Water-Loaded Depth and Terrestrial Heat Flow of the Eastern Mediterranean Sea

I investigated the nature of the lithosphere of the Mediterranean Sea from the Ionian to the Levantine basins. My approach relies on a geophysical methodology that combines the analysis of terrestrial heat flow information with data of bathymetry, sediment and crustal thickness derived from both global models and high-resolution local measurements. Correction for sedimentation and climatic changes were applied to infer the purely conductive steady-state geothermal flow. Bathymetric data were processed by removing subsidence caused by sediment deposition to obtain the water-loaded seafloor depth (WLD) also known as total tectonic subsidence. To remove the sediment-load effect, I used porosity and density data corrected for the rebound effect and available from offshore drillings. For deeper, highly compacted sediment layers, density was obtained by converting seismic velocities. For each of the main sedimentary basins, a bulk-density variation curve as a function of depth was determined. Subsequently, sediment correction curves were generated and used to infer the water-loaded depth of each basin. An additional crustal correction was applied to the basins of likely oceanic nature. The resulting thermal data and water-loaded seafloor depths were then compared to reference models of continental stretching and ocean plate cooling to investigate the nature of the lithosphere and to understand seabed features that do not simply derive from cooling but can account for mantle dynamics. Such an approach is applicable where large wavelength free-air gravity anomalies occur, i.e., differently from zones of subduction, flexural moats and seamounts deriving from local tectonic events unrelated to lithosphere stretching and cooling. The results argue that the Levantine Basin is floored by a continental crust that stretched by a factor of 2.5. This basin could have reached thermal equilibrium, and thus the surface heat flow does not show any enhancement caused by extension. WLD of 6 km in the Ionian Basin and 7.2 km in the Herodotus Basin support an old lithosphere of oceanic type. By adopting as reference the plate cooling model, the residual bathymetry, i.e., the difference between the bathymetry predicted by the model and the estimated WLD, is negative, namely -0.4 km in the Ionian Basin and -1.6 km in the Herodotus Basin. However, the observed heat flow does not match that predicted by the plate model. The half-space cooling model seems in better agreement with the heat flow data but fails in predicting WLD and the corresponding residual bathymetry is positive. The residual bathymetry estimated with the plate model is consistent with free-air gravity data and could be evidence of the presence of a colder and thick lithosphere in the Ionian and Herodotus basins sinking in the asthenosphere. This is consistent with the low heat flow observed in the whole Eastern Mediterranean Sea.

In questa ricerca ho studiato la natura della litosfera del Mediterraneo orientale tra i bacini Ionico e Levantino. L’approccio che ho utilizzato è basato su una metodologia geofisica che combina l’analisi del flusso termico terrestre con dati batimetrici, di spessore crostale e sedimentario, derivanti da modelli globali e misurazioni locali ad alta risoluzione. Una correzione per gli effetti dovuti ai cambiamenti climatici e alla sedimentazione è stata applicata per dedurre il flusso geotermico stazionario e puramente conduttivo. I dati batimetrici sono stati elaborati rimuovendo la subsidenza causata dalla deposizione dei sedimenti per ottenere la profondità del fondale per il solo effetto di carico dell’acqua (WLD) anche detta subsidenza tettonica totale. Per rimuovere l’effetto del carico sedimentario, ho impiegato dati di porosità e di densità provenienti da perforazioni marine e corretti per l’effetto “rebound”. Per gli strati sedimentari posti più in profondità, la densità dei sedimenti è stata ottenuta tramite la conversione delle velocità sismiche. Per ognuno dei principali bacini sedimentari è stata determinata la curva di variazione della densità apparente in funzione della profondità. Successivamente sono state prodotte le curve di correzione sedimentaria ed usate per trovare la WLD caratteristica di ogni bacino. Un’ulteriore correzione crostale è stata applicata ai bacini di probabile natura oceanica. I dati termici e la WLD sono stati comparati a modelli di riferimento di stiramento continentale e di raffreddamento di placca oceanica con l’obiettivo di analizzare la natura della litosfera e di capire le caratteristiche del fondale marino che non sono semplicemente derivanti dal raffreddamento e subsidenza della litosfera, ma da processi dinamici del mantello. Tale approccio è applicabile in aree dove le anomalie di gravità di aria libera sono di grande lunghezza, cioè diversamente dalle zone di subduzione, di fossa causate da piegamento elastico e da montagne sottomarine derivanti da eventi tettonici locali diversi dallo stiramento e dal raffreddamento della litosfera. I risultati ottenuti indicano che il fondale del bacino Levantino è costituito da una crosta continentale che si è stirata di un fattore di 2,5. Questo bacino potrebbe aver ormai raggiunto l'equilibrio termico, e quindi il flusso di calore superficiale non mostra alcun effetto causato dall'estensione. WLD di 6 km nello Ionio e 7.2 km nell'Erodoto sono a favore di una litosfera vecchia, di tipo oceanico. Adottando come riferimento il modello di raffreddamento della placca, la batimetria residua, cioè la differenza tra la batimetria prevista dal modello e il WLD stimato, è negativa, ovvero - 0.4 km nello Ionio e - 1.6 km nell'Erodoto. Tuttavia, il flusso di calore osservato non corrisponde a quello previsto dal modello della placca. Il modello di raffreddamento di un semi-spazio sembra in migliore accordo con i dati sul flusso di calore, ma non riesce a prevedere WLD e la corrispondente batimetria residua è positiva. La batimetria residua stimata con il modello di raffreddamento della placca oceanica è coerente con i dati di gravità e potrebbe essere la prova della presenza di una litosfera più fredda e spessa nello Ionio e nel bacino di Erodoto che affonda nell'astenosfera. Ciò è coerente con il basso flusso di calore osservato in tutto il Mar Mediterraneo orientale.