DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-01171-z
تاريخ النشر: 2024-01-15
المؤلف: T. H. Druitt وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الزلازل والتكتونيات
نظرة عامة
تناقش هذه القسم النتائج من بعثة IODP 398، التي كشفت عن رواسب كبيرة من البوميس الريوليتية تشكلت منذ حوالي 520 ± 10 ألف سنة خلال ثوران بركاني كبير تحت البحر. أدى الثوران إلى توليد تيارات بركانية دخلت الأحواض البحرية، مما أدى إلى تشكيل ميغاتوربيديت بركاني يتجاوز حجمه 89 ± 8 كم³ ويصل سمكه إلى 150 مترًا. بالإضافة إلى ذلك، اخترق عمود الثوران سطح البحر، مما أدى إلى ترسيب طبقات من الإغنيمبرايت على ثلاث جزر قريبة.
تؤكد الدراسة على المخاطر الكبيرة التي تشكلها الثورات البركانية الانفجارية في البيئات البحرية، وخاصة في أقواس الجزر، حيث يمكن أن يكون لهذه الأحداث تأثيرات عميقة على النظم البيئية والمجتمعات الساحلية. توفر النتائج رؤى حاسمة لتقييم المخاطر المتعلقة بالمخاطر البركانية، مما يبرز الحاجة إلى سجلات جيولوجية شاملة لفهم التهديدات المحتملة من ثورات مستقبلية مماثلة.
الطرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة خلال بعثة IODP 398، التي جرت من 11 ديسمبر 2022 إلى 10 فبراير 2023. تضمنت البعثة حفر أعماق البحر في اثني عشر موقعًا ضمن حقل كريستينا-سانتوريني-كولومبو البركاني (CSKVF)، مع التركيز على استعادة تاف الأركيوس من سبعة مواقع محددة. تم إجراء الحفر باستخدام تقنيات حفر المكبس المتقدمة، مع أقطار نوى تبلغ 6.2 سم وعمق يصل إلى حوالي 50 م بين الثقوب. على الرغم من بعض الشكوك في عمق الرواسب بسبب مشاكل استعادة النوى، فإن الارتباط بين النوى والزلازل سمح بتحديد العمق بدقة. تم إجراء قياسات الخصائص الفيزيائية على متن السفينة، وتم تسجيل النوى باستخدام مصطلحات بركانية قياسية، مع الأخذ في الاعتبار مختلف عيوب الحفر. بالإضافة إلى ذلك، تم جمع عينات للتحليل الكيميائي والمعدني، جنبًا إلى جنب مع عينات الرواسب الكلية للدراسات الميكروباليوانتولوجية.
تم توليد البيانات البيانية من خلال دمج مصادر متعددة، بما في ذلك بيانات ASTER المستمدة من الأقمار الصناعية وDEMs المستمدة من المجتمع، مما أسفر عن نموذج ارتفاع رقمي (DEM) بدقة جانبية تبلغ 20 م. تم جمع هذه البيانات باستخدام أجهزة صدى متعددة الشعاع المتقدمة على متن السفن R/V Aegaeo وR/V Marcus G. Langseth. تضمنت الأعمال الميدانية على اليابسة إعادة زيارة مواقع تاف الأركيوس على جزر كريستينا وسانتوريني وأناف، حيث تم جمع عينات جديدة من البوميس للتحليل الكيميائي. أشارت الدراسات السابقة إلى أن تاف الأركيوس نتج عن حدث إغنيمبرايت كبير في التاريخ المبكر لمجموعة سانتوريني البركانية، وهو استنتاج تدعمه نتائج هذه البعثة.
النتائج
تحدد الأبحاث رواسب بركانية جديدة تُسمى تاف الأركيوس، تم أخذ عينات منها من سبعة مواقع حفر حول سانتوريني، مع استعادة النوى تتراوح من أقل من 1% إلى 88%. تظهر الرواسب اختلافات كبيرة في السمك، حيث تكون الأكثر سمكًا في حوض كريستينا (حتى 75 م) والأقل سمكًا في حوض أنهدروس (8 م). تتكون أساسًا من البوميس والرماد، وتظهر الرواسب هيمنة من لابيل البوميس المدعوم بالقطع بالقرب من سانتوريني، بينما يكون الرماد أكثر انتشارًا في المواقع البعيدة. تشير تحليلات حجم الحبيبات إلى أن الرواسب تصنف على أنها لابيل تاف وتاف، مع أقطار متوسطة تتراوح من -1.9 إلى 3.3 فاي ومعاملات فرز إنمان بين 1.4 و2.9 فاي.
تكشف التحليلات الكيميائية أن زجاج الريوليت عالي السيليكا من عينات البوميس متسقة عبر جميع المواقع ومتميزة عن المنتجات البركانية الأخرى في المنطقة، وخاصة تلك الأحدث من 530 كا. يتميز البوميس بمحتوى عالي من الفقاعات (75.9 ± 4.4 حجم%) ومجموعة متنوعة من الفينوكريستات، بما في ذلك البلاجيوكليز والكوارتز. تتكون المكونات الصخرية أساسًا من الحمم البركانية، مع وجود بعض الصخور الخضراء، والحجر الجيري، والجرانيت. تشير النتائج إلى أن تاف الأركيوس مشابه في التركيب للنشاط البركاني السابق في سانتوريني، وخاصة من مراكز أكروتيري المبكرة، مما يدل على تاريخ جيولوجي كبير.
المناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على تاف الأركيوس، وهو رواسب بركانية كبيرة تُفسر على أنها ميغاتوربيديت بركاني ناتج عن ثوران بركاني انفجاري قوي تحت البحر منذ حوالي 520 ± 10 كا. تحدد البيانات البيوستراتغرافية من تجمعات الفيرمينييفر والنانوفوسيلات الكلسية عمر الثوران، بينما تشير معدلات الترسيب وتحليلات الأعماق القديمة إلى أن التاف تم وضعه على أعماق مائية تصل إلى عدة مئات من الأمتار، متوافقة مع الأعماق الحالية للمنطقة. يظهر التاف سمكًا يصل إلى 150 م ويتميز بطبقة فوضوية صوتيًا على الملفات الزلزالية، مما يؤكد أصله البركاني بدلاً من التفسيرات السابقة كوديعة انهيار جماعي.
يُفترض أن الثوران قد أنتج تيارات بركانية تحت البحر وودائع إغنيمبرايت على الجزر القريبة، مع وجود أدلة تشير إلى أن عمود الثوران اخترق سطح البحر بشكل متقطع. تشير النتائج إلى أن ثوران الأركيوس كان عالي الكثافة، مع بصمة جغرافية تتجاوز 3000 كم²، ويُقدّر حجم الرواسب بـ 89 ± 8 كم³، مما يجعلها أكبر رواسب مستمدة من تيارات بركانية في قوس البركان الجنوبي في إيجه. تسلط الدراسة الضوء على أهمية الحفر العميق في فهم التاريخ الانفجاري لأقواس الجزر، كاشفة عن قدرة غير مقدرة سابقًا على النشاط البركاني تحت البحر الخطير، وتقترح وجود كالديرا مدفونة كبيرة تحت الحقل البركاني الحديث.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-01171-z
Publication Date: 2024-01-15
Author(s): T. H. Druitt et al.
Primary Topic: earthquake and tectonic studies
Overview
This section discusses the findings from IODP Expedition 398, which uncovered a significant rhyolitic pumice deposit formed approximately 520 ± 10 thousand years ago during a major shallow submarine eruption of the ancestral Santorini Volcano. The eruption generated pyroclastic currents that entered marine basins, leading to the formation of a volcaniclastic megaturbidite exceeding 89 ± 8 km³ in volume and reaching thicknesses of up to 150 meters. Additionally, the eruption column breached the sea surface, resulting in the deposition of ignimbrite veneers on three nearby islands.
The study emphasizes the substantial risks posed by explosive volcanic eruptions in marine environments, particularly in island arcs, where such events can have profound impacts on ecosystems and coastal communities. The findings provide critical insights for risk assessments related to volcanic hazards, highlighting the need for comprehensive geological records to understand the potential threats from similar future eruptions.
Methods
In this section, the methods employed during IODP Expedition 398, which took place from December 11, 2022, to February 10, 2023, are detailed. The expedition involved deep-sea drilling at twelve sites within the Christiana-Santorini-Kolumbo Volcanic Field (CSKVF), with a focus on recovering the Archaeos Tuff from seven specific sites. Drilling was conducted using Advanced Piston Coring techniques, with core diameters of 6.2 cm and depths of approximately 50 m between holes. Despite some uncertainties in the depth of the deposits due to core recovery issues, core-seismic correlation enabled precise depth determination. Shipboard physical properties measurements were performed, and cores were logged using standard pyroclastic terminology, accounting for various drilling artefacts. Additionally, samples for chemical and mineralogical analysis were collected, alongside bulk sediment samples for micropalaeontological studies.
The bathymetric data were generated by integrating multiple sources, including satellite-derived ASTER data and community-sourced DEMs, resulting in a digital elevation model (DEM) with a lateral resolution of 20 m. This data was collected using advanced multibeam echo sounders on board the R/V Aegaeo and R/V Marcus G. Langseth. Onland fieldwork involved revisiting occurrences of the Archaeos Tuff on the islands of Christiani, Santorini, and Anafi, where new pumice samples were collected for chemical analysis. Previous studies had suggested that the Archaeos Tuff resulted from a significant ignimbrite event in the early history of the Santorini volcanic group, a conclusion that is supported by the findings of this expedition.
Results
The research identifies a newly discovered volcanic deposit named Archaeos Tuff, sampled from seven drill sites around Santorini, with core recoveries varying from less than 1% to 88%. The deposit exhibits significant thickness variations, being most substantial in the Christiana Basin (up to 75 m) and thinnest in the Anhydros Basin (8 m). Composed primarily of pumice and ash, the deposit shows a dominance of clast-supported pumice lapilli near Santorini, while ash is more prevalent at distal sites. Grain-size analysis indicates that the deposits are classified as lapilli tuffs and tuffs, with median diameters ranging from -1.9 to 3.3 phi and Inman sorting coefficients between 1.4 and 2.9 phi.
Chemical analyses reveal that the high-silica rhyolite glasses from the pumice samples are consistent across all sites and distinct from other volcanic products in the region, particularly those younger than 530 ka. The pumice is characterized by a high vesicle content (75.9 ± 4.4 vol%) and a variety of phenocrysts, including plagioclase and quartz. Lithic components primarily consist of lavas, with some greenschists, limestones, and granitoids present. The findings suggest that the Archaeos Tuff is compositionally similar to earlier volcanic activity at Santorini, specifically from the Early Akrotiri centers, indicating a significant geological history.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the Archaeos Tuff, a significant volcanic deposit interpreted as a volcaniclastic megaturbidite resulting from a powerful shallow submarine explosive eruption approximately 520 ± 10 ka ago. Biostratigraphic data from foraminifer and calcareous nannofossil assemblages constrain the eruption age, while sedimentation rates and palaeobathymetric analyses suggest that the tuff was emplaced at water depths of several hundred meters, consistent with the present-day bathymetry of the region. The tuff exhibits a thickness of up to 150 m and is characterized by an acoustically chaotic layer on seismic profiles, confirming its pyroclastic origin rather than previous interpretations as a mass wasting deposit.
The eruption is posited to have generated both submarine pyroclastic currents and subaerial ignimbrite deposits on nearby islands, with evidence indicating that the eruption column breached the sea surface intermittently. The findings suggest that the Archaeos eruption was of high intensity, with a geographic footprint exceeding 3000 km², and the deposit’s volume is estimated at 89 ± 8 km³, making it the largest pyroclastic current-derived deposit in the South Aegean Volcanic Arc. The study highlights the importance of deep drilling in understanding the explosive history of island arcs, revealing a previously underestimated capacity for hazardous submarine volcanism and suggesting the existence of a large buried caldera beneath the modern volcanic field.