Electron spin resonance dating of marine and fluvial terraces of central Portugal

Abstract

The interface between land and sea has varied over a long period of time, and it continues to the present. Despite the marine incursion at about 3.7 Ma, which covered extensive areas of the Atlantic coast of continental Portugal, glacial and interglacial periods occurred during the Pleistocene. As sea-level changes, the base level of erosion also changes, affecting fluvial processes and consequently, the shape of the coastline in detail. The marine and fluvial terraces located in the lower river valleys are terrestrial archives that have been the subject of detailed study. They make it possible to document the environmental changes during periods of high sea level and climate oscillations during the Pleistocene (2.58 Ma - 11 ka). The neotectonic activity, whose time span includes the final Pliocene to the present day, can be known by studying stratigraphic and geomorphological references, particularly in the coastal zone and river valleys. Thus, the culminating sedimentary unit (UBS13) of sedimentary basins and the marine and fluvial terraces present in the study area are crucial elements for the characterisation of active tectonics. For this purpose, due to the interval of application of the Electron Spin Resonance (ESR) absolute dating method (300 ka - 3 Ma), the present study used this method to date the UBS13 unit, the terraces of the vestibular areas of the Mondego and Tejo rivers, as well as the accessible and better preserved coastal terraces between the Mondego and Espichel Capes. The absolute dating study was crucial given the lack of absolute ages on the central Portuguese coast, particularly in the Lower and Middle Pleistocene marine terraces and the Lower Mondego River valley (LMV). Moreover, this work had an enhanced challenge, to test the possibility of using the ESR method in quartz samples with ages up to 3.7 Ma. This thesis’s main objective was the detailed interdisciplinary study (geomorphology, lithostratigraphy, sedimentology, tectonics and ESR dating) to characterise terraced staircases and their correlation. The tectonic geomorphology of the LMV reach was studied. The differential tectonics and active faults present in the studied sectors were interpreted. The long- and short-term tectonic uplift rates of the area under study (distinguishing the most and least elevated sectors) were calculated, and the results were compared between the several studied sectors (marine and fluvial). The study of differential tectonics in the study area confirmed a continuous crustal uplift, with some periods of greater acceleration along the Pleistocene related to intraplaque compression caused by the convergence between African and Eurasian plates.

A interface entre terra e mar tem sofrido variações ao longo do tempo até aos dias de hoje. Para além da incursão marinha ocorrida à cerca de 3.7 Ma que cobriu extensas áreas da orla atlântica de Portugal continental ocorreram durante o Plistocénico, períodos glaciários e interglaciários cujo máximo nível marinho foi superior ao actual. Os terraços costeiros e os terraços fluviais situados nos troços inferiores de rios, são arquivos terrestres que foram objecto de estudos detalhados, pois permitem documentar as mudanças ambientais ocorridas durante períodos de alto nível do mar e as oscilações climáticas durante o Plistocénico (2.58 Ma - 11ka). A actividade neotectónica, cujo intervalo de tempo compreende o Pliocénico final até ao presente, pode ser conhecida pelas referências estratigráficas e geomorfológicas nomeadamente na zona costeira e nos vales fluviais. Assim, a unidade sedimentar (UBS13) das bacias sedimentares e os terraços marinhos e fluviais presentes na área de estudo são elementos cruciais para a caracterização da tectónica activa. Para isso, devido ao intervalo de aplicação do método Electron Spin Resonance (ESR) (300 ka - 3 Ma), o presente estudo utilizou este método de datação absoluta para datar a unidade UBS13, os terraços das áreas vestibulares dos rios Mondego e Tejo, bem como os terraços marinhos acessíveis e melhor preservados entre o Cabo Mondego e o Cabo Espichel. O estudo de datação absoluta foi crucial face à inexistência de idades absolutas ao longo da costa central portuguesa, nomeadamente em terraços do Plistocénico Inferior e Médio e ainda no troço vestibular do Baixo Mondego. Teve a importância acrescida de avaliar a possibilidade de utilização deste método em sedimentos com idades superiores aos 3 Ma. O principal objectivo desta tese foi o estudo pormenorizado interdisciplinar (geomorfologia, litostratigrafia, sedimentologia, tectónica e de datação por ESR) para a caracterização das escadarias de terraços, fluviais e marinhos, e sua correlação. Foi feito um estudo geomorfológico detalhado no vale do Rio Mondego, entre Coimbra e a Figueira da Foz. Interpretou-se a tectónica diferencial e as falhas activas presentes nos sectores estudados. As taxas de soerguimentos tectónico de longo e de curto termo da área em estudo foram calculadas (distinguindo-se os sectores mais e menos soerguidos) e os resultados foram comparados entre os vários sectores estudados (marinhos e fluviais). O estudo da tectónica diferencial ao longo da margem costeira Centro-Ibérica permitiu confirmar um contínuo soerguimento crustal existente, com aceleração de taxa de soerguimento ao longo do Plistocénico relacionado com a compressão intraplaca causada pela convergência entre a placas Africana e Euroasiática.