Dynamic geomorphology and tectonic controls in the Maltese Archipelago

Abstract

The Maltese archipelago, composed of the islands of Malta, Gozo, and Comino, is located in the central Mediterranean, in the foreland region of the Sicilian thrust belt. This archipelago represents the emergent part of a broader extensional crustal domain known as the Pantelleria Rift. This structure, oriented NW-SE, began to develop in the Late Miocene, with a significant phase of crustal stretching during the Plio-Quaternary. The geological record of Malta consists of shallow-water carbonate sequences deposited during the Oligocene-Miocene, interbedded with deep-sea clay deposits, forming a multi-layered stratigraphy with gently dipping and sub-horizontal beds. The main outcropping formations, from the oldest to the youngest, include the Lower Coralline Limestone Formation (LCL) (Late Oligocene), the Globigerina Limestone Formation (GL) (Early Miocene), the Blue Clay Formation (BC) (Middle- Late Miocene), and the Upper Coralline Limestone Formation (UCL) (Late Miocene). The post- Miocene uplift prevented the preservation of Pliocene marine deposits and limited the accumulation of Quaternary sediments on the islands, which have undergone several welldocumented episodes of extensional tectonics. These deformations generated two main normal fault sets that dominate the geology of the archipelago: an WSW-ENE normal fault set, which defines well-developed horst and graben structures between Gozo and northwestern Malta, in the area known as the North Malta Graben, and a NW-SE oriented normal fault set, predominant in the southern sector of Malta. This structural configuration has strongly influenced the region’s geomorphology, facilitating the formation of cliffs, natural arches, marine platforms, and pocket beaches. The primary objective of this thesis is to analyze how tectonic settings influence the geomorphological evolution of the Maltese archipelago. To this end, key sites were studied to assess recent tectonic activity and understand the main controls and mechanisms shaping coastal and nearshore environments. The research integrates fieldwork, near-surface geophysics, and 3D digital outcrop models to obtain a comprehensive view of each site, both at the surface and in the subsurface. Among the studied areas, Mellieħa Valley, located in the northwestern part of Malta, represents a structural depression that preserves Quaternary alluvial deposits whose distribution and thickness had not been well characterized. This valley is bounded by the Mellieħa and Għadira faults, with a general WSW-ENE orientation, and presents an asymmetric graben configuration, with a main normal fault to the southeast (Mellieħa Fault) and another to the northwest (Għadira Fault). Through geophysical techniques and structural analysis, an additional segment, previously unmapped, was identified: Mellieħa Fault 2, dipping NNW at the southeastern edge of the valley. Additionally, it was estimated that the thickness of recent deposits increases toward Mellieħa Bay, reaching values of 8-10 meters. The obtained results align with the general horst and graben structuring model with regional tilting since the Late Miocene and support the hypothesis that some segments of WSW-ENE normal faults within the North Malta Graben exhibit Quaternary activity, although with very low displacement rates (<<0.1 mm/year). The geomorphological evolution of the Maltese coast has been shaped by the interaction between the tectonic configuration of the archipelago and sea-level variations during the Quaternary. The combination of structural and eustatic factors has influenced the evolution of the different morphostructural domains of the archipelago in a differentiated manner, with greater complexity in the North Malta Graben, where its lower structural position has allowed the interaction of a larger number of formations with marine influence. Lateral spreading processes of UCL plateaus over BC are particularly active within this domain, favoring the formation of coastal promontories. In these sectors, the retreat of UCL plateaus involves rotational landslides and block toppling. Rotational slides are predominant at the front of the promontories, whereas toppling mainly affects the steep edges of the plateaus on the flanks of the promontories, promoting their progressive disintegration and the accumulation of debris at their bases. At Sopu promontory, where UCL plateau retreat involves large subsided and back-tilted blocks, geological and structural features of the promontory were reconstructed. Based on these data, a conceptual model was developed to describe the main evolutionary phases of the plateau retreat process. Geophysical and structural analysis evidenced the presence of tilted blocks with no clear Rayleigh wave polarization, suggesting a different failure mechanism compared to other comparable plateaus in the archipelago, where toppling is predominant. The influence of the structural configuration on sedimentary deposit distribution is also evident in the pocket beaches of the archipelago, which represent both ecologically and economically important sites. Using geophysical methods, the sediment volumes of Mellieħa South Beach and Ramla Beach, two representative beaches in Malta and Gozo, were estimated. Mellieħa South Beach has a significantly smaller sediment volume, 21,602 m³, with 72% of the deposit submerged, while in Ramla Beach, the total sediment volume is 88,440 m³, with 79% below sea level. While sediment distribution in Mellieħa South Beach is structurally controlled by a normal fault, in Ramla Beach, the sediment follows a stratigraphic control. The Maltese coasts also host rocky landforms of significant heritage value. In this context, the stability of the Wied il-Mielaħ Window arch, located on the northwestern coast of Gozo, was assessed using mining engineering methods. The static analysis determined a safety factor of 3.75, indicating that its collapse is not imminent; however, failure probability was estimated within 50 to 100 years, highlighting the need for continuous monitoring. The results of this thesis underscore the strong interaction between extensional tectonics and geomorphological processes in shaping the Maltese landscape. These findings not only contribute to a better understanding of landscape evolution in extensional tectonic settings, but they also offer key applications for territorial management, geological heritage conservation, and monitoring of unstable coastal areas, providing valuable tools for geological risk mitigation and planning in insular environments. Moreover, the insights gained in this study can be applied to interpret analogous processes in other carbonate rift systems in the Mediterranean and beyond.

El archipiélago maltés, compuesto por las islas de Malta, Gozo y Comino, se encuentra en el Mediterráneo central, en la región de antepaís del cinturón de cabalgamientos siciliano. Este archipiélago representa la parte emergida de un dominio cortical extensional más amplio conocido como el Rift de Pantelleria. Esta estructura, orientada en dirección NW-SE, comenzó a desarrollarse desde el Mioceno tardío, con una fase significativa de estiramiento cortical durante el Plio- Cuaternario. El registro geológico de Malta está compuesto por secuencias carbonatadas depositadas en aguas someras durante el Oligoceno-Mioceno, intercaladas con depósitos de arcillas profundas, que forma una estratigrafía de capas múltiples con buzamientos suaves y subhorizontales. Las principales formaciones aflorantes, desde la más antigua a la más reciente, incluyen la Formación Lower Coralline Limestone (LCL) (Oligoceno tardío), la Formación Globigerina Limestone (GL) (Mioceno temprano), la Formación Blue Clay (BC) (Mioceno medio-tardío) y la Formación Upper Coralline Limestone (UCL) (Mioceno tardío). El levantamiento post-Mioceno impidió la preservación de depósitos marinos pliocenos y limitó la acumulación de sedimentos cuaternarios en las islas, que han experimentado distintos episodios de tectónica extensional bien documentados. Estas deformaciones generaron dos principales juegos de fallas normales que dominan la geología del archipiélago: un juego de fallas normales WSW-ENE, que configura horsts y grabens bien desarrollados entre Gozo y el noroeste de Malta, en el área denominada North Malta Graben, y fallas normales con orientación NW-SE, predominantes en el sector sur de la isla de Malta. Esta configuración estructural ha influenciado fuertemente la geomorfología de la región, y ha facilitado la formación de acantilados, arcos naturales, plataformas marinas y playas pequeñas. El objetivo principal de esta tesis es analizar cómo la configuración tectónica influye en la evolución geomorfológica del archipiélago maltés. Para ello, se han estudiado sitios clave que permiten evaluar la actividad tectónica reciente y comprender los principales controles y mecanismos que modelan los entornos costeros y cercanos a la costa. La investigación integra trabajo de campo, geofísica de superficie cercana y modelos digitales 3D de afloramientos para obtener una visión integral de cada sitio, tanto en superficie como en el subsuelo. Entre los sectores analizados, el Valle de Mellieħa, ubicado en la parte noroccidental de Malta, representa una depresión estructural que conserva depósitos aluviales cuaternarios cuya distribución y espesor no estaban bien caracterizados. Este valle está delimitado por las fallas de Mellieħa y Għadira, con orientación general WSW-ENE, y presenta una configuración asimétrica de graben, con una falla normal principal al sureste (Falla de Mellieħa) y otra al noroeste (Falla de Għadira). Mediante técnicas geofísicas y análisis estructural, se identificó un segmento adicional previamente no cartografiado, denominado Mellieħa Fault 2, con buzamiento hacia el NNW en el borde sureste del valle. Además, se estimó que el espesor de los depósitos recientes es mayor hacia Mellieħa Bay, que alcanzan valores de 8-10 metros. Los resultados obtenidos se alinean con el modelo general de estructuración en horsts y grabens con basculamiento regional desde el Mioceno tardío y respaldan la hipótesis de que algunos segmentos de las fallas normales WSW-ENE dentro del North Malta Graben presentan actividad cuaternaria, aunque con tasas de desplazamiento muy bajas (<<0.1 mm/año). La evolución geomorfológica de la costa maltesa ha estado condicionada por la interacción entre la configuración tectónica del archipiélago y las variaciones del nivel del mar durante el Cuaternario. La combinación de factores estructurales y eustáticos ha influenciado de manera diferenciada la evolución de los distintos dominios morfoestructurales del archipiélago, con una mayor complejidad en el North Malta Graben, donde su posición estructural más baja ha permitido la interacción de un mayor número de formaciones con la influencia del mar. Los procesos de lateral spreading de los plateaus de UCL sobre BC son especialmente activos dentro de este dominio, favoreciendo la formación de promontorios costeros. En estos sectores, la retracción de los plateaus de UCL involucra mecanismos de deslizamiento rotacional y de vuelco de bloques. Los deslizamientos rotacionales predominan en los frentes de los promontorios, mientras que los vuelcos afectan principalmente los bordes escarpados de los plateaus en los flancos de los promontorios, promoviendo su desintegración progresiva y la acumulación de material en sus bases. En el promontorio de Sopu, donde la retracción del plateau de UCL involucra bloques hundidos y retrobasculados de gran tamaño, se reconstruyeron rasgos asociados tanto a la geología local del promontorio. A partir de estos datos, se desarrolló un modelo conceptual que describe las principales fases evolutivas del proceso de retracción del plateau. El análisis geofísico y estructural evidenció la presencia de bloques basculados sin una clara polarización en las ondas de Rayleigh, lo que sugiere un mecanismo de falla distinto al observado en otros plateaus comparables del archipiélago donde predominan los vuelcos. La influencia de la configuración estructural en la distribución de los depósitos sedimentarios también es evidente en las playas pequeñas del archipiélago, que representan sitios ecológica y económicamente importantes. Utilizando métodos geofísicos, se estimaron los volúmenes sedimentarios de Mellieħa South Beach y Ramla Beach, dos playas representativas de Malta y Gozo. En Mellieħa South Beach, el volumen es significativamente menor, con 21.602 m³, con un 72% del depósito sumergido, mientras que, en Ramla Beach, el volumen total de sedimentos es de 88.440 m³, con un 79% situado por debajo del nivel del mar. Mientras que en la primera la distribución de sedimentos está controlada por la presencia de una falla normal, en Ramla siguen una distribución controlada por contactos estratigráficos. Las costas maltesas también presentan escenarios rocosos de gran valor patrimonial. En este contexto, se evaluó la estabilidad del arco de Wied il-Mielaħ Window, en la costa noroccidental de Gozo mediante métodos de ingeniería minera. El análisis estático determinó un factor de seguridad de 3.75, lo que indica que su colapso no es inminente, aunque se estima una probabilidad de fallo en un rango de 50 a 100 años, resaltando la necesidad de monitoreo continuo. Los resultados de esta tesis destacan la estrecha interacción entre la tectónica extensional y los procesos geomorfológicos en la evolución del paisaje maltés. Estos hallazgos no solo contribuyen al conocimiento sobre la evolución del paisaje en contextos de tectónica extensional, sino que también ofrecen aplicaciones clave para la gestión del territorio, la conservación del patrimonio geológico y el monitoreo de zonas costeras inestables, proporcionando herramientas útiles para la planificación y mitigación de riesgos geológicos en entornos insulares, así como para la interpretación de procesos análogos en otros sistemas de extensionales en regiones dominadas por rocas carbonáticas.