Incised valleys of end-member fluvial systems in the gulf of cadiz shelf: constraining the role of controlling factors

Abstract

Incised valleys are common stratigraphic features beneath modern coastal plains and continental shelves, whose incision and sedimentary fill might provide critical crucial insights into earth-surface processes, depositional histories, and their controlling factors. The formation and evolution of these valleys result from the dynamic interplay of various controlling elements, including changes in relative sea level, tectonics, sediment supply, hydrodynamic processes, pre-existing tectonic features, and antecedent geology. This study aims to enhance our understanding of the geological processes governing incised valley systems, emphasizing their significance across different temporal scales. The northern margin of the Gulf of Cadiz provides an ideal setting to examine the interaction between sediment supply and sea-level changes. Characterized by a hierarchical stratigraphic architecture, this region reflects the complex influence of late Quaternary glacio-eustatic changes and tectonic forces. The Gulf of Cadiz features locally high fluvial supplies within a moderately energetic oceanographic regime, presenting an intermediate environment between low-energy delta-forming and high-energy ravinement-forming settings. A network of cross-shelf paleovalleys off the Gilão-Almargem Estuary, situated in the eastern Algarve shelf, has been studied to discern the driving controls shaping ancient fluvial systems. The investigation focuses on primary glacio-eustatic controls, such as antecedent geology, low fluvial supply, and changing hydrodynamic regimes, along with secondary controls on valley genesis and evolution. Antecedent geology strongly influences valley formation, limiting the development of wide incised valleys and determining landward incision near a well-defined break of slope. The postglacial infilling is predominantly estuarine, suggesting a dendritic system with barriers interrupted by tidal inlets and channels in a mixed estuarine environment with low fluvial supply. On the Guadiana Shelf, the study of two N-S incised valleys systems separated by a few kilometres, revealing a compound nature with up to five repeated incision phases, suggesting a major glacio-eustatic origin likely linked to 100 ka sea-level cycles. Significant differences in internal architecture and morphology between both valleys suggests varying sediment supply conditions and hydrodynamic controls, emphasizing the role of variable fluvial supplies and antecedent morphology in influencing the distribution of valley infill facies. The postglacial sea-level rise after the Last Glacial Maximum provided ideal conditions to study the transgressive sedimentary response to sudden shelf flooding driven by different rates of sea-level rise. Analysis of four postglacial transgressive units linked to the mouth of the Guadiana River reveals a complex deltaic evolution in response to varying rates of sea-level rise and climatic changes. Delta progradation and preservation episodes were observed during periods of high sediment flow associated with significant climatic events. The investigated incised valleys and transgressive deposits exhibit complex stratigraphic architectures influenced by glacio-eustatic cycles, underlying geology, and sediment supply dynamics, resulting in distinct morphologies, infilling patterns, and responses to postglacial transgression. The stratigraphic architecture of postglacial transgressive units off the Guadiana River mouth reveals significant variability in driving factors, highlighting the intricate interplay between sea-level rise, sediment fluxes, and climatic conditions. This research significantly contributes to understanding geological and sedimentary processes in the Gulf of Cadiz, with direct applications in the oil and gas industry and insights into biogeographic and paleoclimate processes.

Los valles encajados constituyen rasgos estratigráficos comunes en las plataformas continentales, cuya incisión y relleno sedimentario pueden proporcionar mucha información sobre los procesos de la superficie terrestre, su historia deposicional y sus factores de control. La formación y evolución de estos valles resultan de la interacción dinámica de varios agentes de control, incluyendo cambios en el nivel relativo del mar, tectónica, aporte de sedimentos, procesos hidrodinámicos, características tectónicas preexistentes y la influencia de la geología previa. Este estudio tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión de los procesos geológicos que rigen los sistemas de valles encajados, enfatizando su importancia en diversas escalas temporales, y en relación a los cambios globales. El margen norte del Golfo de Cádiz proporciona un entorno ideal para examinar la interacción entre el aporte de sedimentos y los cambios en el nivel del mar. Esta área está caracterizada por reflejar la compleja influencia de los cambios glacio-eustáticos del Cuaternario y las fuerzas tectónicas, en una arquitectura estratigráfica bastante jerárquizada. El Golfo de Cádiz presenta aporte fluviales locales bastante elevados dentro de un régimen oceanográfico moderadamente energético, representando una situación intermedia entre ambientes de formación de deltas de baja energía y ambientes de formación de retrabajamiento de alta energía. Una red dendrítica de valles encajados en la plataforma interna frente al estuario de de los ríos Gilão y Almargem, situada en la plataforma este del Algarve, ha sido estudiada para discernir los controles que dieron forma a antiguos sistemas fluviales. La investigación se centra en los controles glacio-eustáticos primarios, como la geología previa, el bajo aporte fluvial y los agentes hidrodinámicos, junto con controles secundarios sobre la génesis y evolución del valle. La geología previa influye fuertemente en la formación del valle, limitando el desarrollo de los valles encajados y confinando la incisión hacia el interior de la plataforma, cerca de una bien definida ruptura de pendiente. El relleno postglacial es predominantemente estuarino, sugiriendo un sistema dendrítico, con numerosas barreras interrumpidas por canales de marea o surcos en un sistema estuarino mixto. En la plataforma del Guadiana, se estudiaron dos sistemas de valles encajados N-S separados por pocos kilómetros entre sí, revelando una naturaleza compuesta con hasta cinco fases de incisión repetida, sugiriendo un origen glacio-eustático del nivel del mar de 100 ka. Las diferencias significativas en la compleja arquitectura y en morfología entre ambos valles sugieren condiciones variables en el aporte de sedimentos sedimentario y la hidrodinámica durante su desarrollo, destacando el papel de los aportes y de la morfología previa en influir en la distribución de las facies de relleno del valle. El aumento del nivel del mar postglacial después del Último Máximo Glacial proporcionó condiciones ideales para estudiar la respuesta sedimentaria transgresiva a la repentina inundación de la plataforma impulsada por diferentes tasas de aumento del nivel del mar. El análisis de cuatro unidades transgresivas postglaciales (UTP) vinculadas a la desembocadura del río Guadiana revela una evolución deltaica compleja en respuesta a variaciones en las tasas de aumento del nivel del mar y cambios climáticos. Se observaron episodios de progradación y preservación del delta durante periodos de alto flujo sedimentario asociados con eventos climáticos significativos. Los valles encajados investigados y los depósitos transgresivos exhiben arquitecturas estratigráficas complejas influenciadas por ciclos glacio-eustáticos, la geología previa y las dinámicas de aporte sedimentario, dando lugar a morfologías distintas, patrones de relleno y respuestas a la transgresión postglacial. La arquitectura estratigráfica de las unidades transgresivas postglaciales frente a la desembocadura del río Guadiana revela una variabilidad significativa en los factores de control, destacando la intrincada interacción entre el aumento del nivel del mar, los flujos de sedimentos y las condiciones climáticas. Esta investigación contribuye significativamente a la comprensión de los procesos geológicos y sedimentarios en el Golfo de Cádiz, con aplicaciones directas en la industria del petróleo y el gas, así como en la comprensión de procesos biogeográficos y paleoclimáticos