Sedimentary and Neotectonic History of Lake Ohrid (Albania/Macedonia):Acquisition and Interpretation of New Hydro-Acoustic and Seismic Data

Lindhorst, Katja

Ancient Lake Ohrid an oligotrophic lake is probably the oldest existing lake in Europe. It is located on the Balkan Peninsula within the Dinaride-Albanide-Hellenide mountain belt, and is often referred to as a hotspot of endemic biodiversity. This study sheds light on the tectonic and sedimentary evolution of Lake Ohrid based on newly-acquired hydro-acoustic and seismic data sets. It testifies the importance of Lake Ohrid as a valuable archive susceptible to provide a continuous sediment record within the scope of the International Continental Drilling Program (ICDP) campaign scheduled for September/October 2012. Interpretation of multichannel seismic cross sections and bathymetric data reveals that Lake Ohrid formed in two main deformation phases: (1) a transtensional phase resulted in an opening of a pull-apart basin probably in Late Miocene; and (2) an extensional phase since the Pliocene to recent that led to the present geometry of Lake Ohrid. After initial opening during phase 1 a symmetrical graben formed, bounded by the Central Basin faults that acted as master faults The early stage geometry of the basin has a typical rhomboidal shape restricted by two sets of major normal faults, namely Lini and Kaneo (NE-SW), Piskupat and Pescani (NW-SE) Faults. The location of the basin initiation coincides with the greatest depth of the acoustic basement; nowadays a thick succession yof undisturbed sediments is found in this area. Neotectonic activity since the Pliocene takes place along the roughly N-S directed Eastern and Western Major Boundary Normal faults that are partly exposed at the floor of the lake. Numerous faults are present in the northern area offsetting syn-tectonic sediments, thus confirming the hypothesis that Lake Ohrid Basin is still experiencing extension. Furthermore, the active Gorenci sinistral strike slip Fault is most likely responsible for the opening of the Struga Graben detectable at the lake floor as a NE-SW directed elongated graben structure. Seismic stratigraphic interpretation revealed a regular depositional pattern of fluvial deposits overlying the pre-rift basement, the uppermost unit shows deep lacustrine sediments, which form the majority of the entire sedimentary infill; such a sedimentary succession is comparable to a tripartite sediment succession described for rift lakes indicating the different stages of basin evolution. A major outcome of this study is the establishment of a chrono-stratigraphic scheme developed for undisturbed lacustrine sediments back to an age of 430 kyr indicating that these sediments document glacial and interglacial cycles back to Marine Isotope Stage (MIS) 12. A refined calculation on the basis of our new geological data set revealed a limnological age of at least 2 Myr for Lake Ohrid. Stacked clinoforms indentified on seismic lines in the southern area indicate significantly lower lake levels prior to MIS 6. This period is also characterized by a progressive rise of water level with intermittent stillstands since its existence as water-filled body, which might have favored expansion of endemic species within Lake Ohrid. Significant lake level fluctuations with prominent lowstands of ca. 60 and 35 m below the present water level occurred during MIS 6 and 5, respectively. The effect of these lowstands on the biodiversity along most of the coasts of the lake is probably negligible, due to only small changes in lake surface area, coastline, and habitat. In contrast, the biodiversity in shallow-lacustrine areas was more severely affected due to disconnection of sublacustrine springs from the main water body. Other interesting features in Lake Ohrid are mass movement deposits that are widespread within the basin and have been mapped at different stratigraphic levels of the basin. A cluster of slide deposits around Magic Mountain (a prominent basement high in the central basin) indicates a relationship between mass movement events and the activation of faults that bound the intrabasinal high. In general slides are present adjacent to major fault structures such as the Lini fault, the Eastern and Western Major Boundary faults, and the Udenisht fault in the south suggesting that they are seismically triggered. The Udenisht slide complex in the southwestern part of the lake is by far the largest mass failure event within the basin. The slide deposits cover an area of ~27 km², are up to 50 m thick, and sum up to a volume of ~0.11 km³. First age estimations suggest that the Udenisht Slide is less than 1,500 years old. Although the volume of the Udenisht slide is well within the range of landslide volumes capable to trigger tsunamis, detailed analysis of our data suggests that no major tsunami was triggered. In contrast, subsurface and morphological indications for lake floor instabilities along the western margin outline potential rotational slumping with a high risk of tsunami generation in the future.

Der oligotrophe Ohridsee ist wahrscheinlich der älteste existierende See in Europa. Er befindet sich in der Dinariden-Albaniden-Helleniden Bergkette auf der Balkanhalbinsel und wird häufig als Hotspot für endemische Biodiversität genannt. Diese Arbeit untersucht die tektonische und sedimentologische Entwicklung des Ohridsees auf der Basis neu aufgezeichneter hydroakustischer und seismischer Datensätze. Sie verdeutlichen die Bedeutung des Ohridsees als wertvolles Archiv für die Erbohrung eines langen, koninuierlichen Sedimentkernes im Rahmen eines Bohrprojektes des International Continental Drilling Program (ICDP), das im September/Oktober 2012 stattfindet. Die Auswertung und Interpretation von seismischen Profilen und bathymetrischen Daten ergab, dass der Ohridsee in zwei Hauptdeformationsphasen entstand. Im späten Miozän öffenete sich ein Pull-Apart Becken aufgrund einer transtensionalen Phase (1). Die heutige vorherrschende Geometrie des Ohridbecken ist eine Folge einer O-W Ausdehnung, die das Gebiet seit dem Pliozän beeinflusst (2). Das ursprünglich geöffnete Becken entwickelte sich zu einem symmetrischen Graben der von zwei Hauptabschiebungen, den Central Basin Störungen, eingegrenzt ist. Desweiteren entwickelte sich während des frühen Entwicklungsstadiums des Beckens eine typische rhombische Form, die jeweils von zwei Störungssystemen an jeder Seite begrenzt ist: die Lini und Kaneo Störungen (NO-SW) sowie die Piskupat und Pescani Störungen (NW-SO). An der Stelle, an der die Beckenentwicklung wahrscheinlich begann, befindet sich heute die größte Tiefe des Grundgebirges, die von mächtigen, ungestörten Sedimenten (>700m) überdeckt ist. Neotektonische Aktivitäten seit dem Pliozän wurden entlang der N-S streichenden östlichen und westlichen Hauptverwerfungen beobachtet. Die Hauptstörungen streichen teilweise am Seeboden aus. Zahlreiche Abschiebungen wurden im nördlichen Bereich des Ohridsees beobachtet und bestätigen damit die Hypothese, dass sich der Ohridsee auch rezent noch weiter dehnt. Diese Störungen versetzen die jüngsten Sedimente und werden daher als aktive Störungen interpretiert. Die Gorenci Störung, eine sinistrale Blattverschiebung, wird als Auslöser für die Entwicklung des Struga Graben, einem NO-SW gerichteten längliche Vertiefung im nördlichen Bereich des Sees, interpretiert. Im Becken wurde regelmässig wiederkehrende Ablagerungsstrukturen beobachtet. Das Grundgebirge wird von fluviatilen Ablagerungen bedeckt. Der Hauptteil der Sedimente, die sich im Becken befinden, bestehen aus lakustriinen Sedimenten die darauf hinweisen, dass der See über einen langen Zeitraum Wasser enthielt und nicht austrocknete. Die Abfolge an Ablagerungen (fluviatile, gefolgt von lakustrine) wird auch in den meisten Riftseen beobachtet, wo sie Aufschluss über die einzelnen Stadien der Seenentwicklung geben. Ein Hauptergebnis der Arbeit ist die Entwicklung eines chrono-stratigraphischen Modells für ungestörte Sedimente mit einem maximalen Alter von 430 kyrs im zentralen Teil des Sees. Mit Hilfe dieses Modells konnte gezeigt werden, dass die sedimentären Ablagerungen im Ohridsee wertvolle Informationen über die glazialen und interglazialen Stadien enthalten, mindestens bis zum MIS 12. Desweiteren konnte die Altersabschätzung des Sees verbessert werden. Das limnologische Alter wird nun auf mindestens 2 Millionen Jahre geschätzt. Seismische Profile, die den südlichen Teil des Sees abbilden zeigen Klinoformen, die in verschiedenen Untergrundtiefen auftreten. Diese Strukturen weisen daraufhin, dass der Seespiegel des Ohrids vor dem MIS 6 signifikant geringer war als heute. Ein stetiger Anstieg des Seespiegels ist charakteristisch für diese Zeitperiode und begünstigte möglicherweise die Ausbreitung vieler endemischer Arten im See. Bedeutende Seespiegelschwankungen im MIS 5 und 6 konnten anhand von Terrassenstrukturen im Bereich der Ohridbucht in 35 und 60 m Tiefe belegt werden. Allerdings wirkten sich diese Seespiegelschwankungen eher gering auf die Ausbreitung der Arten aus, da sich die Seeoberfläche, die Küstenlinie sowie die Lebensräume nur wenig änderten. In sehr flachen Bereichen, an denen Unterwasserquellen austreten und sich Lebensräume für ganz spezielle Lebensformen entwickelten, ist dagegen bereits der Einfluss einer geringen Änderung des Seespiegels entscheidend. Eine weitere Besonderheit des Ohridsees sind Massenumlagerungen, die sich in verschiedenen stratigraphischen Tiefen wiederfinden. Eine Häufung dieser Rutschungsablagerungen findet man um den Magic Mountain herum (eine dominante Erhöhung im See), was darauf schließen lässt, dass diese Rutschungsablagerungen mit der seismischen Aktiviät entlang der Störung en in Zusammenhang stehen. Weiterhin findet man in der Nähe von Störungen wie zum Beispiel der Lini oder der Ost- und West- Hauptverwerfungen sowie der Udenisht Störung häufig solche Massenumlagerungen; ein Hinweis darauf, dass diese Rutschungen durch einen seismischen Trigger ausgelöst wurden. Im südwestlichen Teil des Ohridsees befindet sich der Udenisht Rutschungskomplex, eine der größten Flächen, die auf eine Rutschung zurückzuführen ist. Die Ablagerungen bedecken eine Fläche von ~27 km², sind bis zu 50 m mächtig und haben ein Volumen von ~0,11 km ³. Erste Altersabschätzungen ergeben ein Alter von weniger als 1500 Jahr für die Udenisht Rutschung. Das Volumen der Rutschung ist groß genug um einen Tsunami auszulösen allerdings weist eine detaillierte Analyse unserer Daten nicht daraufhin, dass es einen größen Tsunami im Ohridsee gegeben haben könnte. Hingegen nördlich der Udenisht Rutschung entlang des westlichen Hanges gibt es weitere Hinweise auf Instabilitäten. Eine Interpretation der morphologischen Strukturen deutet darauf hin, dass es sich um rotationale Deformationen handelt, welche ein höheres Risiko haben zukünftig einen Tsunami auszulösen.

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Lindhorst, Katja: Sedimentary and Neotectonic History of Lake Ohrid (Albania/Macedonia):Acquisition and Interpretation of New Hydro-Acoustic and Seismic Data.

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