Testing optically stimulated luminescence dating on sand-sized quartz of deltaic deposits from the Sperchios delta plain, central Greece

This study reports on the first investigation into the potential of luminescence dating to establish a chronological framework for the depositional sequences of the Sperchios delta plain, central Greece. A series of three borehole cores (20 m deep) and two shallow cores (4 m deep), from across the delta plain, were extracted, and samples were collected for luminescence dating. The luminescence ages of sand-sized quartz grains were obtained from small aliquots of quartz, using the Single-Aliquot Regenerative-dose (SAR) protocol. The equivalent dose determination included a series of tests and the selection of the Minimum Age Model (MAM) as the most appropriate statistical model. This made it possible to confirm the applicability of quartz Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating to establish absolute chronology for deltaic sediments from the Sperchios delta plain.Testing age results of the five cores showed that the deltaic sediments were deposited during the Holocene. A relatively rapid deposition is implied for the top ∼14 m possibly as a result of the deceleration in the rate of the sea-level rise and the transition to terrestrial conditions, while on the deeper parts, the reduced sedimentation rate may indicate a lagoonal or coastal environment

Palaeoenvironmental reconstraction on coastal deposits of south Cyprus using luminescence dating techniques

Absolute dating methods have been developed during the last five decades (Jull and Scott, 2007). The most common methods applied to minerals’ dating are cosmogenic radionuclides, Electron Spin Resonance (ESR) and luminescence techniques. The latter were initially used to date burned minerals from archaeological artefacts (Thermoluminescence (TL) method). However, advancements of this technique led to the development, of the optical dating method (usually referred to as Optically Stimulated Luminescence (OSL)) which is now applied to sediments from various origins (aeolian, fluvial, marine and colluvial) and has been proven to be increasingly advantageous, especially for dating sediments that were deposited since the Late Quaternary (Wintle, 2008).The importance of luminescence dating lies on the fact that the method determines how long ago sediments were last exposed to daylight or heat rather than sediment’s comminution from parent rock which usually took place a very long time before. This characteristic makes luminescence a very advantageous technique in dating sedimentary formations, in which their luminescence signal has restarted during their formation. Sedimentary environments contain amounts of radioactive isotopes of elements such as potassium, uranium and thorium. Their decay produces ionizing radiation which is absorbed by common mineral grains such as quartz and feldspar which are found in the sediments. This radiation is “stored” within the mineral grains in structurally unstable “electron traps”. The trapped radiation “builds up” over time at a rate determined by the amount of the available radiation at the spot where the sample was buried. Stimulating the electon traps using either light or heat causes the release of the trapped radiation and the emission of a luminescence signal, the intensity of which depends on the amount of radiation stored during burial and the specific properties of the mineral. The date of a sample is obtained from the ratio of the palaeodose (the radiation dose that has been accumulated in a sample) to the dose-rate that the sample - to be dated - has been exposed to. Accurate determination of both the palaeodose and the dose-rate is of great importance in luminescence dating. Regarding the determination of the palaeodose, a number of different methodologies are available that can assist in obtaining the best palaeodose estimates (e.g., Olley et al., 1998; Stokes et al., 2001; Lepper and McKeever, 2002, Grün, 1989; Schellmann et al., 2008) which are usually based on their statistical treatment (Galbraith et al., 1999).Regarding the second quantity that has to be determined, in spite of the fact that dose-rate determination has become quite routine in luminescence dating, there still exists a complex situation, due to the conversion of elemental concentrations into dose rates using conversion factors derived from up to date nuclear data as well as updated absorb dose fractions for the different radioelements of materials having different densities.Luminescence dating relies on the assumption that the mineral grains were sufficiently exposed to daylight or heat at the time of the event being dated. For instance, when quartz grains are used, a daylight exposure in the range of 1-100 seconds before burial is considered sufficient to effectively “reset” the OSL chronometer (e.g. Rhodes, 2011). This is usually the case with aeolian deposits. OSL ages using quartz range from 100 to 350000 years BP, and can be reliable when appropriate procedures are used and proper validation checks have been performed. Luminescence dating using feldspar can extend the datable range up to a million years as feldspars have considerably higher dose saturation levels than quartz, however issues regarding “anomalous fading” (signal loss) need to be dealt with first (Rhodes, 2011). This signal loss over burial time often gives rise to significant age underestimation, with many fading correction procedures being developed (e.g., Lamothe and Auclair, 1999; Huntley and Lamothe, 2001) to correct for these underestimations. Luminescence ages are commonly reported with associated errors which reflect random and systematic uncertainties. The uncertainty at one sigma (68 % confidence interval) associated with an OSL age is usually 5-10% of the sample age (Roberts et al., 2015). Despite these limitations, nowadays luminescence dating is considered a key geochronological technique, significantly contributing to our understanding regarding the timing, rates and nature of many palaeoenvironmental processes, and their implications for landform and landscape development. Coastal zones represent complex environments in the transition between sea and land. From a geological viewpoint, coastal zones are very dynamic areas with daily low and high tides as well as sporadic storm events having a high impact on coastal geomorphology. Long term changes are due to rising or falling sea levels caused by global climate change, specifically, sea level fluctuations during the Quaternary (last 2.5 million years) as well as uplifting or sinking regimes as a result of local tectonic activity. The coastal zone of southern Cyprus is of great palaeoenvironmental and archaeological interest (Ammerman et al., 2008; Bar-Yosef, 2001). In particular for Cyprus, eustatic changes in sea level and the interaction with the land, which in places characterized by distinct morphodynamic and tectonic features, resulted in the formation of palaeoenvironmental and paleogeographical conditions which were very different than today’s (Bailey, 2004; Bailey and Milner, 2002; 2003). It is possible positions that today are coastal or even underwater, once being part of the mainland of Cyprus, when the sea level was very low; during the glacial periods of the Quaternary. These changes are mainly reflected in coastal sedimentary deposits, occurring along the modern Cypriot coastline. In addition to the palaeoenvironmental interest, Cyprus is of great archaeological significance. Archaeological studies have revealed human presence on several sites of the island, with Akrotiri Aetokremmos, Nissi Beach, and Akamas Aspros being dated to the Late Epipalaeolithic (ca 11,000-10,000 cal BC) (Ammerman, 2010; Knapp, 2010; Simmons, 2013) and considered as the oldest evidence for seagoing in the eastern Mediterranean. Therefore, the establishment of a reliable geochronological framework is fundamental not only for a better geological and climatological understanding of the coastal paleoenvironment but also provides an improved framework for understanding human evolution of eastern Mediterranean.Additionally, the study of sand-grains surface marks (exoscopy) using Scanning Electron Microscopy (SEM) has been developed into a method for linking sand-grains microtextures to particular sedimentary environments (Krinsley and Marshall, 1987; Legigan et al. 1989). Different types of microtextures on the quartz grain surfaces can be used to differentiate between aeolian, marine, and glacial depositional environments. If a grain has transited different environments, the surface signatures may comprise a mixture of different textures produced during sediment transport, deposition and diagenesis. Principally, mechanical processes leaving signatures as different impact and abrasion marks on the grain surfaces during transportation in different dynamic environments are the profound diagnostic features which record those mechanical processes. Marks as a result of chemical processes consisting of a range of different overgrowth and etching types, can further facilitate the identification of the diverse post-depositional course of action that grains have experienced.Purpose of this thesis is to examine the chronology of coastal deposits of southeast Cyprus by employing up-to-date luminescence methods and evaluate from the palaeoenvironmental viewpoint the episodes/phases of development of coastal areas of south Cyprus during the Upper Quaternary. In this work, special focus is given to the coastal deposits of the southeast coast, between Agia Napa and Cape Greco. This research work also presents inherited quartz features observed on quartz grains of the Quaternary coastal deposits from Agia Napa area with the purpose to uncover their depositional history. In the frame of this thesis an attempt was also made to determine the burial age of sediment horizons within a sequence containing chipped stone artefacts on an upland site, located in Troodos Mountain at the site of Vretsia-Roudias. The geoarchaeological investigation conducted at the site revealed the existence of clearly defined depositional episodes (palaeosols) leading to the identification of paleosurfaces. The finds, mostly lithic tools reinforce the view that this Pleistocene river terrace in the Troodos mountains, was repeatedly visited by groups of hunter-gatherers who remained at the site for an unknown period each time, and whose trip was part of a route from the coast to the mountains and vice-versa. The main issue with Roudias is that it lacked absolute dates. Attempts have been made to date bone recovered from the site; unfortunately, these samples did not contain enough collagen to return any dates. In this regard, OSL dating was attempted.Purpose of this thesis is also the enhancement of the accuracy and reliability of luminescence ages through the development of two computer software packages; a) The Dose Rate calculator (DRc) which facilitates the calculation of dose-rates and ages determination of materials, used in palaeodosimetric dating methods using updated conversion and attenuation factors and b) the Palaeodose Statistical Tool (PST), which brings together the statistical models available for palaeodose determination that are widely dispersed in the literature. PST produces a single palaeodose value which is representative of the event (last exposure to the light or heat) to be dated. The proposed approach, especially the use of luminescence dating is innovative for the area, since no studies have been performed with this particular dating technique so far in Cyprus. Furthermore, the the production of reliable and accurate palaeodose and dose-rate values will be a great advancement in luminescence dating methodology.Chapter one presents an introduction to the principals of the luminescence dating method along with its different techniques. Chapter one also discusses the application of the luminescence dating method to different sedimentary environments. Chapter two discusses issues associated with the accurate determination of the equivalent dose (De). In this regard, a computer program written in Java was developed which assist the selection of the most representative equivalent dose estimate. The Palaeodose Statistical Tool (PST), automatically decides on the use of the appropriate age model and produces a single De value. This is followed by Chapter three where second software was developed. The Dose Rate calculator (DRc) is a Java application which facilitates the calculation of dose rates and ages determination of materials, used in palaeodosimetric dating methods. In DRc, dose rates are calculated using updated conversion and attenuation factors.Chapter four is an introduction to the study of sand-grains surface marks (exoscopy) using SEM for linking sand-grains microtextures to particular sedimentary environments. Chapter five presents the geology and evolution of Cyprus including quaternary stratigraphy, palaeoclimate, and sea level changes. This is followed by Chapter six where the geomorphology of Cyprus is discussed. This chapter focuses on coastal geomorphology and the different coastal deposits developed along the south east coastal areas of the island. Special, attention is given to chronological framework of the aeolianites and other coastal formations. In this regard, a lithological description of Cyprian coastal deposits is given based on field observations as well as petrographic thin sections from samples collected.Chapter seven presents the methodology used in this research which includes the sampling strategy, treatment of samples, analytical procedures used in luminescence dating of quartz and feldspar as well as exoscopy.Chapter eight presents and discusses the findings of the study. It gives absolute ages for the formation of the coastal deposits, as well as the burial age of the sediment horizons within the sequence containing the chipped stone artefacts. It also presents and discusses the findings of the examination of quartz-grains surface features. This chapter also compares the chronological findings of the study with other relevant studies in the area and tries to build up the time-frame for their development. Finally, the thesis finishes with Chapter nine where conclusions are given.Οι μέθοδοι απόλυτης χρονολόγησης έχουν αναπτυχθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων πέντε δεκαετιών (Jull και Scott, 2007). Οι πιο κοινές μέθοδοι που εφαρμόζονται για τη χρονολόγηση ορυκτών είναι τα κοσμογενετικά ραδιονουκλίδια, ο συντονισμός ιδιοστροφορμής ηλεκτρονίου (ESR) και οι τεχνικές φωταύγειας. Ο τελευταίες, αρχικά χρησιμοποιήθηκαν για τη χρονολόγηση ορυκτών από αρχαιολογικά ευρήματα (μέθοδος Θερμοφωταύγειας-TL). Ωστόσο, η εξέλιξη της τεχνικής αυτής οδήγησε στην ανάπτυξη της μεθόδου της οπτικής χρονολόγησης (συνήθως αναφέρεται ως Οπτικά Διεγερμένη Φωταύγεια-OSL), η οποία εφαρμόζεται σήμερα σε ιζήματα διάφορων προελεύσεων (αιολικών, ποτάμιων, θαλάσσιων και κολλουβιακών) και έχει αποδειχθεί όλο και πιο αξιόπιστη, ειδικά για τη χρονολόγηση ιζημάτων που αποτέθηκαν κατά το ανώτερο Τεταρτογενές (Wintle, 2008).Η σημαντικότητα της χρονολόγησης με φωταύγεια έγκειται στο γεγονός ότι η μέθοδος καθορίζει πόσο καιρό πριν τα ιζήματα εκτέθηκαν στο φως της ημέρας ή τη θερμότητα και όχι την αποσύνδεση των ιζημάτων από το μητρικό πέτρωμα, που συνήθως συμβαίνει πολύ πριν. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά τη φωταύγεια μια πολύ σημαντική μέθοδο στη χρονολόγηση ιζηματογενών σχηματισμών, των οποίων το σήμα φωταύγειας επανεκκίνηθηκε κατά τη διάρκεια του σχηματισμού τους.Τα ιζηματογενή περιβάλλοντα περιέχουν ραδιενεργά ισότοπα χημικών στοιχείων όπως το κάλιο, το ουράνιο και το θόριο, η διάσπαση των οποίων παράγει ιονίζουσα ακτινοβολία, η οποία απορροφάται από κόκκους ορυκτών όπως του χαλαζία και των αστρίων που βρίσκονται στα ιζήματα. Αυτή η ακτινοβολία "αποθηκεύεται" εντός των ορυκτών κόκκων σε ασυνέχειες της κρυσταλλικής τους δομής. Η παγιδευμένη ακτινοβολία "συσσωρεύεται" με την πάροδο του χρόνου με ρυθμό που εξαρτάται από την ποσότητα της διαθέσιμης ακτινοβολίας κατά το χρονικό διάστημα απόθεσης τους. Διέγερση των ορυκτών κόκκων χρησιμοποιώντας είτε φως είτε θερμότητα, προκαλεί την απελευθέρωση της παγιδευμένης ακτινοβολίας και την εκπομπή σήματος φωταύγειας, η ένταση του οποίου εξαρτάται από την ποσότητα της ακτινοβολίας που έχει αποθηκευτεί κατά το χρονικό διάστημα απόθεσης τους, καθώς και τις συγκεκριμένες ιδιότητες του ορυκτού. Η ηλικία ενός δείγματος υπολογίζεται από το κλάσμα της παλαιοδοσης (η συνολική ακτινοβολία που έχει συσσωρευτεί σε ένα δείγμα) προς το ρυθμό δόσης (ο ρυθμός με τον οποίο το δείγμα απορροφούσε ακτινοβολία). Ο ακριβής προσδιορισμός τόσο της παλαιοδόσης όσο και του ρυθμού δόσης έχει μεγάλη σημασία στη χρονολόγηση με φωταύγεια. Όσον αφορά τον υπολογισμό της παλαιοδόσης, υπάρχει διαθέσιμος ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών μεθόδων οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν στην ακριβέστερη εκτίμηση της (π.χ., Olley et al, 1998; Stokes et al, 2001; Lepper και McKeever, 2002, Grün, 1989; Schellmann et al., 2008), και συνήθως βασίζονται σε στατιστική επεξεργασία διαφορετικών παλαιοδόσεων (Galbraith et al., 1999).Όσον αφορά τη δεύτερη τιμή που πρέπει να υπολογιστεί, αυτή του ρυθμού δόσης, εξακολουθεί να υπάρχει μια περίπλοκη κατάσταση κυρίως λόγω της μετατροπής των συγκεντρώσεων των χημικών στοιχείων σε τιμές ραδιενεργών δόσεων, με τη χρήση συντελεστών μετατροπής που προέρχονται από πυρηνικά δεδομένα καθώς και συντελεστών απορρόφησης για υλικά με διαφορετικές πυκνότητες.Η χρονολόγηση με φωταύγεια βασίζεται στην παραδοχή ότι οι προς χρονολόγηση κόκκοι ορυκτών έχουν εκτεθεί επαρκώς στο φως της ημέρας ή τη θερμότητα κατά τη στιγμή του γεγονότος που χρονολογείται. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιούνται κόκκοι χαλαζία, έκθεση στο φως της ημέρας για χρονικό διάστημα από 1 έως 100 δευτερόλεπτα θεωρείται επαρκής για την αποτελεσματική “επανεκκίνηση” του OSL χρονομέτρου (π.χ. Rhodes, 2011). Αυτό συμβαίνει συνήθως με τα αιολικά ιζήματα. Οι OSL ηλικίες με τη χρήση χαλαζία έχουν εύρος από 100 έως 350.000 χρόνια, και μπορεί να θεωρούνται αξιόπιστες, όταν έχουν διεξαχθεί οι κατάλληλες διαδικασίες και έλεγχοι αξιοπιστίας. Η χρονολόγηση με φωταύγεια, χρησιμοποιώντας άστριο, μπορεί να επεκτείνει το χρονολογικό εύρος μέχρι ένα εκατομμύριο χρόνια, αυτό διότι οι άστριοι έχουν σημαντικά υψηλότερα επίπεδα “κορεσμού” σε σύγκριση με το χαλαζία, ωστόσο, η χρήση αστρίων απαιτεί την αντιμετώπιση (Rhodes, 2011) προβλημάτων που σχετίζονται με την απώλεια σήματος. Αυτή η απώλεια σήματος συχνά οδηγεί σε σημαντική υποεκτίμηση των ηλικιών που προκύπτουν, ωστόσο, αρκετές έρευνες έχουν ασχοληθεί σχετικά με την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος (π.χ. Lamothe and Auclair, 1999; Huntley and Lamothe, 2001). Οι ηλικίες φωταύγειας συνοδεύονται από τα σχετικά τους σφάλματα τα οποία προσδίδουν την τυχαία και συστηματική αβεβαιότητα. Η αβεβαιότητα 1σ (68% διάστημα εμπιστοσύνης) που σχετίζεται με μια ηλικία OSL είναι συνήθως το 5-10% της ηλικίας του δείγματος (Roberts et al., 2015).Παρά τους περιορισμούς αυτούς, σήμερα η χρονολόγηση με φωταύγεια θεωρείται μια βασική γεωχρονολογική τεχνική, συμβάλλοντας σημαντικά στην κατανόηση των χρονολογικών πλαισίων, της έκτασης και της φύσης πολλών παλαιοπεριβαλλοντικων διαδικασιών, και την επίδραση τους στη διαμόρφωση και ανάπτυξη του φυσικού τοπίου.Οι παράκτιες ζώνες αποτελούν σύνθετα περιβάλλοντα στη μετάβαση μεταξύ της θάλασσας και της χέρσου. Από γεωλογική άποψη, οι παράκτιες ζώνες είναι πολύ δυναμικές περιοχές με τις καθημερινές χαμηλές και υψηλές παλίρροιες να έχουν υψηλό αντίκτυπο στην παράκτια γεωμορφολογία. Μακροπρόθεσμες γεωμορφολογικές αλλαγές οφείλονται κυρίως στην άνοδο ή την πτώση της στάθμης της θάλασσας που προκαλείται από την παγκόσμια αλλαγή του κλίματος, καθώς και τα ανυψωτικά ή βυθιστικά καθεστώτα ως αποτέλεσμα της τοπικής τεκτονικής δραστηριότητας.Η παράκτια ζώνη της νότιας Κύπρου, παρουσιάζει μεγάλο παλαιοπεριβαλλοντικό και πολιτιστικό ενδιαφέρον (Ammerman et al., 2008; Bar-Yosef 2001). Συγκεκριμένα, είναι γνωστό πως η παγκόσμια στάθμη της θάλασσας υπέστη ευρείες και περιοδικές διακυμάνσεις κατά τη διάρκεια του Τεταρτογενούς (τελευταία 2.500.000 χρόνια). Ειδικότερα για το χώρο της Κύπρου, οι ευστατικές μεταβολές της στάθμης της θάλασσας και η αλληλεπίδραση της τελευταίας με τη χέρσο, η οποία κατά θέσεις χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα μορφοδυναμικά και τεκτονικά γνωρίσματα, είχαν ως αποτέλεσμα τη διαμόρφωση παλαιοπεριβαλλοντικών και παλαιογεωγραφικών συνθηκών διαφορετικών από τις σημερινές (Bailey 2004; Bailey and Milner; 2002; 2003). Είναι δηλαδή δυνατόν, θέσεις που σήμερα είναι παράκτιες ή ακόμα και υποθαλάσσιες, να αποτελούσαν κάποτε τμήματα της ενδοχώρας της Κύπρου, όταν η στάθμη της θάλασσας είχε ελαττωθεί σε πολύ χαμηλά επίπεδα κατά τις ψυχρές περιόδους του Τεταρτογενούς. Αυτές οι μεταβολές έχουν αποτυπωθεί σε παράκτιες ιζηματογενείς αποθέσεις, απαντώμενες κατά μήκος της σύγχρονης κυπριακής ακτογραμμής, πολλές μάλιστα φιλοξενούν και κλαστικά ιζήματα προερχόμενα από την εκτόνωση γεωλογικώς αρχαίων (σήμερα ανενεργών) ή και σύγχρονων δικτύων απορροής. Εκτός από το παλαιοπεριβαλλοντικό ενδιαφέρον, η Κύπρος είναι μεγάλης αρχαιολογικής σημασίας. Αρχαιολογικές μελέτες έχουν αποκαλύψει την ανθρώπινη παρουσία σε διάφορες περιοχές του νησιού, με το Ακρωτήρι Αετόκρεμμος, Αγία Νάπα-Νησί, και Ακάμας-Άσπρος να χρονολογούνται στην ανώτερη επιπαλαιολιθική περίοδο (~11,000-10,000 cal π.Χ.) (Ammerman, 2010; Knapp, 2010; Simmons, 2013). Ως εκ τούτου, η δημιουργία ενός αξιόπιστου χρονολογικού πλαισίου είναι θεμελιώδους σημασίας όχι μόνο για την καλύτερη κατανόηση των γεωλογικών και κλιματολογικών αλλαγών των παράκτιων περιοχών, αλλά παρέχει επίσης ένα βελτιωμένο πλαίσιο για την κατανόηση της ανθρώπινης εξέλιξης στην ανατολική Μεσόγειο.Επιπλέον, η μελέτη μικροδομών στην επιφάνεια χαλαζιακών κόκκων (exoscopy) με τη χρήση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM) έχει εξελιχθεί σε μια μέθοδο συσχέτισης των δομών αυτών με συγκεκριμένα ιζηματογενή περιβάλλοντα (Higgs, 1979; Krinsley and Marshall, 1987). Η μελέτη διαφορετικών τύπων μικροδομών που απαντώνται στην επιφάνεια χαλαζιακών κόκκων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαφοροποίηση μεταξύ αιολικών και θαλάσσιων περιβαλλόντων απόθεσης.Εάν ένας κόκκος έχει διέλθει διαφορετικά ιζηματογενή περιβάλλοντα, οι επιφανειακές μικροδομές μπορεί να περιλαμβάνουν ένα μείγμα διαφορετικών υφών που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια μεταφοράς απόθεσης και διαγένεσης των ιζημάτων. Κυρίως σημάδια πρόσκρουσης και τριβής στις επιφάνειες των κόκκων, κατά τη μεταφορά μεταξύ διαφορετικών δυναμικών περιβαλλόντων, είναι τα χαρακτηριστικά αναγνώρισης των μηχανικών διεργασιών. Σημάδια ως αποτέλεσμα των χημικών διεργασιών, αποτελούνται κυρίως από μια σειρά διαφορετικού τύπου υπερανάπτυξεων και εγχαράξεων, τα οποία διευκολύνουν περαιτέρω την ταυτοποίηση των μετά-αποθετικών διεργασιών.Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η χρονολόγηση παράκτιων γεωλογικών σχηματισμών της Νοτιοανατολικής Κύπρου, χρησιμοποιώντας σύγχρονες μεθόδους φωταύγειας καθώς και η μελέτη των φάσεων–επεισοδίων της παλαιοπεριβαλλοντικής εξέλιξης των παράκτιων χώρων της νοτιοανατολικής Κύπρου κατά το Ανώτερο Τεταρτογενές. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις παράκτιους σχηματισμούς που εμφανίζονται ανάμεσα στην Αγία Νάπα και

Forecasting Impacts on Vulnerable Shorelines: Vulnerability Assessment along the Coastal Zone of Messolonghi Area—Western Greece

The coastal areas of the Mediterranean have been extensively affected by the transgressive event that followed the Last Glacial Maximum, with many studies conducted regarding the stratigraphic configuration of coastal sediments around the Mediterranean. The coastal zone of the Messolonghi area, western Greece, consists of low-relief beaches, containing low cliffs and eroded dunes, a fact that, in combination with the rising sea levels and tectonic subsidence of the area, has led to substantial coastal erosion. Coastal vulnerability assessment is a useful means of identifying areas of coastline that are vulnerable to impacts of climate change and coastal processes, highlighting potential problem areas. Commonly, coastal vulnerability assessment takes the form of an “index” that quantifies the relative vulnerability along a coastline. Here, the Coastal Vulnerability Index (CVI) methodology by Thieler and Hammar-Klose was employed, by considering geological features, coastal slope, relative sea-level change, shoreline erosion/accretion rates, and mean significant wave height as well as mean tide range, to assess the present-day vulnerability of the coastal zone of the Messolonghi area. In light of this, an impact assessment is performed under three different sea-level-rise scenarios. This study contributes toward coastal zone management practices in low-lying coastal areas that have little data information, assisting decision-makers in adopting best adaptation options to overcome the impact of sea-level rise on vulnerable areas, similar to the coastal zone of Messolonghi

Hardware design of memristor-based oscillators for emulation of neurological diseases

© 2023 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.One of the most prominent examples of a complex system in nature is the nervous system, which exhibits oscillation phenomena across its structures, from single neurons to sophisticated neural networks. Memristors have been utilized in the past decade as a promising technology for building neuromorphic systems due to their intrinsic neuromorphic properties. In this paper, we introduce a novel Memristor-based Oscillator (MBO) circuit design that implements both artificial neurons and artificial synapses in the same MBO-based medium, addressing scalability issues. The circuit design is transistor-free and simple, allowing high integration density. We utilize passive unipolar memristor devices based on the JART memristor model to design MBO neurons, which have been shown to reproduce bio-plausible spiking and bursting activities. Moreover, the MBO circuit is also realized as an artificial synapse incorporating synapse and axon mechanisms. Finally, the MBO neurons are modeled as Parkinson-related neuron types and their direct bidirectional coupling demonstrates that MBO neurons are effective in driving spiking activity in non-externally stimulated MBO neurons. This qualifies them for implementation in brain-inspired networks, providing low-cost Neurological-disease-related emulators.Peer ReviewedObjectius de Desenvolupament Sostenible::3 - Salut i BenestarObjectius de Desenvolupament Sostenible::10 - Reducció de les DesigualtatsObjectius de Desenvolupament Sostenible::17 - Aliança per a Aconseguir els ObjetiusPostprint (published version

Unconventional memristive nanodevices

© 2022 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.One of the most enticing candidates for next-generation computing systems is the memristor. Memristor-based novel architectures have demonstrated considerable promise in replacing or augmenting traditional computing platforms based on the Von Neumann architecture, which faces many issues in the big-data era, as well as in newly developed neuromorphic tasks. Although the current classical computing architecture is unlikely to be abandoned in the foreseeable future, the growing trend of neuromorphic, quantum, and bio-inspired computing schemes calls for more specialized beyond Von Neumann platforms. Memristors showcase multiple advantages in terms of small area footprint, energy efficiency, high endurance, bio-compatibility, and their inherent synaptic and neuromorphic behavior. The topic of this work is to present the memristive devices that meet the requirements for the implementation of the novel beyond Von Neumann applications and examine their switching mechanism and material selection, as well as to conduct a performance comparison between the fabricated devices paving the way for future computing applications.Postprint (author's final draft

Unconventional computing with memristive nanocircuits

Computing demands are growing rapidly as bigdata and artificial intelligence applications become increasingly tasking. Bio-inspired and quantum-based techniques are proving to be quite promising for the development of novel circuits and systems. These systems can contribute to the resolution of a wider variety of problems while also providing improvements to existing techniques. As the von Neumann architecture’s expected performance, which has been dominant for the past several decades, is now hindered by physical limitations, novel computing architectures, assisted by novel materials and circuit devices, are starting to emerge and provide promising results. The topic of this work is to examine the memory and computing capabilities of emergent memristor-based nanocircuits and demonstrate their advantages compared to their classical counterparts.Postprint (author's final draft