Volcanology and petrology of Nisyros Island (Dodecanese, Greece)

Abstract

Nisyros is a totally volcanic island located at the eastern limit of the quaternary calc-alkaline island arc system of the South Aegean Sea. Its age is rather young since K/Ar dating has given an age of 0.2 m.y. B.P. for one of the oldest outcropping products of this volcano.

The volcanological evolution of Nisyros has tentatively been reconstructed as follows:

• a) after a period (from 3.0? to 0.2 m.y. B.P.) of submarine activity, evidenced by the presence of pillow-lavas and hyaloclastites, the volcano grew above sea level;

• b) effusive and explosive subaerial activity from different vents built up a complex stratovolcano, probably around 0.2 m.y. B. P.;

• c) at the end of an intense explosive activity (between 0.2 m.y. B.P. and Present) the top of the volcano collapsed forming a caldera which is still perfectly preserved. A post-caldera activity with eruptions of huge and viscous domes and lava flows of uniform composition, both inside and outside the caldera, concluded this stage of the volcano evolution;

• d) in historical times, spectacular phreatic explosion craters formed on the caldera floor;

• e) presently, a large area of the caldera floor is affected by a considerable hydrothermal activity. The hypothesis is formed that Nisyros volcano is not yet extinct.

Four small volcanic islets — Yali, Stronjili, Pakia and Perigusa — located a few miles on the North and West of Nisyros, although volcanologically independent of one another, are composed of products which are attributable, from the petrologic point of view, to the Nisyros magma.

The volcanic rocks of Nisyros and of its neighbouring minor islands as well as the volcanics of the coeval volcanoes of the South Aegean Sea arc (Aegina, Milos, Santorini, etc.) belong to a typical orogenic calc-alkaline series (from basic andesites through andesites-dacites-rhyodacites to strongly silicic rhyolites) with normal K₂O contents. The potassium contents of these rocks are compatible with the depth of 150 km (as inferred from geophysical data) for the inclined seismic zone underneath the active volcanic arc.

The existence of a top-caldera as well as the occurrence of a huge amount of xenoliths (hornblende-rich cumulates and contact-metamorphic calcareous rock derivatives) suggest the presence of a magma chamber at a relatively shallow depth beneath the volcano. The rhyolitic obsidians of Yali can be considered as residual liquids from the Nisyros rhyodacites, thus representing the end-members of a fractionation process.

Volcanological and petrological arguments are in favour of fractional crystallization as the most probable genetic process for the calc-alkaline differentiation series of Nisyros and of its neighbouring minor islands. However, the lack of any rock with a high alumina basalt composition makes it difficult to define exactly the nature of the parent magma.

According to recent geophysical data, continental collision is already in progress at the Hellenic trench. Therefore, Nisyros and the other active volcanoes of the South Aegean Sea arc are approaching the senile stage. What would follow could be a transition to shoshonitic magmatism as a consequence of the deepening of the lithospheric slab under the Aegean microplate.

The limited extension and the relatively short-lived calc-alkaline activity of the South Aegean Sea arc could be related to the particular geodynamic pattern of the Mediterranean area which is characterized by a microplates mosaic between the two converging African and Eurasian major plates.

Résumé

Nisyros est une ile entièrement volcanique située à la limite orientale de l’arc insulaire calco-alcalin quaternaire de la mer Egée méridionale.

Une détermination d’âge absolu à l’aide de la méthode du K/Ar a donné un âge de 0,2 m.a. pour l’une des plus anciennes laves affleurant à Nisyros.

L’évolution volcanologique de cette île peut être reconstruite de la façon suivante:

• a) après une période d’activité sous-marine (pillow-lavas et hyaloclastites en sont les témoins) que l’on peut supposer comprise entre 3,0 (?) et 0,2 m.a., l’île surgit au-dessus du niveau de la mer;

• b) une activité subaérienne, en partie effusive et en partie explosive, issue de différents centres d’émission, construisit petit à petit un strato-volcan assez complexe, probablement à environ 0,2 m.a.;

• c) a un moment de l’histoire de ce volcan, que l’on peut situer entre 0,2 m.a. et nos jours, un effondrement du sommet, faisant suite à une forte activité explosive, produisit une caldera, encore parfaitement conservée; une activité post-caldera produisit par la suite, à l’intérieur et à l’extérieur de la caldéra, de gros dômes de lave très visqueuse et de courtes coulées, de composition uniforme;

• d) de spectaculaires cratères d’explosion phréatique se formèrent sur le fond de la caldéra à l’époque historique;

• e) actuellement, une importante activité hydrothermale affecte une bonne partie du fond de la caldéra.

On peut penser que le volcan Nisyros n’est pas encore éteint.

Les quatre petits ilots volcaniques (Yali, Stronjili, Pakia et Perigusa), situés à quelques milles au Nord et à l’Ouest de Nisyros, tout en étant des centres volcaniques indépendants, sont constitués de produits liés pétrologiquement au magma de Nisyros.

Les roches volcaniques de Nisyros et des ilots voisins, de même que celles des volcans du même âge de l’arc sud égéen (Aegina, Milos, Santorin, etc.), appartiennent à une série orogénique calcoalcaline typique (allant des andésites basiques jusqu’à des rhyolites fortement acides) contenant une quantité normale de K₂O. Le contenu en potassium de ces roches est compatible avec une profondeur de 150 km de la zone seismique au-dessous de l’arc volcanique actif.

L’existence d’une caldera sommitale et la présence d’une grande quantité d’enclaves (soit cumulites à hornblende, soit roches dérivant du métamorphisme de contact avec des calcaires) permettent de penser qu’il y a une chambre magmatique située a faible profondeur au-dessous du volcan. Les obsidiennes rhyolitiques de l’ilot de Yali representent les termes finals du fractionnement des thyodacites de Nisyros.

Des arguments volcanologiques et pétrologiques témoignent donc d’un processus de cristallisation fractionnée dans la genèse de la série de différentiation calcoalcaline de Nisyros et des îles mineures. Cependant, l’absence de roches ayant une composition de «High Alumina Basalt» rend difficile la définition exacte de la nature du magma primitif.

Selon les plus récentes données géophysiques, une collision entre continents est déjâ en cours le long du Fossé Hellenique; par conséquent, Nisyros et les autres volcans actifs de l’arc sud égéen approchent un stade de sénilité. La prochaine étape pourrait être une transition vers un magmatisme shoshonitique par suite de l’approfondissement de la plaque lithospherique au-dessous de la microplaque égéenne.

L’extension limitée et la durée relativement courte de l’activité calcoalcaline dans l’arc sud égéen pourrait être le résultat de la situation géodynamique particulière de la zone méditerranéenne qui est caractérisée par une mosaïque de microplaques situées entre les deux grandes plaques convergentes de l’Afrique et de l’Eurasie.