On the relations between morphotectonics, seismicity, perennial and sporadic hydrothermalism on the volcanic island complex of Milos (Greece)

Sur les relations entre la morphotectonique, la sismicité et les hydrothermalismes pérennes et sporadiques dans le complexe d’arc volcanique insulaire de Milos (Grèce)

¹ Université de Bordeaux, UMR CNRS 5805 EPOC, F-33615, Pessac, France
² Laboratoire de Géologie de Lyon (LGLTPE), Université de Lyon 1, ENSL, UMR 5276, 226 rue Raphaël Dubois, Géode, 69622 Villeurbanne Cedex, France
³ Ecole Normale Supérieure de Paris, PSL Research University Laboratoire de Géologie - 12 UMR CNRS 8538, 24 rue Lhomond, 75005 Paris, France
⁴ Université de Bordeaux, UMR CNRS 5295 I2M, F-33405, Talence, France
⁵ Department of Geology and Geoenvironment, National and Kapodistrian University of Athens, 15784, Athens, Greece

^* e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Received: 16 April 2025
Accepted: 10 November 2025

Abstract

The volcanic island complex of Milos, situated ∼200 km north of the Hellenic subduction zone, records the interplay of volcanic, tectonic, and gravitational processes within multidirectional, polyphased rift systems that developed throughout the Mio–Plio–Quaternary. Its active and seismogenic fault network hosts both perennial and transient hydrothermal venting zones, offering a natural laboratory to examine fluid circulation within a volcanic arc built on stretched continental crust. This study refines the relationships between magmatism, seismicity, and hydrothermal activity, with implications for local geological hazards.

Two new morpho-tectonic sketches are presented. The first places the Milos volcanic center within the structural framework of the Aegean microplate; the second illustrates the spatial organization of the Milos tectono-hydrothermal-volcanic system. These reconstructions integrate detailed physiographic analyses (relief, slope), field observations, and multidisciplinary datasets on seismicity, hydrothermalism, and mineralization. At the scale of the Aegean microplate, (i) NE–SW faults are attributed to extensional deformation along the Mid-Cycladic Lineament; (ii) E–W faults relate to the opening of the Milos, Cretan, and Christiana basins, parallel to the mid-Miocene West Cycladic Detachments; (iii) NW–SE faults correspond to the Myrtoon Basin and Gulf of Milos openings, the latter being closed to the south by the Fyriplaka volcano; and (iv) N–S faults controlling the Zephyria graben and the eastern margin of Milos are continuous with Cretan fault systems and are parallel both to the Eocene trans-Cycladic thrust in the region and to magnetic anomalies in the subducted Tethyan oceanic crust south of the Hellenic subduction zone.

At the archipelago scale, seismicity, hydrothermal venting, alteration zones, and phreatic explosions are concentrated in the hanging wall of the Achivadolimni fault, along or near the intersections of the N–S Zephyria and NW–SE Fyriplaka grabens, directly above the inferred magma chamber. Microearthquake hypocentres, likely linked to fluid-induced fault dilation, occur beneath the Gulf of Milos (∼7 km) and Fyriplaka volcano (∼5 km). Their distribution suggests a genetic link between the intersecting grabens, cooling of isotherms beneath the gulf by descending seawater, surface hydrothermal manifestations, and tectonic earthquakes (e.g., Mw 5.3 Milos, 1992). A shallow hydrothermal convection loop (<3 km) probably overlies a magmatic reservoir where fluids accumulate beneath a self-sealed, low-permeability cap, possibly corresponding to a thermal brittle-ductile transition (370–450 °C). Co-seismic ruptures may locally breach this barrier, inducing “arterial fault” behaviour along the Achivadolimni fault. Pulsating hydrothermal activity and historical phreatic eruptions are interpreted as surface expressions of transient injections of over-pressurized magmatic fluids, leading to decompression, phase transitions, and fluid expulsion during seismic events. These coupled magmatic-hydrothermal-tectonic processes should be integrated into future hazard assessments for Milos.

Résumé

Le complexe volcanique de l’île de Milos, situé à ∼200 km au nord de la zone de subduction hellénique, résulte de l’interaction de processus volcaniques, tectoniques et gravitaires au sein de rifts multidirectionnels et polyphasés développés pendant le Mio–Plio–Quaternaire. Son réseau de failles actif et sismogène abrite des zones de dégazage hydrothermal permanent et transitoire, constituant un laboratoire naturel pour étudier la circulation des fluides dans un arc volcanique sur croÛte continentale étirée. Cette étude affine les relations entre magmatisme, sismicité et activité hydrothermale, avec des implications pour les risques géologiques locaux. Deux cartes morpho-tectoniques sont proposées. La première place le centre volcanique de Milos dans le cadre structural de la microplaque égéenne, tandis que la seconde illustre l’organisation du système tectono-hydrothermal-volcanique de Milos. Ces reconstructions intègrent des analyses physiographiques détaillées (relief, pente), des observations de terrain et des données multidisciplinaires sur la sismicité, l’hydrothermalisme et la minéralisation. À l’échelle de la microplaque égéenne : (i) les failles NE–SW sont liées à l’extension le long du Mid-Cycladic Lineament; (ii) les failles E–W sont associées à l’ouverture des bassins de Milos, de Crète et de Christiana, parallèles aux détachements cycladiques occidentaux du Miocène moyen; (iii) les failles NW–SE sont liées à l’ouverture du bassin de Myrtoon et du golfe de Milos, ce dernier étant fermé dans sa partie sud par le volcan de Fyriplaka; et (iv) les failles N–S, contrôlant le graben de Zephyria et la marge orientale de Milos, sont en continuité avec les failles crétoises et parallèles à la fois au « Eocene trans-Cycladic thrust » et aux anomalies magnétiques de la croÛte océanique téthysienne subduite. À l’échelle de l’archipel, la sismicité, le dégazage hydrothermal, les zones d’altération et les explosions phréatiques se concentrent dans le toit de la faille Achivadolimni, près des intersections des grabens N–S de Zephyria et NW–SE de Fyriplaka, au-dessus de la chambre magmatique supposée. Les hypocentres des micro-séismes, probablement liés à la dilatation des failles induite par les fluides, se trouvent sous le golfe de Milos (∼7 km) et le volcan Fyriplaka (∼5 km). Leur répartition suggère un lien génétique entre les grabens intersectés, le refroidissement des isothermes sous le golfe par l’eau de mer descendante, les manifestations hydrothermales et les séismes (e.g., Mw 5,3 Milos, 1992). Une boucle de convection hydrothermale peu profonde (<3 km) surmonte probablement un réservoir magmatique, où les fluides s’accumulent sous un couvercle hydrothermal auto-obturant à faible perméabilité, correspondant à une transition ductile-cassant (370–450 °C). Les ruptures co-sismiques pourraient franchir cette barrière, induisant un comportement de « faille artérielle » le long de la faille Achivadolimni. L’activité hydrothermale pulsatile et les explosions phréatiques sont interprétées comme des injections sporadiques de fluides magmatiques surpressurisés, entraînant décompression, transitions de phase et expulsion de fluides lors des séismes. Ces processus magmatiques-hydrothermaux-tectoniques doivent être pris en compte dans les futures évaluations des risques à Milos.