Ανασύνθεση παλαιοπεριβάλλοντος σε παράκτιες γεωμορφές της Νότιας Κύπρου με τη χρήση τεχνικών φωταύγειας
Authors: Τσάκαλος Ευάγγελος 
Published: September 2021

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 το Κάβο Γκρέκο. Η έρευνα αυτή παρουσιάζει επίσης μορφολογικά χαρακτηριστικά και επιφανειακές μικροδομές χαλαζιακών κόκκων από τις παράκτιες ιζηματογενείς αποθέσεις της περιοχής της Αγίας Νάπας με σκοπό τη μελέτη της ιστορίας απόθεσης τους. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, έγινε επίσης μια προσπάθεια για τον προσδιορισμό της ηλικίας απόθεσης ιζημάτων προερχόμενα από ορίζοντες εντός μιας αλληλουχίας που περιέχει και λίθινα εργαλεία. Η αρχαιολογική αυτή θέση βρίσκεται σε μια τοποθεσία στο όρος Τρόοδος, στην περιοχή Βρέτσια-Ρούδιας. Η αρχαιολογική έρευνα που διεξάγεται στο χώρο, έχει αποκαλύψει την ύπαρξη σαφώς καθορισμένων αποθετικών επεισοδίων και τον εντοπισμό παλαιοεπιφανειών. Τα ευρήματα, κυρίως λίθινα εργαλεία, ενισχύουν την άποψη ότι αυτή την αρχαιολογική θέση την έχουν επισκεφθεί επανειλημμένα ομάδες κυνηγών-τροφοσυλλεκτών, των οποίων το ταξίδι ήταν μέρος μιας διαδρομής από την ακτή προς τα ορεινά και αντίστροφα. Το κύριο ζήτημα με την θέση αυτή είναι ότι δεν είχε επιτευχτεί η χρονολόγηση της με απολυτές χρονολογικές τεχνικές. Στο παρελθόν, είχαν γίνει προσπάθειες για την χρονολόγηση οστών, ωστόσο, αυτά τα δείγματα δεν περιείχαν αρκετό κολλαγόνο ώστε να επιτραπεί η χρονολόγηση τους.Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι επίσης η βελτίωση της ακρίβειας και της αξιοπιστίας των ηλικιών φωταύγειας μέσω της ανάπτυξης δύο πακέτων λογισμικού: α) Το λογισμικό Dose Rate Calculator (DRc), το οποίο επιτρέπει τον προσδιορισμό του ρυθμού δόσης και υπολογίζει ηλικίες υλικών που χρησιμοποιούνται σε παλαιοδοσιμετρικές μεθόδους χρονολόγησης, με τη χρήση ενημερωμένων συντελεστών μετατροπής και εξασθένησης και β) το Palaeodose Statistical Tool (PST), το οποίο συγκεντρώνει τα διαθέσιμα στατιστικά μοντέλα για τον υπολογισμό παλαιοδοσεων, τα οποία είναι ευρέως διεσπαρμένα στη βιβλιογραφία. Το PST παράγει μια μοναδική τιμή παλαιοδόσης, η οποία είναι η πιο αντιπροσωπευτική του γεγονότος (τελευταία έκθεση στο φως ή θερμότητα) που χρονολογείται.Η προτεινόμενη προσέγγιση, ιδιαίτερα η χρήση των τεχνικων της φωταύγειας για χρονολόγηση ιζημάτων, είναι πρωτοποριακή για τη συγκεκριμένη περιοχή δεδομένου ότι δεν έχουν πραγματοποιηθεί μελέτες με αυτού του είδους προσεγγίσεις στην Κύπρο μέχρι τώρα. Επιπλέον, ο υπολογισμός αξιόπιστων τιμών παλαιοδόσεων και ρυθμών δόσεων αποτελεί σημαντική πρόοδο για τη μέθοδο χρονολόγησης με φωταύγεια.Το πρώτο κεφάλαιο είναι μια εισαγωγή στις αρχές της μεθόδου χρονολόγησης με φωταύγεια μαζί με τις διαφορετικές τις τεχνικές. Το πρώτο κεφάλαιο ασχολείται επίσης με την εφαρμογή της μεθόδου της φωταύγειας σε διαφορετικά ιζηματογενή περιβάλλοντα.Το δεύτερο κεφάλαιο ασχολείται με θέματα που σχετίζονται με τον ακριβή προσδιορισμό της ισοδύναμης δόσης (De). Σε αυτό το πλαίσιο αναπτύχθηκε ένα λογισμικό γραμμένο σε Java το οποίο διευκολύνει στην επιλογή της πιο αντιπροσωπευτική ισοδύναμης δόσης. Το Palaeodose Statistical Tool (PST), αποφασίζει αυτόματα σχετικά με τη χρήση του καταλληλότερου μοντέλου ηλικίας και παράγει μια τιμή De. Ακολουθεί το κεφάλαιο τρία, όπου αναπτύχθηκε ένα δεύτερο λογισμικό. Το Dore Rate calculator (DRc) είναι μια εφαρμογή Java η οποία διευκολύνει τον υπολογισμό ρυθμών δόσεων και ηλικιών για υλικά που χρησιμοποιούνται σε παλαιοδοσιμετρικές μεθόδους χρονολόγησης. Το DRc, υπολογίζει ρυθμούς δόσης με βάση ενημερωμένους συντελεστές μετατροπής και εξασθένησης.Το τέταρτο κεφάλαιο αποτελεί μια εισαγωγή στην μελέτη μικροδομών που εμφανίζονται στην επιφάνεια χαλαζιακών κόκκων (exoscopy) μέσω της χρήσης SEM, με σκοπό τη συσχέτισης των δομών αυτών με συγκεκριμένα ιζηματογενή περιβάλλοντα.Το κεφάλαιο πέντε παρουσιάζει τη γεωλογία της Κύπρου, συμπεριλαμβανομένης της στρωματογραφίας του τεταρτογενούς, το παλαιοκλίμα, και τις αλλαγές της στάθμης της θάλασσας. Αυτό ακολουθείται από το κεφάλαιο έξι, όπου συζητείται η γεωμορφολογία της Κύπρου. Το κεφάλαιο έξι επικεντρώνεται στην παράκτια γεωμορφολογία και τις διάφορες παράκτιες αποθέσεις που αναπτύσσονται κατά μήκος των νοτιοανατολικών ακτών του νησιού. Έμφαση δίνεται στο χρονολογικό πλαίσιο δημιουργίας και ανάπτυξης των αιολικών και άλλων παράκτιων σχηματισμών. Επίσης, δίνεται μια σύντομη περιγραφή της λιθολογίας των παράκτιων αποθέσεων βασισμένη σε παρατηρήσεις πεδίου, καθώς και πετρογραφική μελέτη (λεπτές τομές) από δείγματα που συλλέχθησαν.Το κεφάλαιο επτά παρουσιάζει τη μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την έρευνα, η οποία περιλαμβάνει τη στρατηγική δειγματοληψίας, την επεξεργασίας των δειγμάτων, τις αναλυτικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν για την χρονολόγηση με την μέθοδο της φωταύγειας τόσο χαλαζία όσο και άστριου, καθώς και την προετοιμασία των δειγμάτων για τη μελέτη μικροδομών που εμφανίζονται στην επιφάνεια χαλαζιακών κόκκων.Το κεφάλαιο οκτώ παρουσιάζει και συζητά τα ευρήματα της μελέτης. Δίνει τις απόλυτες ηλικίες δημιουργίας των παράκτιων σχηματισμών, καθώς και την ηλικία ιζημάτων προερχόμενα από τους ορίζοντες εντός της αλληλουχίας που περιέχει τα λίθινα εργαλεία. Επίσης παρουσιάζονται και συζητούνται τα ευρήματα της εξέτασης των μικροδομών που εμφανίζονται στην επιφάνεια χαλαζιακών κόκκων. Αυτό το κεφάλαιο συγκρίνει επίσης τις ηλικίες που προέκυψαν με άλλες σχετικές μελέτες στην περιοχή και προσπαθεί να δημιουργήσει το χρονικό πλαίσιο ανάπτυξής τους.Τέλος, η διατριβή ολοκληρώνεται με το κεφάλαιο εννέα, όπου δίνονται τα συμπεράσματα της έρευνας.