2015-07-30

Erosion in northern Spain (Ebro Basin)

The previous post dealt with the erosion of the Ebro Basin after its colmatation with sediment, about 10 million years ago. The journal Geology has just chosen the following picture to illustrate the cover of their August volume:

Castildetierra is one of the many hills sculpted by erosion of the ancient
sediment infill of the Ebro Basin at Bardenas Reales (Navarra, Spain). 

Photo: Larrión & Pimoulier.
Location: 42.2103 N, 1.5157 W
The soft alluvial clays that make most of this hill are interbedded with harder lacustrine limestones and fluvial sandstones. The same alternation prevails over much of the Ebro Basin (NE Spain). These strata record a 19-million-year-old lake and alluvial system in the centre of an endorheic Ebro basin (84,000 km2 in area). Subsequent basin capture and drainage integration towards the Mediterranean lead to erosional features like the one in the picture.

Despite the most recent sedimentary has been removed by erosion, our study could date this major drainage change at 12.0-7.5 million years ago, based on isostatic modeling constrained with paleomagnetic data. In these badlands at Bardenas Reales (Navarra), high erosion rates have been measured in the order of millimeters per year, but how these rates link to the long-term history of the region is unclear. Other places in the basin show Pleistocene erosion rates in the order of 0.1-0.4 mm/yr, whereas our results suggest an average erosion rate since the Miocene of 0.05-0.1 mm/yr.


Summary of the scientific article in Geology: Basins formed within mountainous regions often become perfect sedimentary traps that do not drain to the sea but to internal evaporitic lakes. When they do, their sediment layers ideally record the climatic, topographic, and tectonic history of the surroundings. And when these basins eventually overtop or overfill with sediment, they are rapidly excavated by the new outflowing fluvial network, exposing excellent stratigraphic outcrops. However, this erosion often removes the uppermost basin infill, and essential information about the late basin history is lost. We have estimated the timing and elevation of the maximum infill of the Ebro basin (NE Spain) by computing the rebound of the basin in response to erosion, adopting the common idea that the Earth's rigid outer shell (the lithosphere) rests on a fluid magmatic asthenosphere in an Archimedes-type equilibrium (isostasy). We combine these calculations with existing paleomagnetic ages of the sediment basin infill. The results show that the basin became overfilled between 12 and 7.5 million years ago, and that it reached a maximum elevation of up to 750 m above present sea level. The basin has been ever since incised at a rate close to 0.1 mm/yr and has been isostatically uplifted by up to 630 m at its center. This uplift may explain why the Ebro River, opposite to other large Mediterranean rivers, does not present a deep gorge excavated within its own basin during the desiccation of the Mediterranean (Messinian salinity crisis, 5.5 million years ago).


Evolución topográfica de la Cuenca del Ebro

[Este post hace divulgación de un trabajo que acabamos de publicar en Geology
[This is outreach material about our own research, now published in Geology

Viajando entre Navarra y Lleida habrás reparado seguramente en las capas casi horizontales de sedimento, omnipresentes en la Cuenca del Ebro. Se trata de sedimento depositado en el fondo de lagos y en ríos durante el Mioceno (hace entre 24 y 5 millones de años), proveniente de la erosión del Pirineo y, en menor medida, del Sistema Ibérico y la Cordillera Costero-Catalana.

1. Vista desde la cima de San Caprasio (Zaragoza), en el centro de la Cuenca del Ebro (cubierta por las nubes). A la derecha aparecen los sedimentos calcáreos más modernos preservados en la cuenca, datados en 13.6 millones de años. Foto: DGC.
2. Bardenas Reales (Navarra). Foto: PN Bardenas.
Soft alluvial clays interbedded with harder lacustrine limestones and fluvial sandstones predominate over much of the Ebro Basin in NE Spain. In these badlands at Bardenas Reales (Castildetierra, Navarra), high erosion rates have been measured in the order of millimeters per year, but how these rates link to the long-term history of the basin is unclear. These strata record a 15-million-years-old lake and alluvial system in the centre of an endorheic Ebro basin (84,000 km2 in area). Subsequent basin capture and drainage integration towards the Mediterranean lead to erosional features like the one in the picture. Our study dates this major drainage change at 12.0-7.5 million years ago. Location: 42.2103 N, 1.5157 W
3. La roca calcárea en lo alto del
Cabezo de Castildetierra (Bardenas 
Reales, Navarra) apenas protege a 
las margas de la erosión. Esas calizas 
se formaron en los lagos que ocupaban 
la Cuenca del Ebro hace entre 36 y 10 
millones de años. Foto: Carlos Sancho

Ese sedimento contiene importantes cantidades de yeso recristalizado (CaSO4·2H2O, Imagen 4), proveniente de la disolución de yesos más antiguos en el Pirineo. La acumulación de estas rocas evaporíticas indica que ese antiguo sistema de lagos del centro de la cuenca carecía de desaguadero, es decir, era un sistema endorreico en el que todo el agua recogida acababa siendo evaporada.

4. Yeso cristalizado visible en los niveles intermedios de San
Caprasio. Unos 18 millones de años de edad. Foto: DGC 
Tras ese largo periodo endorreico, el sistema lacustre rebosó o resultó colmatado de sedimento, formándose el actual río Ebro, que ha erosionado y transportado al delta más de 30,000 km3 del antiguo relleno de la Cuenca del Ebro. Hoy, el sedimento preservado más elevado está precisamente en la zona central de la misma, en la Sierra de Alcubierre, 20 km al este de Zaragoza y a 840 m sobre el nivel del mar (Imagen 1).
¿Porqué están más altos esos sedimentos en el centro de la cuenca, si los lagos deberían ocupar la zona topográficamente más baja? ¿Y porqué no rebosaron antes los lagos hacia el Mediterráneo, si la actual divisoria de la cordillera Costero-Catalana tiene lugares de menos de 500 m de altitud?

En ausencia de deformación tectónica (las cadenas montañosas circundantes ya se habían acabado de formar), los movimientos verticales de la superficie de la Tierra están generalmente relacionados con la isostasia: La erosión de la cuenca del Ebro supuso una descarga y un levantamiento (un rebote isostático) de la litosfera terrestre, que descansa sobre el manto como si se tratara de un iceberg en el océano.
5. Hundimiento isostático que sufre la litosfera (en gris) sobre la
astenosfera fluida (blanco) cuando sobre ella descansa una carga (verde),
para 4 escenarios en los que la litosfera es progresivamente más delgada y débil.
En el escenario de una litosfera muy gruesa y rígida no se producen movimientos verticales
de reajuste. En el caso más débil, cada columna del sistema se reajusta localmente y
tiene el mismo peso si se mide hasta un nivel de compensación en la astenosfera. Autor: DGC
En nuestro artículo de esta semana, hemos calculado estos movimientos verticales de la litosfera terrestre para poder estimar el volumen de sedimento erosionado que falta en la cuenca del Ebro. Comparándolo con el volumen actualmente acumulado en el delta del Ebro, hemos podido establecer la edad en la que se produjo la colmatación, el relleno máximo de la cuenca, entre 7.5 y 12.0 millones de años, así como la altitud original que alcanzó la cuenca: 535–750 m sobre el nivel actual del mar.
6. Animation (reload page if necessary): Estimated topographic evolution of the Ebro Basin (NE, Spain) since 10 million years ago until present





7. Las cuencas endorreicas (zonas que no drenan sus aguas al mar) suelen presentar sistemas lacustres que son extremadamente sensibles a las variaciones climáticas, pues en ellos la superficie lacustre se debe adaptar para compensar la lluvia recogida con la evaporación en su superficie.