A three-step model to assess shoreline and offshore susceptibility to oil spills: the South Aegean (Crete) as an analogue for confined marine basins

This study combines bathymetric, geomorphological, geological data and oil spill predictions to model the impact of oil spills in two accident scenarios from offshore Crete, Eastern Mediterranean. The aim is to present a new three-step method of use by emergency teams and local authorities in the assessment of shoreline and offshore susceptibility to oil spills. The three-step method comprises: (1) real-time analyses of bathymetric, geomorphological, geological and oceanographic data; (2) oil dispersion simulations under known wind and sea current conditions; and (3) the compilation of final hazard maps based on information from (1) and (2) and on shoreline susceptibility data. The results in this paper show that zones of high to very-high susceptibility around the island of Crete are related to: (a) offshore bathymetric features, including the presence of offshore scarps and seamounts; (b) shoreline geology, and (c) the presence near the shore of sedimentary basins filled with unconsolidated deposits of high permeability. Oil spills, under particular weather and oceanographic conditions, may quickly spread and reach the shoreline 5–96 h after the initial accident. As a corollary of this work, we present the South Aegean region around Crete as a valid case-study for confined marine basins, narrow seaways, or interior seas around island groups

Multidisciplinary oil spill modeling to protect coastal communities and the environment of the Eastern Mediterranean Sea

We present new mathematical and geological models to assist civil protection authorities in the mitigation of potential oil spill accidents in the Eastern Mediterranean Sea. Oil spill simulations for 19 existing offshore wells were carried out based on novel and high resolution bathymetric, meteorological, oceanographic, and geomorphological data. The simulations show a trend for east and northeast movement of oil spills into the Levantine Basin, affecting the coastal areas of Israel, Lebanon and Syria. Oil slicks will reach the coast in 1 to 20 days, driven by the action of the winds, currents and waves. By applying a qualitative analysis, seabed morphology is for the first time related to the direction of the oil slick expansion, as it is able to alter the movement of sea currents. Specifically, the direction of the major axis of the oil spills, in most of the cases examined, is oriented according to the prevailing azimuth of bathymetric features. This work suggests that oil spills in the Eastern Mediterranean Sea should be mitigated in the very few hours after their onset, and before wind and currents disperse them. We explain that protocols should be prioritized between neighboring countries to mitigate any oil spills

Modelling of oil spills in confined maritime basins: The case for early response in the Eastern Mediterranean Sea

Oil spill models are combined with bathymetric, meteorological, oceanographic, and geomorphological data to model a series of oil spill accidents in the Eastern Mediterranean Sea. A total of 104 oil spill simulations, computed for 11 different locations in the Levantine Basin, show that oil slicks will reach the coast of Cyprus in four (4) to seven (7) days in summer conditions. Oil slick trajectories are controlled by prevailing winds and current eddies. Based on these results, we support the use of chemical dispersants in the very few hours after large accidental oil spills. As a corollary, we show shoreline susceptibility to vary depending on: a) differences in coastline morphology and exposure to wave action, b) the existence of uplifted wave-cut platforms, coastal lagoons and pools, and c) the presence of tourist and protected environmental areas. Mitigation work should take into account the relatively high susceptibility of parts of the Eastern Mediterranean

Scientific, societal and pedagogical approaches to tackle the impact of climate change on marine pollution

Marine pollution impacts coastal nations around the world, and more so: (a) in confined maritime areas with significant marine traffic, (b) where exploitation of natural and mineral resources is taking place, or (c) in regions witnessing pressure from tourism, local population growth, and industry. In this work, Digital Elevation Models, hydrographic, and climatic data are used together with computer simulations to understand the control of climate change on marine pollution. The results show that different climate change signals can potentially alter the flow and concentration of pollution in the European Seas, when compared to the present day. Ultimately, this work identifies the main sources of marine pollution as: (1) rivers and streams near cities and industrialised areas, (2) coastal areas experiencing sudden demographic pressures, (3) offshore shipping lanes in which oil and other marine debris are released, and (4) areas of rugged seafloor where industrial fishing takes place. This paper finishes by describing new educational material prepared to teach school children around the world. It explains why how a new training curriculum and e-game developed by Sea4All can be crucial in future Environmental Education and Education for a Sustainable Development

Environmental geophysics: Techniques, advantages and limitations

The rapid development of industrial and urban areas in the last decades caused a significant amount of environmental degradation with serious consequences to human life, ecosystems, natural resources, land utilization, as well as to human and natural heritage. Thus, the role of site restoration and rehabilitation projects, in the context of the Management Environmental degradation, is crucial for the modern society. Environmental Geophysics comprises a relative modern part of the Geophysics discipline, aimed at determining the physical properties of the shallow sub-surface by using non invasive high-resolution geophysical techniques. The detailed knowledge of the subsurface structure is valuable for a variety of disciplines involved in the study of the shallow earth’s crust, which is directly related with human activities. In particular, Environmental Geophysics efficiently deals with technical problems arising during construction works such as karst collapse, evaporite sinkholes, landslides, mine subsidence and fault zones. Furthermore, it is involved in investigations concerning the detection of buried or abandoned waste, the location of the aquifer and part of its related properties to identify the possible presence of contaminants in the subsurface and finally, the mapping of archaeological sites. The aim of this work is to present the most familiar and robust techniques used in environmental geophysics and new methodologies of data processing and interpretation. Extensive literature research and examples from case studies are presented and analyzed. Special emphasis is given to the limitations of all applied techniques

Processing and interpretation of deep seismic reflection data in Ionian Sea

Deep Seismic Profiling (DSP) being one of the most useful seismic methods, aims at obtaining information about the structure of the crust and the upper mantle. The seismic data from a DSP survey along the line ION-7 in Ionian Sea have been processed and interpreted. During the seismic reflection experiment carried out in 1992 with the support of the European Union within the frameworks of the JOULE PROJECT STREAMERS, seven seismic lines of total length 700 Km were scanned in the central Mediterranean Sea from southern Italy to western Greece. One of these lines namely ION - 7 crosses the deep Ionian basin and the Gulf of Patras. Strong sea floor and internal multiples, coherent noise and lateral reflections make almost imposed difficulties in discriminating the primary reflections especially from deeper horizons. Two methods have been proposed and applied for the suppression of multiples. One method involves demultiple techniques prior stacking. In particular, it combines deconvolution and wave equation techniques. The wave equation method predicts sea floor multiples, while deconvolution mostly attenuates internal multiples. The second method involves poststack demultiple techniques. It uses two velocity models to generate stacked sections that are subsequently subtracted. The first model is deduced from the velocity analysis of the primary reflections. The second velocity model is homogeneous and its velocity corresponds to the seawater. Karhunen-Loeve and dynamic signal to noise ratio (S/N) filters are applied on the stacked section resulting from the subtraction. F-K filtering and surface consistent deconvolution have been also applied to reduce the coherent noise and the lateral reflections. Poststack Kirchoff migration removed distortions due to lateral velocity variations and improved lateral resolution. On a selected portion of the stacked section depth migration was applied to image better diapirism. The instantaneous attributes associated with the seismic signal computed by Hilbert transform were used in the interpretation of stacked and migrated section. The last step was the computation of synthetic seismograms to test the accuracy of the RMS velocities. The results from geological, seismological, magnetic, gravity, geothermal and GPS studies in Ionian Sea were utilized in the interpretation of the stacked and migrated sections. Reflections from the Moho discontinuity at a depth of 13-15 Km are probably present study in the western part of the seismic section, while no clear Moho reflections are recognized in the eastern part of the seismic section. Additionally, reflections from the crystalline basement, the Mesozoic and Paleozoic sequences and the Lower crust are present in the seismic section. The western part of the section has not been affected by the structural evolution of the folded belt of the outer Hellenides. Diapiric movement of the Messinian sediments is detected. The Cephalonia Fault and the thrusts of Pre-Apulian or Paxos zones are other features in the seismic section. The Cephalonia Diapir seems to be active, while the overlying Plio-Quaternary sediments do not show any significant deformation.Η μέθοδος της σεισμικής ανάκλασης μεγάλου βάθους αποτελεί ένα από τα βασικότερα εργαλεία της σεισμικής διασκόπησης, με σκοπό την όσο δυνατόν ακριβέστερη γνώση της δομής του φλοιού της γης. Η παρούσα διατριβή κινείται σε αυτά τα πλαίσια. Για την ακρίβεια έγινε επεξεργασία και ερμηνεία θαλάσσιων σεισμικών δεδομένων ανάκλασης (γραμμή ΙΟΝ -7) από την περιοχή του Ιονίου με σκοπό την μελέτη της δομής του φλοιού στην συγκεκριμένη περιοχή. Το πείραμα σεισμικής ανάκλασης πραγματοποιήθηκε το 1992 με την υποστήριξη της Ευρωπαϊκής Ένωσης, στα πλαίσια του προγράμματος JOULE STREAMERS. Το πρόγραμμα αυτό αφορούσε την συγκέντρωση δεδομένων στο Ιόνιο Πέλαγος κατά μήκος 7 γραμμών μελέτης συνολικού μήκους 700 km. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από την γραμμή ΙΟΝ - 7, μήκους 180 km και χρονικής διάρκειας καταγραφές 22 s. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα κατά τη διάρκεια επεξεργασίας των δεδομένων ανάκλασης της γραμμής ΙΟΝ - 7 ήταν η σχετικά χαμηλή ποιότητα τους. Πιο αναλυτικά αυτό αναφέρεται: α) στη συνεχή παρουσία πολλαπλών ανακλάσεων από τον πυθμένα της θάλασσας και από τα στρώματα κάτω από αυτόν, β) στο μη συναφή θόρυβο, γ) στις πλευρικές ανακλάσεις και δ) στη μειωμένη διακριτική ικανότητα, ιδιαίτερα στα βαθύτερα τμήματα της σεισμικής τομής. Η αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων αποτελεί έναν από τους κύριους στόχους της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Το σημαντικότερο βήμα για την εξασθένιση των πολλαπλών ανακλάσεων είναι η κατανόηση της φύσης και των χαρακτηριστικών τους. Η διαδικασία αυτή ξεκίνησε με την αρχική μελέτη των καταγραφών κοινής πηγής, όπου εντοπίζονται και καταγράφονται οι χρόνοι εμφάνισης πολλαπλών ανακλάσεων. Οι δοκιμές εξασθένισης των πολλαπλών ανακλάσεων πριν την υπέρθεση των δεδομένων κατέληξαν σε συνδυασμό φίλτρων με βάση την κυματική εξίσωση και την αποσυνέλιξη, ο οποίος αποδείχθηκε αρκετά αποτελεσματικός. Επίσης κατά την ανάλυση των ταχυτήτων δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή, ώστε να αποφεύγονται οι ταχύτητες των πολλαπλών ανακλάσεων. Έτσι κατά την υπέρθεση των δεδομένων επήλθε περαιτέρω βελτίωση στην ποιότητα της σεισμικής τομής. Θεωρήθηκε απαραίτητο να γίνει προσπάθεια εξασθένισης των πολλαπλών ανακλάσεων μετά την υπέρθεση των δεδομένων χωρίς την εφαρμογή φίλτρων πριν την υπέρθεση. Η διαδικασία εξασθένισης στηρίζεται στην αφαίρεση των σεισμικών τομών υπέρθεσης που έχουν παραχθεί αφενός με τις μέσες τετραγωνικές ταχύτητες που αντιστοιχούν στις πολλαπλές ανακλάσεις και αφετέρου με τις μέσες τετραγωνικές ταχύτητες που αντιστοιχούν στις κύριες ανακλάσεις. Και στις δύο τομές υπέρθεσης έχει εφαρμοστεί φίλτρο ιδιοανύσματος. Η εξασθένιση των πολλαπλών ανακλάσεων με την παραπάνω μέθοδο είναι σημαντική. Το πρόβλημα του μη συναφούς θορύβου και των πλευρικών ανακλάσεων αντιμετωπίστηκε εν μέρει με την εφαρμογή του φίλτρου φαινόμενης ταχύτητας αλλά και της αποσυνέλιξης σταθερής επιφάνειας. Έτσι αναδείχθηκε πληροφορία για τους ανακλαστήρες σε μεγάλο βάθος. Όμως η διακριτική ικανότητα της σεισμικής τομής βελτιώθηκε σημαντικά με την χωροθέτηση κατά Kirchhoff. Επίσης επιλέχθηκε τμήμα της σεισμικής τομής υπέρθεσης, το οποίο σχετίζεται με διαπειρισμό και εφαρμόστηκε χωροθέτηση βάθους με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών, με σκοπό να επιτευχθεί βελτιωμένη εικόνα του υπεδάφους. Πραγματικά η σύγκριση της χωροθετημένης τομής κατά Kirchhoff με την χωροθετημένη τομή βάθους δίνει το προβάδισμα στην δεύτερη. Ακολούθησε ανάλυση των στιγμιαίων χαρακτηριστικών του σήματος, όπως της φάσης, του πλάτους και της συχνότητας, η οποία συνέβαλε στη συνέχεια στην ερμηνεία των σεισμικών τομών υπέρθεσης και χωροθέτησης. Με σκοπό να ελεγχθεί η ακρίβεια με την οποία προσδιορίστηκαν οι ταχύτητες, χρησιμοποιήθηκε τμήμα του μοντέλου ταχυτήτων της περιοχής για να παραχθούν συνθετικά σεισμογράμματα, τα οποία στη συνέχεια συγκρίθηκαν με τα πραγματικά σεισμογράμματα. Διαπιστώθηκε ικανοποιητική σύγκλιση, γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα, ότι το μοντέλο ταχυτήτων που χρησιμοποιήθηκε ήταν ακριβές. Για την ερμηνεία των σεισμικών τομών υπέρθεσης και χωροθέτησης συγκεντρώθηκαν τα αποτελέσματα σεισμικών, μαγνητικών, βαρυτικών, γεωθερμικών και κινηματικών, με GPS, ερευνών για την υπό μελέτη περιοχή. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν σεισμολογικά δεδομένα για να διαπιστωθεί η κατανομή των σεισμικών εστιών. Η ερμηνεία στηρίζεται κυρίως στις ταχύτητες που προσδιορίστηκαν στην φάση της επεξεργασίας και σε ότι πληροφορίες συγκεντρώθηκαν από προηγούμενες έρευνες στην περιοχή. Η γεωλογική και τεκτονική πολυπλοκότητα της περιοχής καθιστούν δύσκολη την ερμηνεία της σεισμικής τομής αλλά συγχρόνως εξαιρετικά ενδιαφέρουσα. Η ερμηνεία της σεισμικής τομής εκτείνεται τόσο στα ρηχά τμήματα της τομής όσο και στα βαθύτερα. Η ασυνέχεια Moho εντοπίστηκε στο δυτικότερο τμήμα της τομής σε ένα βάθος μεταξύ 13 - 15 km ενώ προχωρώντας ανατολικότερα εμφανίζεται σαφής καταβύθιση της. Επίσης εντοπίστηκαν ανακλάσεις και από το κρυσταλλικό υπόβαθρο της περιοχής, όπως και από τα ιζήματα της Παλαιοζωϊκής και Μεσοζωϊκής περιόδου. Η παραλληλία των ιζηματογενών στρωμάτων στην άβυσσο του Ιονίου αποτελεί απόδειξη ότι το μέτωπο της ορογένεσης δεν έχει επηρεάσει το συγκεκριμένο τμήμα της τομής. Στην ίδια περιοχή εντοπίστηκε παρουσία κίνησης αλάτων του Μεσσηνίου. Η ζώνη του ρήγματος της Κεφαλληνίας αποτελεί χαρακτηριστικό στοιχείο στην συγκεκριμένη τομή καθώς και οι λεπιώσεις της ζώνης Παξών, οι οποίες υποβοηθούνται από το στρώμα των Μεσοζωϊκών εβαποριτών. Ο διαπειρισμός της Κεφαλληνίας εμφανίζεται μέχρι και σήμερα ενεργός ενώ τα ιζήματα του Πλειοτεταρτογενούς δεν παρουσιάζουν ιδιαίτερη παραμόρφωση

Automatic Pattern Recognition of Tectonic Lineaments in Seafloor Morphology to Contribute in the Structural Analysis of Potentially Hydrocarbon-Rich Areas

This work presents novel pattern recognition techniques applied on bathymetric data from two large areas in Eastern Mediterranean. Our objectives are as follows: (a) to demonstrate the efficiency of this methodology, (b) to highlight the quick and accurate detection of both hydrocarbon related tectonic lineaments and salt structures affecting seafloor morphology, and (c) to reveal new structural data in areas poised for hydrocarbon exploration. In our work, we first apply a multiple filtering and sequential skeletonization scheme inspired by the hysterisis thresholding technique. In a second stage, we categorize each linear and curvilinear segment on the seafloor skeleton (medial axis) based on the strength of detection as well as the length, direction, and spatial distribution. Finally, we compare the seafloor skeleton with ground truth data. As shown in this paper, the automatic extraction of the bathymetric skeleton allows the interpretation of the most prominent seafloor morphological features. We focus on the competent tracing of tectonic lineaments, as well as the effective distinction between seafloor features associated with shallow evaporite movements and those related to intense tectonic activity. The proposed scheme has low computational demand and decreases the cost of the marine research because it facilitates the selection of targets prior to data acquisition

Structural decoupling in a convergent forearc setting (southern Crete, Eastern Mediterranean)

A multidisciplinary approach is used to investigate the structure of the southern Cretan margin, which is located in one of the most seismically active forearc regions in Europe. Bathymetric, seismic-reflection, and fault plane solution data were used to identify the main tectonic features on the margin, correlating their evolution with the main sedimentary sequences recognized on Crete. In contrast to the majority of forearc settings in the Pacific and Indian Oceans, southern Crete is a region of predominantly oblique movement above well-defined detachment zones. North-dipping thrust faults identified on seismic-reflection profiles reveal significant crustal shortening during the Miocene due to the westward propagation of the Hellenic fold-and-thrust system. In addition, east-dipping thrust faults rooted on top of pre-Neogene strata were also identified, but only a few of these thrusts affect Neogene to Holocene strata. Small-scale domes derived from evaporitic (Messinian) intrusions deform Pliocene–Quaternary strata. West- and east-dipping normal faults were also recognized within the Mesozoic and Cenozoic successions, and these are related to regional extension during forearc convergence. In such a setting, the fault-bounded continental slope of Crete effectively separates a region of uplift (Crete) from subsiding troughs to the south. Our work shows that structural segmentation at depth is complex, with multiple crustal levels recording contrasting styles of deformation and distinct moment-tensor solutions. This complexity derives from the oblique style of convergence recorded south of Crete, which reactivates distinct crustal levels depending on their rheology and relative degree of metamorphism inherited during Alpine compression. As a result, a strong correlation between seafloor morphology and transtensional movements is recorded in the upper 10–15 km of the crust, while transpression prevailed after the Serravallian below these depths