Quaternary paleogeographic and sea-level change reconstructions in the Eastern Mediterranean: advanced marine geophysical techniques in archaeologically significant coastal areas

Abstract

Coastal areas provide multiple support for life on earth and are expected to play a major role in society’s development in the near future. The rising human activities and resources exploitation have increased pressure in the coastal zone and the marine environment, causing marine pollution, climatic crisis, and nature-cultural heritage loss. This has forced the governments to enact Marine Spatial and Integrated Coastal Zone Management plans. However, before establishing these plans, stakeholders and decision-makers should be aware of the resources' spatial extent in order to plan a sustainable future that will allow the balanced management of sea resources’ exploitation and nature-cultural heritage preservation. The main pillar for achieving this purpose in the marine environment is the establishment of multileveled and multi-thematic geodatabases that will allow users to correlate, join and combinedatasets of different spatial analyses and information.This thesis is separated into six chapters:▪ The 1st chapter is the introduction of the thesis and is dedicated to the description of the main processes that affect the sea level through the geological time. These are separated in the eustatic and the relative sea-level change processes that affect the sea level in a global and regional/local scale respectively. Scientists use the geological and archaeological remains, for the reconstruction of the past sea-level, which are called “Relative sea-level indicators” (RSLi). These RSLi consist of geological formations such as marine terraces, notches, coral reefs etc. and archaeological indicators such as harbor facilities, fish tanks etc, while each one allows specific precision in the sealevel change reconstruction. The analysis of these indicators are playing a major role in the climate reconstruction, especially during Interglacial periods, during the Last Interglacial periods (Georgiou et al. 2019), when the climatic conditions were similar to the present. In this way, we will be able to evaluate the modern accelerating rates and estimate/model the future ones. Such an example is presented in an article related to sealevel reconstruction through a tidal notch shape analysis which was published during the Ph.D. period and is included in the dissertation’s broader scientific field:Georgiou N., Stocchi P., Rovere A., Elisa Casella E. (2020) IMEKO TC-19 International Workshop on Metrology for the Sea Naples, Italy, October 5-7, 2020 Reconstructing past sea level through notches: Orosei Gulf (Indexed in Scopus)The Eastern Mediterranean is one of the most complete and diverse databases of global sea-level and human history. The Underwater Cultural Heritage (UCH) in the Eastern Mediterranean and the testimonies that are laying on the seafloor constitute part of our history which should be mapped, protected and preserved for the future generations. Marine geophysics are the main tool to map and delimit the submerged archaeological remains and consists the pillar to the creation of extended databases of different spatial resolution and information regarding the seafloor. Extensive work has been performed in the marine environment raising the awareness in the Greek UCH, in the context of the dissertation’s broader scientific field:Papatheodorou G., Geraga M., Christodoulou D., Fakiris E., Iatrou M., Georgiou N., Dimas X., Ferentinos G. (2021). The Battle of Lepanto search and survey mission (1971-72) by Throckmorton, Edgerton and Yalouris: Following their traces a half century later using marine geophysics. Remote Sensing.; (Q1) (ISSN 2072-4292) https://doi.org/10.3390/rs13163292Geraga M, Christodoulou D, Eleftherakis D, Papatheodorou G, Fakiris E, Dimas X, Georgiou N., Kordella S, Prevenios M, Iatrou M, Zoura D, Kekebanou S, Sotiropoulos M, Ferentinos G. (2020). Atlas of Shipwrecks in Inner Ionian Sea (Greece): A Remote Sensing Approach. Heritage.; 3(4):1210-1236. https://doi.org/10.3390/heritage3040067Ferentinos G., Fakiris E., Christodoulou D., Geraga M., Dimas X., Georgiou N., Kordella S., Papatheodorou G., Prevenios M., Sotiropoulos M. (2020). Optimal sidescan sonar and sub-bottom profiler surveying of ancient wrecks: The ‘Fiskardo’ wreck, Kefallinia Island, Ionian Sea, Journal of Archaeological Science, Volume 113, 105032, ISSN 0305-4403, (Q1) https://doi.org/10.1016/j.jas.2019.105032.Geraga M., Papatheodorou G., Ferentinos G., Fakiris E., Christodoulou D., Georgiou N., Dimas X., Iatrou M., Kordella S., Sotiropoulos G., Mentogiannis V., Delaporta K. The study of an ancient shipwreck using marine remote sensing techniques, in Kefalonia Island (Ionian Sea), Greece, Archaeologia Μaritima Μediterranea - International Journal on Underwater Archaeology, v. 12, pp. 183-200. (Q4)The two areas presented in the current thesis are situated in the Eastern Mediterranean and more specifically in the countries of Lebanon and Greece. Byblos (Lebanon) and Aegina (Greece) are two of the most continuously inhabited ancient cities which are both globally known as two of the greatest maritime centers during the Bronze age, renowned primarily as chief harbours either for trading or naval purposes. As expected, for the cities to serve this purpose, important harbour facilities must have been built to support their status.▪ The 2nd chapter describes the chronicles of the field trips and the equipment used in each survey. More specifically, the offshore surveys in Byblos were completed in three different phases (2014, 2016, 2017). During the first survey in 2014 a first approach was made in the offshore coastal zone using the available marine geophysical equipment: i)Side-scan sonar, ii) sub-bottom profiler (3.5kHz) and iii) a single beam echosounder. In 2016 the survey was divided in an offshore marine geophysical survey (using sub-bottom profiler-“Chirp”, ADCP, single-beam echosounder) and a sampling survey along the coastal zone of Byblos. The last survey in Byblos, was operated during 2017 and was focused on a focused detailed geomorphological mapping of the geological sea-level indicators detected during the previous surveys using a multibeam echosounder and on an underwater diving survey that aimed in the acquisition of underwater images of these findings.The second survey area, Aegina-Greece, was mapped during 2018. A research vessel was equipped with a side-scan sonar, a sub-bottom profiler and a multibeam echosounder, in order to map in detail, the geomorphology of the area and the extent of the submerged archaeological remains. An ROV was also used to ground-truth the findings of the survey and perform photogrammetry on one of the archaeological findings. The methodology that was used for the data acquisition is described below.▪ The 3rd one (Chapter 3) is based on the article:“Integrated Methodological Approach for the Detection and Mapping of Marine Priority Habitat Types and Submerged Antiquities: examples implemented in the Saronic Gulf, Greece” Georgiou N., Dimas X., Papatheodorou G. which was published in Sustainability-MDPI (I.F. 3.25) Q1. &The book chapter:The palaeogeography of the strait of Salamis: Marine geoarchaeological survey in the strait of Salamis and the Ampelakia Bay. In Salamis 480 B.C; Papatheodorou, G.; Geraga, M.; Georgiou, N.; Christodoulou, D.; Dimas, X.; Fakiris, E.; Ferentinos, G. Hellenic Maritime Museum, 2020, 2020; pp. 392–411 ISBN 13 9786188218178.This article proposes an integrated downscale methodological approach that summarizes the existing and developing methodologies for mapping the seafloor/substrate in offshore coastal environments and detecting archaeological-geomorphological features and marine priority habitats. The methodology proposed is based on three main methodological axes of increasing spatial resolution: i) desk-based research, ii) marine geophysics/ seafloor classification, and iii) in-depth visual inspection /3D mapping. In this way, it ispossible to produce datasets of different spatial analyses (meter to millimeter scale). The results of this methodology were integrated into a Marine Spatial Planning map regarding the area of the Saronic Gulf in Greece.Regarding the main parts of the thesis the 4th (Chapter 4) and 5th (Chapter 5) parts, they are dedicated to the implementation of the previously proposed methodology especially for the detection of underwater cultural heritage and geomorphological-geological features which were finally interpreted as relative sea-level indicators. Sea level rise drove to the submersion of coastal archaeological remains, disappearing their traces and risking their very existence while submerging important evidence related to sea-level fluctuation, human evolution, and dispersal. In addition, sea-level change research through geological/geomorphological indicators is of crucial importance against climatic change. At present, it is important to know the extent of natural phenomena based on natural variability and be able to quantify the influence of humans on them. To do so, it is essential to reconstruct past sea-level using theRSLi and establish the sea level rise rate during the late Holocene but also during the Last Interglacial periods, when climatic conditions were similar to the present. In this way, we will be able to evaluate the modern accelerating rates and model the future ones. The two survey areas that combine both those archaeological and geomorphological criteria are Byblos in Lebanon (Chapter 4) and Aegina in Greece (Chapter 5).▪ Regarding the 4th part of the thesis (Chapter 4):Chapter 4.1, 4.2 & 4.4 is based on the final report to the DGA (Directorate General of Antiquities) titled “Offshore Geo-archaeological Research in Byblos, Lebanon”.Chapter 4.1 is based on the article: “Marine geophysical survey offshore Byblos: preliminary results” Papatheodorou G., Geraga, M., Georgiou N., Christodoulou D. published in BAAL: bulletin d'archéologie et d'architecture libanaises (BAAL is the annual journal issued by the Directorate General of Antiquities in cooperation with the Lebanese Ministry of Culture since 1996) & Chapter 4.3 is based on the article: “Late Pleistocene submarine terraces in the Eastern Mediterranean, central Lebanon, Byblos: Revealing their formation time frame through modeling”Georgiou N., Papatheodorou G., Francis-Allouche M., Geraga M., Christodoulou D., Stocchi P., Fakiris E., Dimas X., Zoura D., Iatrou M. submitted in Quaternary International-Elsevier (I.F. 2.13) Q1This chapter describes the implementation of the proposed methodology (Chapter 3) in the area of Byblos, Lebanon, primarily contributing to detecting the location of the renowned Phoenician harbor. To add to that, two different sequences of submarine terraces (nearshore, distant sequences) were mapped in detail, at the offshore coastal area of Byblos and interpreted as relative sea-level indicators. A semi-automatic technique for the analysis of the acoustic data was used to detect the submarine terraces and acquire their morphometry. Then, this was combined with a model that uses their morphometry as input, and which is set to test it towards existing sea-level curves, uplift rates, and cliff retreat rates in order to find the most possible time frame of the submarine terraces’ formation. In this way, it was revealed that the distant sequence was possibly formed during the MIS3 interglacial period, ranking them among the unique MIS3 submarine terraces found in the Eastern Mediterranean. Finally, this contributed to the paleogeographic reconstruction of the area.The 5th part of the thesis (Chapter 5) is based on the article:“A multidisciplinary approach for the detection, mapping and morphometric analysis of ancient coastal installations: The case study of the ancient Aegina harbour complex” Georgiou N., Dimas X., Fakiris E., Christodoulou D., Geraga M., Koutsoumpa D., Baika K., Kalamara P., Papatheodorou G., Ferentinos G. published in Remote Sensing-MDPI (I.F. 4.84) Q1.This chapter uses the proposed methodology (Chapter 3) in the coastal area of Aeginaisland in Greece, where a one-of-a-kind submerged harbour complex is apparent. Thisapproach succeeded in obtaining information that serves both geomorphological and archaeological purposes in a time- and cost-effective way, while obtaining information of centimeters to millimeters scale. The geomorphology of the area was mapped in detail through marine geophysical means while ancient submergedconical rubble structures and breakwaters were delimited using automatic seafloor segmentation techniques, revealing previously unknown sites of archaeologicalinterest. Part of the seafloor classification techniques were developed and used in the articles below, which were also included in the dissertation’s broader scientific field:Fakiris E., Blondel P., Papatheodorou G., Christodoulou D., Dimas X., Georgiou N., Kordella S., Dimitriadis C., Rzhanov Y., Geraga M., Ferentinos G. (2019). Multi-Frequency, Multi-Sonar Mapping of Shallow Habitats—Efficacy and Management Implications in the National Marine Park of Zakynthos, Greece.Remote Sensing; 11(4):461. (Q1) https://doi.org/10.3390/rs11040461Fakiris E., Zoura D., Ramfos A., Spinos E., Georgiou N., Ferentinos G., Papatheodorou G., (2018). Objectbased classification of sub-bottom profiling data for benthic habitat mapping. Comparison with sidescan and RoxAnn in a Greek shallow-water habitat, Estuarine, Coastal and Shelf Science, Volume 208, p. 219-234, ISSN 0272-7714, (Q1) https://doi.org/10.1016/j.ecss.2018.04.028.The structures’ parameters were extracted from the acoustic data to analyze their morphometry, while photogrammetry was realized using a Remotely Operated Vessel to expose their microstructure. The spatial distribution of the structures revealed the construction of a well-planned harbour complex with multiple entrances, while based on different sea-level scenarios in the Holocene, different possible functionalities were assumed (shielding-sheltering). Finally, through the structures’ morphometric analysis (geometry and terrain statistical parameters) their preservation status was revealed, uncovering the anthropogenic impact on the submerged antiquities due to the modern harbor activity.▪ The 6th and last chapter of the thesis (Chapter 6) is the synthesis of this thesis where a summary of the surveys’ results is presented and questions of broader scientific context but also of site-specific scientific interest are answered. Finally, the limitations of the implemented methodological approach are referred, and the future/missing directions are proposed.

Οι παράκτιες περιοχές παρέχουν πολλαπλή υποστήριξη για τη ζωή στη γη και αναμένεται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της κοινωνίας στο εγγύς μέλλον. Οι αυξανόμενες ανθρώπινες δραστηριότητες και η εκμετάλλευση των πόρων έχουν αυξήσει την πίεση στην παράκτια ζώνη και στο θαλάσσιο περιβάλλον, προκαλώντας θαλάσσια ρύπανση, κλιματική κρίση και απώλεια φυσικής-πολιτιστικής κληρονομιάς. Αυτό ανάγκασε τις κυβερνήσεις να θεσπίσουν Θαλάσσιο Χωροταξικό Σχεδιασμό και Ολοκληρωμένα Πλάνα Διαχείρισης της Παράκτιας Ζώνης. Ωστόσο, για την υλοποίηση των πλάνων, οι ενδιαφερόμενοι και οι υπεύθυνοι λήψης αποφάσεων θα πρέπει να γνωρίζουν τη χωρική έκταση των πόρων προκειμένου να σχεδιάσουν ένα βιώσιμο μέλλον που θα επιτρέψει την ισορροπημένη διαχείριση των θαλάσσιων πόρων και τη διατήρηση της φυσικής πολιτιστικής κληρονομιάς. Ο κύριος πυλώνας για την επίτευξη αυτού του σκοπού στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι η δημιουργία πολυεπίπεδων και πολυθεματικών βάσεων γεωδεδομένων που θα επιτρέπουν στους χρήστες να συσχετίζουν και να συνδυάζουν σύνολα δεδομένων διαφορετικών χωρικών αναλύσεων και πληροφοριών.Η παρούσα διατριβή χωρίζεται σε έξι κεφάλαια:▪ Το 1ο κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της διπλωματικής εργασίας και είναι αφιερωμένο στην περιγραφή των κυριότερων διεργασιών που επηρεάζουν τη στάθμη της θάλασσας κατά τη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου. Αυτά διαχωρίζονται στην ευστατική και στη σχετική διαδικασία αλλαγής της στάθμης της θάλασσας που επηρεάζουν τη στάθμη της θάλασσας σε παγκόσμια και περιφερειακή/τοπική κλίμακα αντίστοιχα. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τα γεωλογικά και αρχαιολογικά κατάλοιπα, για την ανάπλαση της θαλάσσιας στάθμης, τα οποία ονομάζονται «Σχετικοί δείκτες στάθμης της θάλασσας». Οι δείκτες αυτοί αποτελούνται από γεωλογικούς σχηματισμούς όπως θαλάσσιες αναβαθμίδες, εγκοπές, κοραλλιογενείς υφάλους κ.λπ. και αρχαιολογικούς δείκτες όπως λιμενικές εγκαταστάσεις, δεξαμενές ψαριών κ.λπ., ενώ ο καθένας παρέχει συγκεκριμένη ακρίβεια. Η ανάλυση αυτών των δεικτών έχει σημαντικό ρόλο στην ανασυγκρότηση του κλίματος, ιδιαίτερα κατά τις Μεσοπαγετώδεις περιόδους, όταν οι κλιματικές συνθήκες ήταν παρόμοιες με τις σημερινές. Με αυτόν τον τρόπο, θα είμαστε σε θέση να αξιολογήσουμε τους σύγχρονους ρυθμούς επιτάχυνσης και να εκτιμήσουμε/μοντελοποιήσουμε τους μελλοντικούς. Ένα τέτοιο παράδειγμα παρουσιάζεται στο άρθρο: "Georgiou N., Stocchi P., Rovere A., Elisa Casella E. (2020) IMEKO TC-19 International Workshop on Metrology for the Sea Naples, Italy, October 5-7, 2020 Reconstructing past sea level through notches: Orosei Gulf (Indexed in Scopus)" που έχει δημοσιευθεί από τον συγγραφέα της παρούσας διδακτορικής διατριβής.Η Ανατολική Μεσόγειος είναι μια από τις πληρέστερες και ποικιλόμορφες βάσεις δεδομένων της παγκόσμιας στάθμης της θάλασσας και της ανθρώπινης ιστορίας. Η Υποθαλάσσια Πολιτιστική Κληρονομιά στην Ανατολική Μεσόγειο και οι ακίνητες/κινητές μαρτυρίες που βρίσκονται στον βυθό της θάλασσας αποτελούν μέρος της ιστορίας μας που πρέπει να χαρτογραφηθεί, να προστατευτεί και να διατηρηθεί για τις επόμενες γενιές. Η θαλάσσια γεωφυσική είναι το κύριο εργαλείο χαρτογράφησης και οριοθέτησης των βυθισμένων αρχαιολογικών καταλοίπων και αποτελεί τον πυλώνα για τη δημιουργία εκτεταμένων βάσεων δεδομένων διαφορετικής χωρικής ανάλυσης και πληροφοριών σχετικά με τον πυθμένα της θάλασσας. Στα ευρύτερα πλαίσια της επιστημονικής διατριβής έχουν πραγματοποιηθεί οι εξής εργασίες: Papatheodorou G., Geraga M., Christodoulou D., Fakiris E., Iatrou M., Georgiou N., Dimas X., Ferentinos G. (2021). The Battle of Lepanto search and survey mission (1971-72) by Throckmorton, Edgerton and Yalouris: Following their traces a half century later using marine geophysics. Remote Sensing.; (Q1) (ISSN 2072-4292) https://doi.org/10.3390/rs13163292Geraga M, Christodoulou D, Eleftherakis D, Papatheodorou G, Fakiris E, Dimas X, Georgiou N., Kordella S, Prevenios M, Iatrou M, Zoura D, Kekebanou S, Sotiropoulos M, Ferentinos G. (2020). Atlas of Shipwrecks in Inner Ionian Sea (Greece): A Remote Sensing Approach. Heritage.; 3(4):1210-1236. https://doi.org/10.3390/heritage3040067Ferentinos G., Fakiris E., Christodoulou D., Geraga M., Dimas X., Georgiou N., Kordella S., Papatheodorou G., Prevenios M., Sotiropoulos M. (2020). Optimal sidescan sonar and sub-bottom profiler surveying of ancient wrecks: The ‘Fiskardo’ wreck, Kefallinia Island, Ionian Sea, Journal of Archaeological Science, Volume 113, 105032, ISSN 0305-4403, https://doi.org/10.1016/j.jas.2019.105032.Geraga M., Papatheodorou G., Ferentinos G., Fakiris E., Christodoulou D., Georgiou N., Dimas X., Iatrou M., Kordella S., Sotiropoulos G., Mentogiannis V., Delaporta K. The study of an ancient shipwreck using marine remote sensing techniques, in Kefalonia Island (Ionian Sea), Greece, Archaeologia Μaritima Μediterranea - International Journal on Underwater Archaeology, v. 12, pp. 183-200.Οι δύο περιοχές που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή βρίσκονται στην Ανατολική Μεσόγειο και πιο συγκεκριμένα στις χώρες του Λιβάνου και της Ελλάδος. Η Βύβλος (Λίβανος) και η Αίγινα (Ελλάδα) είναι δύο από τις πιο συνεχόμενα κατοικημένες αρχαίες πόλεις ποι οποίες είναι παγκοσμίως γνωστές ως δύο από τα μεγαλύτερα θαλάσσια κέντρα της εποχής του Χαλκού, γνωστά κυρίως ως κεντρικοί λιμένες για εμπορικούς είτε για ναυτικούς σκοπούς. Όπως ήταν αναμενόμενο, για να εξυπηρετήσουν οι πόλεις αυτούς τους σκοπούς, θα έπρεπε να διαθέτουν σημαντικές λιμενικές εγκαταστάσεις για να υποστηρίξουν το καθεστώς τους.▪ Στο 2ο κεφάλαιο περιγράφονται τα χρονικά των εργασιών υπαίθρου και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε σε κάθε έρευνα. Πιο συγκεκριμένα, οι θαλάσσιες έρευνες στη Βύβλο ολοκληρώθηκαν σε τρεις διαφορετικές φάσεις (2014, 2016, 2017). Κατά την πρώτη έρευνα το 2014 έγινε μια πρώτη προσέγγιση στην θαλάσσια παράκτια ζώνη με τη χρήση του διαθέσιμου θαλάσσιου γεωφυσικού εξοπλισμού: α) Ηχοβολιστής πλευρικής σάρωσης, β) Τομογράφος υποδομής πυθμένα (3,5 kHz) και γ) μονοδεσμικό βυθόμετρο. Το 2016 η έρευνα χωρίστηκε σε μια θαλάσσια γεωφυσική έρευνα (χρησιμοποιώντας Τομογράφο Υποδομής πυθμένα τύπου «Chirp», ρευματογράφο, μονοδεσμικό βυθόμετρο) και μια δειγματοληπτική έρευνα κατά μήκος της παράκτιας ζώνης της Βύβλου. Η τελευταία έρευνα στη Βύβλο, πραγματοποιήθηκε το 2017 και επικεντρώθηκε σε μια εστιασμένη λεπτομερή γεωμορφολογική χαρτογράφηση των γεωλογικών δεικτών της στάθμης της θάλασσας που εντοπίστηκαν κατά τις προηγούμενες έρευνες, με τη χρήση πολυδεσμικού βυθομέτρου και σε μια καταδυτική έρευνα που είχε ως στόχο τη λήψη υποβρύχιων εικόνων από αυτά τα ευρήματα.Η δεύτερη περιοχή έρευνας (Αίγινα, Ελλάδα), χαρτογραφήθηκε το 2018. Ένα ερευνητικό σκάφος εξοπλίστηκε με ηχοβολιστική πλευρικής σάρωσης, τομογράφο υποδομής πυθμένα (Chirp) και γ) πολυδεσμικό βυθόμετρο , προκειμένου να χαρτογραφηθεί λεπτομερώς η γεωμορφολογία της περιοχής και η έκταση των βυθισμένων αρχαιολογικών καταλοίπων. Χρησιμοποιήθηκε επίσης ένα θαλάσσιο υποβρύχιο όχημα για την οπτικοποίηση των ευρημάτων και την εφαρμογή φωτογραμμετρίκών μεθοδολογιών σε ένα από τα αρχαιολογικά ευρήματα.Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για την συλλογή δεδομένων περιγράφεται στα παρακάτω κεφάλαια:▪ Το 3ο κεφάλαιο βασίστηκε στα παρακάτω άρθρα:“Integrated Methodological Approach for the Detection and Mapping of Marine Priority Habitat Types and Submerged Antiquities: examples implemented in the Saronic Gulf, Greece” Georgiou N., Dimas X., Papatheodorou G. which was published in Sustainability-MDPI (I.F. 3.25), &The palaeogeography of the strait of Salamis: Marine geoarchaeological survey in the strait of Salamis and the Ampelakia Bay. In Salamis 480 B.C; Papatheodorou, G.; Geraga, M.; Georgiou, N.; Christodoulou, D.; Dimas, X.; Fakiris, E.; Ferentinos, G. Hellenic Maritime Museum, 2020, 2020; pp. 392–411 ISBN 13 9786188218178.Αυτό το άρθρο προτείνει μια ολοκληρωμένη μεθοδολογική προσέγγιση που συνοψίζει τις υπάρχουσες και αναπτυσσόμενες μεθοδολογίες για τη χαρτογράφηση του θαλάσσιου πυθμένα/υπεδάφους σε παράκτια περιβάλλοντα και την ανίχνευση αρχαιολογικών γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών και θαλάσσιων οικοτόπων προτεραιότητας. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται σε τρεις κύριους μεθοδολογικούς άξονες αυξανόμενης χωρικής ανάλυσης: α) έρευνα προϋπαρχόντων δεδομένων, β) θαλάσσια γεωφυσική διασκόπηση και ταξινόμηση πυθμένα και γ) εις βάθος οπτική επιθεώρηση / 3D χαρτογράφηση. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατή η δημιουργία συνόλων δεδομένων διαφορετικών χωρικών αναλύσεων (κλίμακα από μέτρο σε χιλιοστό). Τα αποτελέσματα αυτής της μεθοδολογίας ενσωματώθηκαν σε χάρτη Θαλάσσιου Χωροταξικού Σχεδιασμού σχετικά με την περιοχή του Σαρωνικού κόλπου στην Ελλάδα.Όσον αφορά τα κύρια μέρη της διατριβής τα Κεφάλαιο 4 και 5, είναι αφιερωμένα στην εφαρμογή της προηγουμένως προτεινόμενης μεθοδολογίας ειδικά για την ανίχνευση υποβρύχιας πολιτιστικής κληρονομιάς και γεωμορφολογικών-γεωλογικών χαρακτηριστικών που τελικά ερμηνεύτηκαν ως σχετικοί δείκτες της στάθμης της θάλασσας. Η άνοδος της στάθμης της θάλασσας οδήγησε στην βύθιση των παράκτιων αρχαιολογικών καταλοίπων, εξαφανίζοντας τα ίχνη τους και θέτοντας σε κίνδυνο την ίδια την ύπαρξή τους, βυθίζοντας παράλληλα σημαντικά στοιχεία που σχετίζονται με τις διακυμάνσεις της στάθμης της θάλασσας, την ανθρώπινη εξέλιξη και τη διασπορά του είδους μας. Επιπλέον, η έρευνα για την αλλαγή της στάθμης της θάλασσας μέσω γεωλογικών/γεωμορφολογικών δεικτών κρίνεται ύψιστης σημασίας όσον αφορά την κλιματική αλλαγή. Προς το παρόν, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την έκταση των φυσικών φαινομένων με βάση τη φυσική μεταβλητότητα και να μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε την επίδραση των ανθρώπων σε αυτά. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητη η έυρεση της θαλάσσιας στάθμης και ο ρυθμός ανόδου της, κατά το τέλος του Ολόκαινου αλλά και κατά τις Τελευταίες Μεσοπαγετώνες περιόδους, όταν οι κλιματικές συνθήκες ήταν παρόμοιες με τις σημερινές. Με αυτόν τον τρόπο, θα είμαστε σε θέση να αξιολογήσουμε τους σύγχρονους ρυθμούς επιτάχυνσης και να μοντελοποιήσουμε τους μελλοντικούς.Οι δύο περιοχές έρευνας που συνδυάζουν αυτά τα αρχαιολογικά και γεωμορφολογικά κριτήρια είναι η Βύβλος στον Λίβανο (Κεφάλαιο 4) και η Αίγινα στην Ελλάδα (Κεφάλαιο 5).Όσον αφορά το 4ο κεφάλαιο της διδακτορικής διατριβής (Κεφάλαιο 4):Τα κεφάλαια 4.1, 4.2 & 4.4 βασίζονται στην τεχνική έκθεση “Offshore Geo-archaeological Research in Byblos, Lebanon”.Το κεφάλαιο 4.1 βασίζεται επίσης στο άρθρο: “Marine geophysical survey offshore Byblos: preliminary results” Papatheodorou G., Geraga, M., Georgiou N., Christodoulou D. published in BAAL: bulletin d'archéologie et d'architecture libanaises (BAAL is the annual journal issued by the Directorate General of Antiquities in cooperation with the Lebanese Ministry of Culture since 1996) & Το κεφάλαιο 4.3 βασίζεται στο άρθρο: “Late Pleistocene submarine terraces in the Eastern Mediterranean, central Lebanon, Byblos: Revealing their formation time frame through modeling” Georgiou N., Papatheodorou G., Francis-Allouche M., Geraga M., Christodoulou D., Stocchi P., Fakiris E., Dimas X., Zoura D., Iatrou M. submitted in Quaternary International-Elsevier (I.F. 2.13).Αυτό το κεφάλαιο περιγράφει την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας στην περιοχή της Βύβλου του Λιβάνου, συμβάλλοντας πρωτίστως στον εντοπισμό της θέσης του φημισμένου φοινικικού λιμανιού. Δύο διαφορετικές ακολουθίες υποβρυχίων πλατφορμών (κοντινές, απομακρυσμένες ακολουθίες) χαρτογραφήθηκαν λεπτομερώς, στην παράκτια παράκτια περιοχή της Βύβλου και ερμηνεύτηκαν ως σχετικοί δείκτες της στάθμης της θάλασσας. Χρησιμοποιήθηκε ημιαυτόματη τεχνική για την ανάλυση των ακουστικών δεδομένων για τον εντοπισμό των υποβρυχίων πλατφορμών και την απόκτηση της μορφομετρίας τους. Στη συνέχεια, αυτό συνδυάστηκε με ένα μοντέλο που χρησιμοποιεί τη μορφομετρία τους για να εξετάσει την αποτελεσματικότητα των διαφόρων καμπυλών της στάθμης της θάλασσας ως προς το ρυθμό ανύψωσης και το ρυθμό διάβρωσης των ακτών, προκειμένου να βρεθεί το πιο πιθανό χρονικό πλαίσιο δημιουργίας των υποβρυχίων πλατφορμών. Με αυτόν τον τρόπο, αποκαλύφθηκε ότι η απομακρυσμένη ακολουθία σχηματίστηκε πιθανότατα κατά τη μεσοπαγετωνική περίοδο MIS3, κατατάσσοντάς τα μεταξύ των μοναδικών υποβρυχίων πλατφορμών MIS3 που έχουν βρεθεί στην Ανατολική Μεσόγειο εως τώρα. Τέλος, αυτό συνέβαλε στην παλαιογεωγραφική ανάπλαση της περιοχής.Το 5ο μέρος της διατριβής (Κεφάλαιο 5) βασίζεται στο άρθρο:“A multidisciplinary approach for the detection, mapping and morphometric analysis of ancient coastal installations: The case study of the ancient Aegina harbour complex” Georgiou N., Dimas X., Fakiris E., Christodoulou D., Geraga M., Koutsoumpa D., Baika K., Kalamara P., Papatheodorou G., Ferentinos G. published in Remote Sensing-MDPI (I.F. 4.84) Αυτό το κεφάλαιο χρησιμοποιεί την προτεινόμενη μεθοδολογία στην παράκτια περιοχή της Αίγινας, Ελλάδα, όπου είναι εμφανές ένα μοναδικό στο είδος του βυθισμένο λιμενικό σύμπλεγμα. Αυτή η προσέγγιση βοήθησε στη λήψη πληροφοριών που εξυπηρετούν τόσο γεωμορφολογικούς όσο και αρχαιολογικούς σκοπούς με τρόπο αποδοτικό από άποψη χρόνου και κόστους, συλλέγοντας παράλληλα πληροφορίες κλίμακας εκατοστών έως χιλιοστών. Η γεωμορφολογία της περιοχής χαρτογραφήθηκε λεπτομερώς με θαλάσσια γεωφυσικά μέσα, ενώ αρχαίες καταβυθισμένες κωνικές κατασκευές και κυματοθραύστες οριοθετήθηκαν χρησιμοποιώντας τεχνικές αυτόματης ταξινόμησης του πυθμένα, αποκαλύπτοντας προηγουμένως άγνωστες τοποθεσίες αρχαιολογικού ενδιαφέροντος. Μέρος των τεχνικών ταξινόμησης του πυθμένα αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στα παρακάτω άρθρα, τα οποία περιλαμβάνονται επίσης στο ευρύτερο επιστημονικό πεδίο της διατριβής:"Fakiris E., Blondel P., Papatheodorou G., Christodoulou D., Dimas X., Georgiou N., Kordella S., Dimitriadis C., Rzhanov Y., Geraga M., Ferentinos G. (2019). Multi-Frequency, Multi-Sonar Mapping of Shallow Habitats—Efficacy and Management Implications in the National Marine Park of Zakynthos, Greece."και "Remote Sensing; 11(4):461. https://doi.org/10.3390/rs11040461 Fakiris E., Zoura D., Ramfos A., Spinos E., Georgiou N., Ferentinos G., Papatheodorou G., (2018). Objec tbased classification of sub-bottom profiling data for benthic habitat mapping. Comparison with sidescan and RoxAnn in a Greek shallow-water habitat, Estuarine, Coastal and Shelf Science, Volume 208, p. 219-234, ISSN 0272-7714, (Q1) https://doi.org/10.1016/j.ecss.2018.04.028."Οι παράμετροι των δομών εξήχθησαν από τα ακουστικά δεδομένα με σκοπό την ανάλυση της μορφομετρίας τους, ενώ η φωτογραμμετρία πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα υποθαλάσσιο υποβρύχιο όχημα, με σκοπό την ανάλυση της μικροδομής των κώνων. Η χωρική κατανομή των κατασκευών αποκάλυψε την κατασκευή ενός καλά σχεδιασμένου λιμενικού συγκροτήματος με πολλαπλές εισόδους, ενώ με βάση διαφορετικά σενάρια της στάθμης της θάλασσας στο Ολόκαινο, στηρίχθηκαν διαφορετικά σενάρια και πιθανές λειτουργίες (αμυντικοί σκοποί ή προστασία από έντονα καιρικά φαινόμενα). Τέλος, μέσω της μορφομετρικής ανάλυσης των κατασκευών (γεωμετρία και στατιστικές παράμετροι εδάφους) αποκαλύφθηκε η κατάσταση διατήρησής τους, αποκαλύπτοντας τις ανθρωπογενείς επιπτώσεις στις καταβυθισμένες αρχαιότητες λόγω της σύγχρονης λιμενικής δραστηριότητας.▪ Το 6ο και τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής (Κεφάλαιο 6) είναι η σύνθεση αυτής της διατριβής όπου παρουσιάζεται μια περίληψη των αποτελεσμάτων των ερευνών και απαντώνται ερωτήματα ευρύτερου επιστημονικού πλαισίου αλλά και επιστημονικού ενδιαφέροντος συγκεκριμένα για κάθε τοποθεσία. Τέλος, αναφέρονται οι περιορισμοί της προτεινόμενης μεθοδολογικής προσέγγισης και προτείνονται οι μελλοντικές κατευθύνσεις.