The influence of bottom currents on the sedimentary evolution of the Alboran Sea during the Pliocene and Quaternary = La influencia de las corrientes de fondo en la evolución sedimentaria del Mar de Alborán durante el Plioceno y Cuaternario

Abstract

An interdisciplinary study of the geomorphology, sedimentology, stratigraphy and physical oceanography of the deep-sea environments of the Alboran Sea (south-western Mediterranean Sea) has been carried out with the purpose of evidencing and understanding the role of bottom currents in the sedimentary evolution of the Spanish and Moroccan continental margins and adjacent basins during the Pliocene and Quaternary. This study was conducted using swath bathymetry data, more than 1900 profiles consisting of parametric, single- and multi-channel seismic records, scientific and commercial wells, sediment cores, and hydrographic data comprising: Conductivity, Temperature and Depth (CTD) profiles, Acoustic Doppler Current (ADCP) profiles, and EK60 echograms. Here, for the first time, a morphosedimentary scenario with a wide spectrum of depositional (plastered, sheeted, channel-related, mounded confined, elongated and separated drifts) and erosional (terraces, escarpments, moats, channels and furrows) contourite features are described in the Alboran Sea, from the shelf break to the basin floor. Hydrographic data offers new insights into the distribution of the Mediterranean water masses, and reveals that the bottom circulation of the Western Intermediate Water (WIW) and the Levantine Intermediate Water (LIW) interact with the Spanish slope, and the Western Mediterranean Deep Water (WMDW) with the Moroccan slope, Spanish base- of-slope and deep basins. The integration of distinct datasets and approaches allow a new sedimentary model to be proposed for the Alboran Sea that underlines the significance of bottom current processes in shaping deep-sea morphology. This model suggests that the bottom circulation of water masses governs physiography that the interface positions of water-masses with contrasting densities sculpt terraces at a regional scale, and that morphological obstacles play an essential role in the local control of processes and water- mass distribution. An analysis of the seismic stratigraphy from the Pliocene and Quaternary sequences has enabled to update and rename the stratigraphic boundaries and establish a new seismic stratigraphy for the Alboran Sea, after relocating the base of the Quaternary from 1.8 to 2.6Ma. Additionally, the seismic analysis involves the presentation and discussion for the first time of the evidence for contourite features reaching the scale of the Alboran Basin. Contourite drifts (plastered, sheeted, elongated separated and confined mounded drifts) and erosive features (terraces, escarpments, moats, channels, furrows) were developed under the continuous influence of Mediterranean water masses after the opening of the Strait of Gibraltar (-5.33Ma). At least two primary factors have controlled the contourite features in this sea: i) tectonics, which has governed the relocation of the main Mediterranean flow pathways and their circulation patterns; and ii) climate, which has influenced both water-mass conditions (depth and density contrast of the interfaces) and hinterland sediment sources, conditioning the morphoseismic expression and growth pattern of drifts and terrace formation (dimensions). The distribution of contourite features through time and space allows to propose three main scenarios for ocean circulation since the opening of the Strait of Gibraltar: i) Atlantic Zanclean flooding; ii) the Pliocene sea, with two different stages for the dense circulation and characterised by poorly-defined and unstable interfaces for the Atlantic Waters (AW), light and dense Mediterranean waters and the presence of a strong countercurrent in the Western Basin; and iii) the Quaternary sea, characterised by tabular Mediterranean water masses with multiple current dynamics, increasingly important density contrasts, and climate shifts causing major vertical and horizontal displacement of the interfaces. These stages reflect variability in the bottom current regimes and related alongslope efficiency in terms of transport, deposition and erosion. The detailed seismic analysis of the units making up the Pliocene and Quaternary sequences allows for the first time, to make an in-depth analysis of the contourite features, turbidite systems and mass-movement deposits, and map them through time. These maps are enormously helpful when it comes to understanding the sedimentary architecture of the Spanish and Moroccan continental margins and basins, as well as for decoding the palaeoceanographic processes from a geological perspective. Two main contourite depositional systems are defined: the Intermediate Mediterranean Contourite System (IMCS), formed under the action of the Light Mediterranean Waters (LMW) on the Spanish margin, and the Deep Mediterranean Contourite System (DMCS), formed under the action of the Dense Mediterranean Waters (DMW) mainly on the Moroccan margin and basins. The characterisation of the terraces as contourite features that form under the combination of two water masses, has also led to the definition of the Atlantic Contourite System (ACS). The occurrence of several contourite depositional systems has led to the suggestion of a new term, not heretofore considered in the literature: Multiple Contourite Depositional System (MCDS), which refers to the set of different CDSs that occurs in the same area and evolving under the action of multiple water masses. In addition, twenty turbidite systems have been characterised, revealing that they are responsible for the different sedimentary architecture of the Spanish margin, where they coexist with contourites, as on the Moroccan margin the turbidite systems are less well developed. The mass-movement deposits are mainly related to the reworking of the contourites draping the highs. Mainly contourites but also turbidites, allowed to define from a geological perspective the basic oceanographic processes and to determine their occurrence, relative magnitude and energy, and time of action. This PhD thesis also explains the uneven development of the turbidite systems in the Alboran Sea, which is interpreted to be conditioned by the interaction of alongslope with downslope processes. Several morphological and sedimentary signatures produced by the interaction between both processes have been identified in the Pliocene and Quaternary records, as well as on the present-day seafloor of the Alboran Sea. The interaction scenarios move between two-end-members: from bottom currents dominating gravity flows to gravity flows dominating contour currents. In between these extreme cases, the alternation and mutual influence of both processes can occur. Two different conceptual models of interaction are proposed for the Spanish and Moroccan margins. i) On the Spanish margin, the alongslope and downslope interaction is especially complex and varied, with both regional and local effects on the turbidite systems. This is because here the turbidite systems are influenced at different water depths by Atlantic and Mediterranean water masses and their interfaces, with current flows that change across- and downslope. ii) On the Moroccan margin, the vigorous action of the WMDW primarily inhibits the formation of canyons and associated deposits. The findings of this PhD thesis suggest that the relevance of bottom-water processes in deep sea must be reevaluated. It is concluded that understanding the influence of bottom currents is not only essential for reconstructing present and past water mass circulation, but also for recognising sea floor morphologies and decoding the sedimentary stacking pattern and evolution of deposits, as well as global climate and periods of eustatic variation.

En el presente trabajo se ha llevado a cabo un estudio multidisciplinar de la geomorfología, sedimentología, estratigrafía y oceanografía física de los ambientes profundos del Mar de Alborán (extremo sur-oeste del Mar Mediterráneo), con el propósito de comprender el papel que los procesos asociados a las corrientes de fondo juegan en la evolución sedimentaria de los márgenes continentales de España y Marruecos, así como de las cuencas adyacentes, durante el Plioceno y el Cuaternario. Este estudio se ha llevado a cabo empleando datos de batimetría multihaz, más de 1900 registros sísmicos de sonda paramétrica, mono- y multi-canal, sondeos científicos e industriales, testigos de sedimento, y varios tipos de datos hidrográficos que comprenden: perfiles de conductividad, temperatura y profundidad (CTD), perfiles obtenidos con un correntómetro acústico Doppler (ADCP), y ecogramas registrados con una ecosonda EK60.

Por primera vez en el Mar de Alborán, se ha sido descrito un contexto morfosedimentario compuesto por un amplio espectro de rasgos contorníticos deposicionales (crestas adosadas, laminares, asociadas a canales, monticulares confinadas y elongadas separadas) y erosivos (terrazas, escarpes, fosas, canales y surcos erosivos), desde el borde de la plataforma continental hasta las cuencas. Los datos hidrográficos han ofrecido nueva informaci6n sobre la distribución de las masas de agua mediterráneas, y han revelado que la circulación de fondo del Agua Intermedia Occidental ("Winter Intermediate Water", WIW) y el Agua Intermedia Levantina ("Levantine Intermediate Water", LIW) interaccionan con el talud continental del margen español, mientras que el Agua Mediterránea Occidental Profunda ("Western Mediterranean Deep Water", WMDW) interactúa con el talud continental del margen marroquí, la base de talud del margen español y las cuencas profundas. La integraci6n de diversas bases de datos y de distintas disciplinas ha permitido proponer un nuevo modelo sedimentario para el Mar de Alborán el cual enfatiza la importancia de los procesos sedimentarios asociados a corrientes de fondo en el moldeado de los fondos marinos. Este modelo sugiere que la circulación de fondo de las masas de agua condiciona la fisiografía, que la posici6n de las interfaces de las masas agua con un importante contraste en sus densidades, es capaz de esculpir terrazas a escala regional, y que los altos morfológicos desempeñan un papel esencial en el control local de procesos y en la distribución de las masas de agua.

El análisis de la estratigrafía sísmica de las secuencias Pliocena y Cuaternaria ha permitido actualizar y renombrar los límites estratigráficos del Mar de Alborán, tras la reubicación además de la base del Cuaternario de 1,8 a 2.6 Ma, así como establecer una aproximación cronológica a los mismos. Asimismo, este análisis sísmico ha permitido presentar y discutir evidencias de depósitos contorníticos a escala del Mar de Alborán. Los rasgos contorníticos de tipo deposicional (crestas adosadas, laminares, elongadas separadas y confinadas) y erosivo (terrazas, escarpes, fosas, canales y surcos) se desarrollaron bajo la influencia continua de las masas de agua mediterráneas tras la apertura del Estrecho de Gibraltar (-5.33 Ma). Al menos dos factores principales han controlado los rasgos contorníticos en esta cuenca: i) la tectónica, que rige la reubicación de los principales flujos mediterráneos y por tanto sus patrones de circulaci6n; y ii) el clima, que ha influido en las condiciones de las masas de agua (profundidad y contraste de densidad en las interfaces) y en las áreas fuentes de sedimento en tierra, condicionando la expresión morfo-sísmica y los patrones de crecimiento de los depósitos contorníticos así como la formación de terrazas (dimensiones). La distribución de los elementos contorníticos en el espacio y el tiempo, permite proponer tres escenarios principales para explicar la circulación de las masas de agua desde la apertura del Estrecho de Gibraltar: i) la inundación atlántica en el Zancliense; ii) el mar Plioceno, con dos etapas diferentes para la circulación profunda y que en general se caracteriza por la presencia de interfaces poco definidas e inestables entre las aguas atlánticas (AW), y las aguas mediterráneas ligeras y densas, así como por la presencia de una fuerte contracorriente en la cuenca occidental de Alborán; por último, iii) el mar Cuaternario, que se caracteriza por masas de agua mediterráneas con flujo mayormente tabular pero con múltiples dinámicas de flujo a nivel local, una creciente influencia de los contrastes de densidad, y grandes cambios climáticos que provocan desplazamientos verticales y horizontales de las interfaces. Estas tres grandes etapas reflejan la variabilidad en los regímenes de corrientes de fondo, y la eficiencia en el transporte de sedimento, sedimentación y erosión a lo largo del margen. El estudio sísmico detallado de las unidades que componen las secuencias Pliocena y Cuaternaria ha permitido por primera vez el análisis y la cartografía a lo largo del tiempo de los rasgos contorníticos, los sistemas turbidfticos y los depósitos de inestabilidad sedimentaria. Estos mapas han permitido comprender la arquitectura sedimentaria de los margenes continentales espanol y marroquí y de las cuencas, así como definir los procesos paleoceanograficos desde un enfoque geológico. Se han definido dos grandes sistemas deposicionales contorníticos: el Sistema Deposicional Contornítico Intermedio (SDCI), formado bajo la acci6n de las aguas mediterráneas de menor densidad en el margen español, y el Sistema Deposicional Contornítico Profundo (SDCP), formado bajo la acción de las aguas mediterráneas densas principalmente en el margen marroquf y en las cuencas. La caracterización de las terrazas como rasgos contorníticos formados bajo la acción combinada de dos masas de agua ha llevado tambien a definir el Sistema Deposicional Contornítico Atlántico (SDCA). El desarrollo de varios sistemas deposicionales contorníticos ha dado lugar a la definición de un nuevo termino no planteado previamente en la literatura: el Sistema Deposicional Contornftico Multiple (SDCM), referido a un conjunto de diferentes SDC que se forman en una misma zona bajo la acción de múltiples masas de agua. Asimismo, se han caracterizado veinte sistemas turbidítiicos que son la causa principal de las diferencias en la arquitectura sedimentaria que presentan el margen español, en el que coexisten con las contornitas, y el margen marroquí, donde están menos desarrollados. Con respecto a los depósiitos de inestabilidad sedimentaria, su formación esta relacionada principalmente con el retrabajamiento de las contornitas que recubren los altos. Las contornitas principalmente, pero tambien las turbiditas, han permitido definir desde una perspectiva geológica los principales procesos oceanográficos así como determinar su ocurrencia, magnitud y energía relativas, y su tiempo de acción. En esta Tesis se explica tambien el desarrollo desigual que presentan los sistemas turbidíticos en el mar de Alborán, y que ha sido interpretado como resultado de la interacción entre los procesos sedimentarios paralelos (asociados a las corrientes de fondo) y perpendiculares (asociados a los procesos de flujos gravitativos) al margen. En los registros Plioceno y Cuaternario, asf como en el fondo marino actual del mar de Alborán, se han identificado rasgos de tipo morfológico, sedimentario y sedimentológico producidas por la interacción entre ambos procesos. Los escenarios de interacción varfan entre dos situaciones extremas: las corrientes de fondo dominan sobre los flujos gravitativos, y los flujos gravitativos dominan sobre la acción de las corrientes de fondo. Entre ambos extremos puede producirse la alternancia y la influencia mutua de ambos procesos. Se han propuesto dos modelos de interacción conceptuales para los margenes español y marroquí. i) En el margen espanol la interacción es especialmente compleja y variada, con efectos regionales y locales sobre los sistemas turbidíticos. Esto ocurre debido a que los sistemas turbidíticos están influenciados a diferentes profundidades por las masas de agua atlánticas y mediterráneas y sus interfaces, con una dinámica además que varía longitudinal y perpendicularmente al margen. ii) En el margen marroquí, la acción intensa de la WMDW inhibe en gran parte la formación de canones y depósitos asociados. Los resultados de esta Tesis sugieren que la importancia de los procesos relacionados con corrientes de fondo en ambientes marinos profundos debería ser reevaluada. Se concluye que una mayor comprensión de su influencia es esencial no sólo para reconstruir los patrones de circulación recientes y pasados, sino también para identificar determinados rasgos morfosedimentarios, descifrar sus patrones de sedimentación y evolución, así como establecer tendencias en el clima y variaciones eustáticas a nivel global.