SUBDUCTION SYTEMS IN THE WESTERN MEDITERRANEAN : 

ASSESSING THE ACTIVITY AND SEISMIC RISK

M.-A. Gutscher, E. Thiebot

*

, J.-P. Rehault

IUEM, UMR 6538, Domaines Océaniques, Plouzané, France - gutscher@univ-brest.fr

Abstract

Geophysical and geochemical data indicate the presence of slabs of oceanic lithosphere, with recent subduction beneath the Gibraltar and

Calabrian arc systems. Great historical earthquakes and tsunamis have been recorded in these regions, whose source remain unkown. We

propose that subduction beneath Gibraltar and Calabria is active and that a large, locked seismogenic zone exists. Acqusition of additional

data is required to test this hypothesis.

Key words: subduction, earthquake, tsunami, Gibraltar, Calabria

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

36

The Western Mediterranean (from S Iberia to S Italy) is the site of

slow convergence between Africa and the southwest ?ank of Europe.

Here, several Neogene basins situated on the interior of Alpine fold-

and-thrust belts appear to have undergone extension and subsidence

during active orogenic convergence [1,2]. The Western Mediterranean

region is bounded at its extremities by two small subduction systems,

with accompanying back-arc basins: the Gibraltar arc – Alboran Sea to

the west and the Calabrian arc – SE Tyrrhenian Sea, to the east (Fig.1).

Arc volcanism occurs presently behind the Calabrian slab (the Aeolian

Islands), but ceased in the W Alboran Sea around 5 Ma [3].

Fig.1. Geodynamic setting of the Western Mediterranean with the

Gibraltar and Calabria subduction – arc systems indicated. Note the cur-

rent volcanic arc in the SE Tyrrhenian Sea and the paleo-arc in the W.

Alboran Sea.

Tomographic image reveal high p-wave velocity anomalies (cold,

dense slabs of oceanic lithosphere) extending continuously from

oceanic domains at the surface down to the 660 km discontinuity, and

passing through regions of intermediate and deep focus seismicity

[4,5] (Fig. 2). The regional kinematics and back-arc basin formation

are best explained by models of slab-roll back during subduction

[1,5,6] The question which remains is; are these subduction systems

still active today?

Fig. 2. Seismic tomographic images A: cross-section at 36°N across the

Gibraltar Arc, B: cross-section through Calabria and Sardinia.

The Gibraltar and Calabria regions are marked by a moderately

high degree of seismicity, but have been the site of devastating

historical earthquakes. In particular, the sources of the great “Lisbon”

earthquake of 1755 and the Catania earthquake of 1693 (which each

caused upwards of 60,000 casualties), remain unknown to this day

[7,8]. However, the generation of strong tsunamis (>5 m wave

heights) implies a source region at least partly at sea. No

instrumentally recorded subduction interface earthquakes (with a

shallow-dipping, thrust-type focal mechanism) are known for either of

these two sytems. Therefore, either subduction has ceased (no

seismogenic zone), subduction is active and aseismic, or subduction is

active and the seismogenic zone is currently locked. We favor the

latter interpretation, in which case the two arcs would exhibit a similar

behavior as the Nankai or Cascadia subduction zones, characterized

by a large locked zone, and a recurrence time of 100 – 1000 years for

great earthquakes.

The active subduction hypothesis requires testing and we propose

the following criteria to determine the activity of the Gibraltar and

Calabria subduction systems:

- active thrusting at the deformation front of the accretionary wedge

- active extension in the back-arc domain (subsidence or sea-?oor

spreading)

- great earthquakes with long recurrence interval

- independant kinematics of the upper plate block (Gibraltar /

Calabria)

- active lateral bounding faults (likely with transcurrent motion)

A series of marine geophysical cruises are planned for 2003 – 2005

to constrain deformation in the Gulf of Cadiz accretionary wedge and

the turbidite record in the adjacent abyssal plains.

References

1-Rehault, J.-P., Boillot, G., Mauffret, A., 1985, The western

Mediterranean Basin. Pp. 101-129. In: D.J. Stanley, and F.C. Wezel (eds.),

Geological Evolution of the Mediterranean Basin. Springer, Berlin,

2-Malinverno, A., Ryan, W.B., 1986. Extension in the Tyrrhenian Sea and

shortening in the Appenines as a result of arc migration driven by sinking

of the lithosphere. Tectonics, v. 5: 227-245.

3-Duggen, S., Hoernle, K., van den Bogaard, P., Ruepke, L., Phipps-

Morgan, J., 2003, Deep roots of the Messinian Salinity Crisis. Nature,

402: 602-606.

4. Wortel, M.J.R., Spakman, W., 2000, Subduction and slab detachment in

the Mediterranean-Carpathian region. Science, 290: 1910-1917.

5-Gutscher, M.-A., Malod, J., Rehault, J.-P., Contrucci, I., Klingelhoefer,

F., Mendes-Victor, L., Spakman, W., 2002. Evidence for active subduction

beneath Gibraltar. Geology, 30: 1071-1074.

6-Gvirtzman, Z., and Nur, A., 1999. The formation of Mount Etna as the

consequence of slab rollback. Nature, 401: 782-785.

7-Baptista, M.A., Miranda P.M.A., Miranda, J.M., Mendes Victor, L.,

1998. Constraints on the source of the 1755 Lisbon tsunami inferred from

numerical modelling of historical data on the source of the 1755 Lisbon

tsunami. J. Geodynamics, 25: 159-174.

8-Piatenesi, A., and Tinti, S., 1998. A revision of the 1693 Sicily

earthquake and tsunami.J. Geophys. Res., 103: 2749-2758.