersal can be triggered by a series of gigantic waves. Megaturbidites similar in thickness to Type B Homogenite have been recorded in all the abyssal plains of the Mediterranean, both west and east of the Ionian basin, but their age is older (late Pleistocene) and their emplacement occurred during low sea-level stands corresponding to the last glaciation. The occurrence of a Holocene megabed, postdating the Climatic Optimum, is a paradox in a paleoclimatic scenario. An exceptional event, as the megatsunami originated by the collapse of the Santorini caldera is required.RiassuntoL’isola vulcanica di Santorini, che fa parte del sistema arco-fossa-bacino di retroarco del Mare Egeo, ha subito una eruzione devastante nell’età del Bronzo (circa 3500 anni fa) con collasso della caldera e creazione di un’onda di tsunami che è stata convogliata in prevalenza verso ovest. La risposta sedimentaria a questo evento eccezionale in mare profondo è stata la mobilizzazione e la rideposizione di sedimenti, chiamati Omogeniti. Dopo quasi trent’anni di ricerca attiva, il data set consiste di 60 carote di mare profondo, comprese diverse carote giganti lunghe fino a 30 metri, raccolte da profondità comprese fra 4100 e 2500 m. Vengono distinti due tipi di Omogeniti. L’Omogenite di Tipo A è costituita da torbiditi pelagiche di provenienza locale che si trovano nelle depressioni dei prismi di accrezione della Dorsale Calabra e della Dorsale Mediterranea caratterizzati dalla cosiddetta «Topografia a Cobblestone». La posizione stratigrafica a tetto del sapropel S-1 olocenico e la base deposizionale sono interpretate come il risultato della liquefazione dei sedimenti pelagici che ricoprivano i pendii circostanti causata dal passaggio dell’onda di tsunami seguita dalla deposizione al fondo dei piccoli bacini sospesi. L’Omogenite di Tipo B è invece una megatorbidite di provenienza africana che si è espansa al fondo delle ampie piane abissali di Messina e della Sirte dando origine a uno strato trasparente superficiale, spesso fino a 24 m, calibrato dai carotaggi. L’Omogenite di Tipo B ha una base spessa e grossolana, costituita da bioclasti provenienti dalla piattaforma continentale nordafricana, ed è interpretata come provocata dalle onde superficiali dello tsunami che hanno raggiunto il golfo della Sirte. Il megatsunami del 26 dicembre 2004, che ha colpito le coste del SE asiatico, fornisce un esempio reale di come la dispersione dei sedimenti possa essere influenzata da onde gigantesche. Megatorbiditi di spessore simile a quello dell’Omogenite di Tipo B sono state documentate in tutte le piane abissali del Mediterraneo, sia a ovest che a est del Mare Ionio, ma la loro età è più antica (Pleistocene superiore) e la loro messa in posto è avvenuta durante stazionamenti bassi del livello del mare, corrispondenti all’ultima glaciazione. La presenza di una megatoribidite nell’Olocene, in un periodo di alto livello del mare, è un paradosso in uno scenario paleoclimatico: occorre un evento eccezionale come il megatsunami provocato dal collasso della caldera di Santorini per spiegame l’esistenza.

Sedimenti torbiditici in ambienti anossici del mediterraneo orientale: Carota kc06b (bacino libeccio). Risultati preliminari

Three long cores containing more than 20 meters of homogeneous anoxic mud and muddy sand were recovered in the Bannock Basin area during the MAST Marflux MD69 integrated European expedition. Grain size analyses, organic carbon and calcium carbonate content determinations, microscopical investigation carried on the sand and mud fractions allow to identify four main turbiditic events within core KC06B, raised from the depocenter of the deep Libeccio Basin, filled by dense, hypersaline brines. The 13.30-meters-thick turbidite occuring in the core is thought to be correlatable to the Bronze Age Homogenite related to the tsunami originating in Santorini 3500 B.P. This deposit shows a 3-meters-thick sandy base, with a planar, depositional contact; both the homogeneous mud and the sand contain typical anoxic environment materials such as gelatinous pellicles fragments, siliceous plankton and centimetric gypsum crystals. A fourth depositional model can thus be added to the previous three described by Cita and Camerlenghi (1984) for the Homogenite: the tsunami waves triggered turbidity currents that crossed and destroyed the interface separating normal seawater from the brines, dragging pellicles, organic matter and gypsum crystals towards the bottom. These conditions would not have been completely restored yet.RlassuntoTre lunghe carote, contenenti più di 20 metri ciascuna di fango e sabbia fangosa omogenei ed anossici, sono state recuperate nell’area del Bacino Bannock durante la crociera MD69 facente parte del progetto Europeo MAST Marflux. Analisi granulometriche, analisi del contenuto in carbonio organico e carbonato di calcio, studio microscopico della sabbia e frazione fine hanno permesso di individuare la presenza di quattro eventi torbiditici principali all’interno della carota KC06B, prclevata dal fondo del Bacino Libeccio, contenente dense salamoie. La torbidite di 13.30 metri rinvenuta nella carota si pensa sia correlabile con l’Homogenite dell’età del bronzo geneticamente collegata allo tsunami originatosi dall’isola di Santorini circa 3500 anni fa. In questo deposito la base sabbiosa ha uno spessore di 3 metri, con un contatto basale planare e deposizionale; sia la frazione sabbiosa che il fango contengono elementi tipici dcll’ambiente anossico, quali brandelli di pellicole gelatinose, plancton siliceo e cristalli di gesso centimetrici. Si è così individuato un quarto modello deposizionale per l’Homogenite da aggiungere ai tre già individual da Cita c Camerlenghi (1984): le onde di tsunami passando avrebbero innescato correnti di torbidità che avrebbero attraversato e distrutto l’interfaccia acqua marina normale-salamoie, trascinando pellicole, materia organica e cristalli di gesso verso il fondo, e provocando un cambiamento nelle particolari condizioni del bacino. Queste condizioni non si sarebbero ancora interamente ripristinate.Tre lunghe carote, contenenti piu di 20 metri ciascuna di fango e sabbia fangosa omogenei ed anossici, sono state recuperate nell’area del Bacino Bannock durante la crociera MD69 facente parte del progetto Europeo MAST Marflux. Analisi granulometriche, analisi del contenuto in carbonio organico e carbonato di calcio, studio microscopico della sabbia e frazione fine hanno permesso di individuare la presenza di quattro eventi torbiditici principali all’interno della carota KC06B, prclevata dal fondo del Bacino Libeccio, contenente dense salamoie. La torbidite di 13.30 metri rinvenuta nella carota si pensa sia correlabile con l’Homogenite dell’eta del bronzo geneticamente collegata allo tsunami originatosi dall’isola di Santorini circa 3500 anni fa. In questo deposito la base sabbiosa ha uno spessore di 3 metri, con un contatto basale planare e deposizionale; sia la frazione sabbiosa che il fango contengono elementi tipici dcll’ambiente anossico, quali brandelli di pellicole gelatinose, plancton siliceo e cristalli di gesso centimetrici. Si e cosi individuato un quarto modello deposizionale per l’Homogenite da aggiungere ai tre gia individual da Cita c Camerlenghi (1984): le onde di tsunami passando avrebbero innescato correnti di torbidita che avrebbero attraversato e distrutto l’interfaccia acqua marina normale-salamoie, trascinando pellicole, materia organica e cristalli di gesso verso il fondo, e provocando un cambiamento nelle particolari condizioni del bacino. Queste condizioni non si sarebbero ancora interamente ripristinate.

Deep sea turbidites in brine-filled anoxic basins of the Mediterranean Ridge. Depositional models based on sedimentological and geochemical characterization

The detailed sedimentological and geochemical study of four long piston cores collected from the Bannock Libeccio, Bannock Scirocco, Tyro and Urania basins (eastern Mediterranean) lead to the distinction of two basic types of muddy turbidites, one of grey color, the other of green. Individual turbidites are several meters thick, up to 13.30 meters for the mid Holocene Homogenite related to the Santorini tsunami. A conceptual model was presented soon after the first discovery of the deep-seated brines related to submarine dissolution of Messinian evaporites, some twenty years ago: the turbid flow triggered by seismic events and/or by seismically induced tsunami, when reaching the pycnocline that separates the high density anoxic brines from normal sea-water, was split in two parts, one running above the interface, the other breaking it and descending along the basin slope. The model was tested with flume experiment in a tank, and applies to both types of turbidites. The green turbidites are richer in organic C, rare and trace elements and in siliceous plankton, and prevail in the lower portion of the cores, pre-dating the Homogenite event. The grey turbidites are characteristic of the Homogenite and of the lower part of the cores: they record a strong mixing of fine sediments whose source area was above the brine top layer and the bacterial pellicles that characterize the interface. An interplay ofa) the original composition of the source sediment,b) the density and chemical composition of the fluid, andc) of the basin size and configuration controls the depositional models in this complex part of the Mediterranean Ridge. The core collected from the deepest part of the Urania Basin (pit) is strongly different. Early diagenesis, encrustations of fossil shells, and sulphur nodules characterize this core. The anomaly is accounted for by the expulsion of fluids of deep origin along a fault plane. The very high temperatures measured in the Urania pit support this interpretation.RiassuntoLo studio dettagliato di quattro lunghe carote a pistone prelevate in altrettanti bacini anossici profondi ha permesso di caratterizzare e distinguere due tipi di torbiditi fangose, entrambe a granulometria fine: una di colore grigio, l’altra di colore verde. Le singole torbiditi hanno spessori di diversi metri, fino a un massimo di 13,30 m per quella interpretata come originata dallo tsunami di Santorini (Homogenite). Un modello concettuale presentato subito dopo la scoperta dei bacini anossici sovrasalati prevedeva che il flusso torbido si dividesse in due parti nel raggiungere la marcata interfaccia che separa le salamoie profonde dall’acqua marina normale. Il modello è stato verificato con esperimenti in vasca e si applica a entrambe i tipi di torbiditi. Quelle verdi, più ricche in carbonio organico, in elementi in tracce e in plancton siliceo, sono prevalenti nelle porzioni più profonde delle carote. Quelle grigie sono tipiche delle Omogeniti e denotano un rimescolamento profondo del materiale originariamente deposto al di sopra dell’interfaccia e delle pellicole microbiche mucillaginose caratteristiche di quest’ultima. La densità del mezzo, la composizione del materiale di origine oltre che le dimensioni del bacino intervengono nel controllare la sedimentazione torbiditica in questa complessa parte della Dorsale Mediterranea caratterizzata da alta sismicità e soggetta a tsunami. Nella parte più profonda del Bacino Urania intervengono altri fattori a disturbare la sedimentazione torbiditica. Le alte temperature registrate e l’espulsione di fluidi di provenienza profonda, risaliti lungo piani di faglia, determinano anomalie sedimentologiche e geochimiche quali diagenesi precoce, incrostazioni di gusci fossili, presenza di noduli di zolfo.