Arquitectura i fàcies deposicionals de la interferència entre la sedimentació al·luvial, col·luvial i eòlica a Illes Balears durant el Pleistocè superior: implicacions paleoclimàtiques

Abstract

[eng] The Balearic Islands exhibit well-developed Pleistocene sedimentary deposits primarily related to coastal processes and dynamics. Very often, these deposits show a complex stratigraphy with different stratigraphic units. The architecture of these deposits presents the interference between colluvial, alluvial and eolian deposits. This interaction constitutes an exceptional record of recent palaeoclimate stages that operated during the Quaternary period in the Western Mediterranean. This dissertation deals with the study of the sedimentology and processes shaping alluvial fans and eolian dunes during the Pleistocene. Often, the formation of these depositional systems takes place at the same site and within very similar environmental conditions, despite being triggered by different genetic processes. However, this dissertation documents many cases in which the spatial and temporal coincidence and interfingering of alluvial fan and dunes fields makes defining the precise limits between alluvial and eolian processes and related deposits problematic. This interaction is more noticible when it takes place in the littoral zone, where a large number of agents and geomorphic processes interact with one another. In this way, thes memoir proposes to the cointerm “eolian-alluvial interference” for describing this kind of sediments. The concept refers to the sedimentary–geomorphic expression of the combination and overlapping of eolian and alluvial processes and sediments. During their formation, the climate elements, moreover the climate history, played an important role amplifying or attenuating the predominance of one process over the other, as well as regulating the type and volume of sediment supply, the magnitude of the eolian transport or the contribution of the precipitation and hence the efficiency of the runoff. The main aim of this dissertation is to obtain an accurate identification and description of the eolian-alluvial interference facies, as well as a proper characterization of their architecture and resulting morphology in the framework of the Late Pleistocene sedimentary record. Furthermore, a chronological analysis using OSL dating techniques was carried out in order to unravel and contextualize the paleoclimatic conditions in which these deposits were formed during the last interglacial-glacial cycle in the Balearic archipelago. The experimental and field-based work was carried out in two pilot sites: es Caló fan in Mallorca and the apron fan system of Tirant-Fornells in Menorca. These two study areas have deposits with exceptional characteristics for sedimentological and stratigraphical studies. Es Caló fan is fed by a 1 km2 basin, while Tirant-Fornells area consists of a nine small basins aligned with areas ranging from 1 to 14 ha. Sedimentological descriptions, stratigraphical, textural, mineralogical and geomorphic analyses are presented allowing for the identification ofseveral depositional facies indicating the succession of sedimentary processes and the nature of the triggering mechanisms. The main results of the sedimentological and stratigraphical analysis have shown the magnitude, frequency and contemporaneity of the interference between alluvial and eolian processes. Thus, es Caló fan is characterized by a sedimentary sequence with alternating colluvial, alluvial and eolian facies. These sequences have indicatedthat alluvial processes (i.e. streamflows, sheetfloods and debris-flows), as well as some hillslope deposits and also eolian deposits, dominated the construction of the fan. The apron fan systems of Tirant-Fornells were formed in most of the basins by colluvial processes such as debris-flows and hillslope deposits, whilst in otherbasins sheetflood processes predominated with the presence of some streamflow processes and some interbedded eolian deposits. These differences in the geomorphic response and sedimentological record seem to be associated to lithological differences among the basins, as well as with the differences between the different morphometrical parameters of each basin. Furthermore, marine deposits have been described locally at Tirant-Fornells indicating higher sea levels than at the present. At both locations, sedimentology analyses have shown that most of the sediment of these fans is marine bioclastic sand implying thedestruction and recycling of former or contemporaneous coastal eolian sediment by alluvial fan processes. Alternating deposits resulting from different processes in each sedimentary sequence, suggest the existence of a climate variability control in the development of the deposits. To deal with this issue and in order to provide a chronological framework, a collection survey of eolian samples was carried out for dating with OSL, as well as reviewing the chronologies of Pleistocene deposits gathered by other studies. Dated eolian deposits place the development of the studied sedimentary successions during the Late Pleistocene, and suggest a relationship between climatic and glacio-eustatic variations and the accumulation of eolian deposits and aggradation of alluvial fans during the last 130 ka. Due to this, we propose an environmental model of development for coastal areas of northern Mallorca and Menorca that consists in the development of extensive dune fields on the continental shelf migrating inland during sea level dropping periods associated to cold climate events. During these periods, large areas of marine bioclastic sand were exposed to the wind action. In addition, these periods led by the development of stormy episodes discharging heavy rainfall and generating sudden flash floods draining the coastal basins. This scenario results in eolian-alluvial interference processes totally or partially dismantling the coastal dune field and incorporating the wind-blown marine sediment into the alluvial system. Seven other previously described minor sites have shown similar interference deposits indicating that these processes would have been common along the northern coast of the Balearic Islands. Landscape evolution models and theoretical frameworks state that, during periods of base level dropping (i.e. sea level), the landscape is dominated by erosive processes. Nevertheless, this dissertation documents that the interference processes result in the opposite way, generating alluvial fan accretion over the coast during episodes of base level drop rather than dissection or trenching. The construction of coastal fans with wind-blown marine sediments reveals the existence of a particular alluvial fan type with exogenous feeding, which has not been considered in depth in the scientific literature, despite being a common and persistent feature in Western Mediterranean Pleistocene deposits.

[cat] Les Illes Balears compten amb dipòsits sedimentaris pleistocens que presenten un elevat grau de desenvolupament relacionats, principalment, amb els processos que es donen al litoral. Tot sovint, aquests dipòsits exhibeixen una estratigrafia complexa amb diferents unitats estratigràfiques, l’arquitectura de les quals palesa la interferència entre dipòsits d’origen col·luvial, al·luvial i eòlic. Aquesta interrelació constitueix un registre excepcional de la paleoclimatologia dels darrers episodis climàtics que afectaren al Quaternari en el context de la Mediterrània occidental. En aquesta memòria es presenta l’estudi de la sedimentologia i els processos associats de ventalls al·luvials i dunes eòliques. Sovint, la formació d’aquests sistemes deposicionals esdevé en el mateix espai i condicions ambientals, malgrat es caracteritzen per ser processos genèticament diferents. No obstant això, l’estreta interrelació que s’observa fa difícil de definir els límits precisos entre els processos al·luvials i eòlics. Aquesta interrelació és més acusada quan es produeix a la zona litoral, ja que és un ambient molt dinàmic en el qual entren en contacte un gran nombre de processos i agents geomòrfics. En aquest sentit, aquesta interrelació observada als sediments estudiats s’ha definit com a interferència eòlic-al·luvial. Entenent com a tal l’expressió geomòrfica de la combinació i la superposició tant de processos eòlics com d’al·luvials. El clima hi juga un paper important a mode d’amplificador o mitigador del predomini d’un procés sobre l’altre, així com respecte de la provisió de sediment, la magnitud del transport eòlic o de la precipitació i/o l’escorrentia. L’objectiu de la present memòria de doctorat és obtenir una acurada identificació i descripció de l’arquitectura de les principals fàcies d’interferència eòlical·luvial del registre sedimentari del Pleistocè superior, tot aprofundint en la dimensió cronològica a partir de l’ús de tècniques de datació com l’OSL; que ens permet de contextualitzar i desentrellar les condicions paleoclimàtiques que esdevingueren durant aquesta època a l’arxipèlag balear. La part experimental dels treballs s’ha dut a terme a dues localitats model: el ventall al·luvial des Caló, a Mallorca, i el sistema de ventalls de Tirant-Fornells a Menorca. Aquestes dues zones d’estudi presenten uns dipòsits amb unes característiques excepcionals per a la realització d’estudis sedimentològics i estratigràfics. D’una banda, el ventall des Caló està alimentat per una conca de 1 km2, mentre que Tirant-Fornells se nodreix d’una alineació de nou petites conques amb superfícies que oscil·len d’1 a 14 ha. Així, es presenten descripcions sedimentològiques, anàlisis estratigràfiques, texturals, mineralògiques i geomòrfiques a partir de les quals s’identifiquen una sèrie de fàcies deposicionals que indiquen la successió dels processos sedimentaris que s’hi desenvoluparen. Els principals resultats obtinguts de les anàlisis sedimentològiques i estratigràfiques han posat de manifest la magnitud, la periodicitat i la contemporaneïtat de la interferència, principalment, entre els processos de sedimentació eòlica i els al·luvials. Així, el ventall des Caló es caracteritza per una seqüència sedimentària amb l’alternança de fàcies al·luvials-coluvials i fàcies eòliques. Aquestes fàcies han mostrat que la construcció del ventall restà dominada per processos típicament al·luvials com els fluxos d’aigua concentrats (streamflow), les corrents laminars (sheetfloods), els debris-flows, alguns dipòsits de vessant i dipòsits eòlics. Pel que fa al sistema de ventalls de Tirant-Fornells, els dipòsits foren construïts, a la majoria de les conques, per processos col·luvials com els debris-flows i els dipòsits de vessant, mentre que a la resta de conques hi predominaren els processos de corrents laminars (sheetfloods) amb la presència d’alguns processos de fluxos d’aigua concentrats (streamflow) i es preservaren alguns dipòsits eòlics intercalats entre els dipòsits col·luvials-al·luvials. Aquestes diferències en la resposta geomòrfica i el registre sedimentològic, semblen estar associades a les diferències litològiques entre les conques, així com també a les diferències entre els diferents paràmetres de forma de cada conca. Per altra banda, a Tirant-Fornells de manera local s’han descrit fàcies sedimentàries que evidencien nivells marins més elevats que l’actual. Les anàlisis sedimentològiques han posat de manifest que la majoria del sediment que contenen els ventalls són arenes bioclàstiques d’origen marí. L’alternança dels dipòsits, corresponents als diferents processos, a cada una de les seqüències sedimentàries, suggereix l’existència d’un control climàtic en el desenvolupament dels dipòsits. Per escometre aquesta qüestió i situar-la cronològicament es dugué a terme una campanya de recol·lecció de mostres de dipòsits eòlics per a la seva datació mitjançant OSL, així com també la revisió de les cronologies de dipòsits pleistocens dutes a terme per altres treballs i autors i que resultaven útils per dotar d’un marc cronològic als dipòsits des Caló i Tirant-Fornells. Les datacions situen el desenvolupament de les seqüències sedimentàries estudiades durant el Pleistocè superior, de manera que se constata que existeix una relació amb les variacions climàtiques i glacioeustàtiques ocorregudes durant els darrers 130 ka. En aquest sentit, es proposa un model d’evolució ambiental per a les àrees litorals del nord de Mallorca i Menorca que consisteix en la formació sobre la plataforma continental d’importants camps dunars que migraven terra endins durant els períodes de descens del nivell marí associats a episodis climàtics de signe fred. Durant aquests períodes, grans bancs d’arena bioclàstica marina quedaven exposats a l’acció del vent. A més a més, aquests períodes afavorien el desenvolupament d’episodis tempestuosos en què podien descarregar precipitacions intenses amb la capacitat de generar processos puntuals de revingudes sobtades que drenaven les conques costaneres. D’aquest escenari en resultaren processos d’interferència eòlical·luvial en forma de desmantellament parcial o total del camp dunar costaner i la incorporació del sediment eòlic al modelat al·luvial. Aquests processos sembla que foren habituals al llarg de les costes septentrionals de les illes Balears ja que s’han descrit altres set localitats, de menor entitat, que presenten dipòsits d’interferència. Els models i marcs teòrics d’evolució del paisatge a l’ús indiquen que durant els períodes de descens del nivell de base (i.e. nivell marí), el modelat es caracteritza pel domini dels processos erosius. Per contra, aquesta memòria documenta que els processos d’interferència eòlic-al·luvial resulten en l’efecte contrari, tot generant l’acreció de ventalls al·luvials sobre la costa enlloc de la incisió–dissecció (trenching) dels cossos al·luvials durant els episodis de descens del nivell de base. Tot plegat i especialment aquesta construcció dels ventalls amb sediments marins, via transport eòlic, posa de manifest l’existència d’una tipologia de ventalls al·luvials alimentats de forma exògena que, avui per avui, no han estat considerats a bastament i en profunditat a la bibliografia especialitzada.