A Carsificação nas Colinas Dolomíticas a Sul de Coimbra (Portugal centro-ocidental) - Fácies deposicionais e controlos estratigráficos do (paleo)carso no Grupo de Coimbra (Jurássico Inferior)

Abstract

É proposto um modelo evolutivo geológico/geomorfológico para explicar a distribuição espácio-temporal do paleocarso que afeta a sucessão carbonatada marinha de águas rasas do Jurássico Inferior (Grupo de Coimbra), aflorante na região Coimbra-Penela (Portugal centro-ocidental), numa configuração morfo-estrutural específica (Colinas Dolomíticas). No Grupo Coimbra, apesar do caráter essencialmente dolomítico e da presença de níveis areno-pelito/argilosos e margosos interpostos, identifica-se alguma carsificação, sendo visíveis vários aspetos ligados tanto à micro como a meso-carsificação. Todos os tipos de formas cársicas observadas são preenchidas por uma cobertura siliciclástica pós-jurássica (autóctone e/ou alóctone), o que aponta para uma natureza paleocársica.

O principal objetivo deste trabalho é estudar o tipo de interação existente entre as fácies deposicionais, a diagénese precoce, as descontinuidades (sin e pós-deposicionais) e a distribuição espácio-temporal do paleocarso. O conceito de paleocarso não se limita aqui à definição de uma forma, e eventualmente do depósito que a preenche, que resultam de um ou vários processos/mecanismos, mas é interpretado como parte do registo geológico local e regional.

As informações de campo recolhidas na observação detalhada de 21 afloramentos (entre várias dezenas de outras observações de campo), assim como o resultado do levantamento geológico-estrutural e geomorfológico, foram cartografadas e registadas em colunas estratigráficas que mostram a sucessão lítica, incluindo dados sedimentológicos, paleontológicos e estruturais. A determinação das fácies baseou-se em observações de campo sobre a textura e as estruturas sedimentares, bem como na análise petrográfica de lâminas delgadas em laboratório. As formas cársicas e paleocársicas (superficiais e subterrâneas) foram classificadas e julgadas com base na atual localização geográfica, morfologia, descontinuidades com que estão associadas, posição estratigráfica e grau de enterramento que permitiu distinguir um carso exposto, nu ou completamente exumado, de um paleocarso coberto ou parcialmente enterrado.

Um quadro litostratigráfico formal foi proposto para os ~110 m de espessura local do Grupo de Coimbra, temporalmente atribuído ao Sinemuriano inferior-base do Pliensbaquiano onde se distinguem duas subunidades: a formação de Coimbra, essencialmente dolomítica; e, por cima, a formação de S. Miguel, essencialmente calco-dolomítica e calco-margosa.

As 15 fácies identificadas foram agrupados em 4 associações de fácies, geneticamente relacionadas, indicativas de uma sedimentação em distintos ambientes: inter/supramareal, lagunar, complexo de barreira e de mar aberto, num contexto de sistema deposicional que vai desde uma planície de maré até à parte interna, muito pouco profunda e de baixo gradiente, de um sistema de rampa carbonatada. Corpos brechificados estão associados com slump sin-sedimentares (com direção W a NW), mostrando a importante atividade de falhas N-S e NNE-SSW durante o Sinemuriano. Todos estes depósitos se organizam em ciclos principalmente batidecrescentes de escala métrica, em alguns casos truncados por eventos de exposição subaérea. No entanto, não se observam evidências de alterações pedogenéticas, ou o desenvolvimento de horizontes de solos. Estes factos refletem intervalos de exposição subaérea de muito curto prazo (intermitentes/efémeros), num ambiente com caraterísticas paleoclimáticas de tipo semiárido mas com um aumento nas condições de humidade durante a eogénese do Grupo de Coimbra, o que pode ter promovido o desenvolvimento de uma dissolução micro-paleocársica (carso eogenético). Reconheceram-se dois tipos de dolomitização: (1) uma sin-deposicional (ou de diagénese precoce) de “tipo penesalino”, possivelmente resultante de refluxos de salmouras (submareal pouco profundo) e uma precipitação primária relacionada com a evaporação de águas marinhas, sob condições semiáridas, em ambientes inter/supramareal, com a concomitante ação de uma atividade microbiana; (2) dolomitização/desdolomitização heterogénea secundária, comum durante a diagénese, particularmente onde os fluidos seguem descontinuidades como falhas, diaclases, planos de estratificação e, em alguns casos, estruturas paleocársicas pré-existentes.

A posição estratigráfica muito específica das formas cársicas reconhecidas é aqui entendida como sendo a direta consequência de uma alta heterogeneidade de fácies/microfácies e contrastes de porosidade (deposicional e suas modificações diagenéticas), com o contributo de uma circulação hidráulica eficaz através do desenvolvimento de uma macro/meso-permeabilidade, controlada pelas descontinuidades sin e pós-deposicionais - planos de estratificação, falhas e diaclases. Estas conexões hidráulicas influenciam e controlam significativamente os processos inicias de formação do carso subterrâneo, bem como o grau de carsificação, durante as fases meso/teleogenéticas do Grupo de Coimbra. Reconhece-se uma carsificação múltipla e complexa (polifásica e poligénica) que inclui 8 fases (á escala local) integradas em 4 períodos à escala regional: Jurássico, pré-Cretácico, pré-Pliocénico e Plio-Quaternário. Cada fase de carsificação compreende um tipo específico de (paleo)carso (eogenético, subjacente, desnudado, a manto-enterrado e exumado).

Finalmente, as caraterísticas geológicas, geomorfológicas e hidrogeológicas permitem descrever o aquífero local e definir, em grandes linhas, o seu funcionamento atual. O mapa da vulnerabilidade intrínseca elaborado mostra um aquífero cársico/fissurado e parcialmente entupido (paleocarso) com elevada a muito elevada suscetibilidade à contaminação.

An evolutionary geological/geomorphological model is proposed to explain the spatio-temporal distribution of palaeokarst affecting the Lower Jurassic shallow-marine carbonate succession (Coimbra Group), cropping out in the Coimbra-Penela region (western central Portugal), in a specific morphostructural setting (Dolomitic Hills). In the Coimbra Group, despite the local lateral and vertical distributions of dolomitic character and the presence of few thick sandy-argillaceous/shale and marly interbeds, karstification was identified, including several microkarstification features. All types of karst forms are commonly filled by autochthonous and/or allochthonous post-Jurassic siliciclastics, implying a palaeokarstic nature.

The main aim of this work is to infer the interplay between depositional facies, early diagenesis, syn- and postdepositional discontinuities, and the spatio-temporal distribution of palaeokarst. Here, the palaeokarst concept is not limited to the definition of a landform, and/or possibly to an associated deposit (both resulting from one or more processes/mechanisms), but is considered as part of the local and regional geological record.

Detailed field information from 21 stratigraphic sections (amoungs several dozens of other field observations), and from structural geological and geomorphological surveys, was mapped and recorded on graphic logs showing the lithological succession, including sedimentological, paleontological, and structural data. Facies determination was based on field observations of textures and sedimentary structures and laboratory petrographic analysis of thin-sections. The karst and palaeokarst forms (both superficial and underground) were classified and judged on the basis of present-day geographic location, morphology, associated discontinuities, stratigraphic position and degree of burial by post-Jurassic siliciclastics that allowed to distinguish a exposed karst (denuded or completely exhumed) than a palaeokarst (covered or partially buried).

A formal lithostratigrafic framework was proposed for the local ca. 100-m-thick combined successions of Coimbra Group, ranging in age from the early Sinemurian to the early Pliensbachian and recorded in two distinct subunits: the Coimbra formation, essentially dolomitic; and the overlying S. Miguel formation, essentially dolomitic limestone and marly limestone.

The 15 identified facies were subsequently grouped into 4 genetically related facies associations indicative of sedimentation within inter/supratidal, shallow partially restricted subtidal-lagoonal, shoal and more open-marine (sub)environments, in the context of depositional systems of a tidal flat and a very shallow, inner part of a low-gradient, carbonate ramp. Observed breccia bodies are associated with synsedimentary slumps (sliding to the W to NW), showing the important activity of N–S and NNE–SSW faults during the Sinemurian. All these deposits are arranged into metre-scale, mostly shallowing-upward cycles, in some cases truncated by subaerial exposure events. However, no evidence of mature pedogenetic alteration, or the development of distinct soil horizons, was observed. These facts reflect very short-term subaerial exposure intervals (intermittent/ephemeral), in a semiarid palaeoclimatic setting but with an increase in the humidity conditions during the eogenetic stage of the Coimbra Group, which may have promoted the development of micropalaeokarstic dissolution (eogenetic karst). Two types of dolomitization are recognized: (1) syndepositional (or early diagenetic) “penesaline type”, possibly as a result of refluxing brines (shallow-subtidal) and direct precipitation related to the evaporation of seawater, under semiarid conditions, in the inte/supratidal environments, with concurrent action of microbial activity; (2) partial secondary heterogeneous dolomitization/dedolomitization, common during diagenesis, particularly where fluids followed discontinuities such as joints, faults, bedding planes and, in some cases, pre-existing palaeokarstic features.

The very specific stratigraphic position of the (palaeo)karst features is understood as a consequence of high facies/microfacies heterogeneities and contrasts in porosity (both depositional and its early diagenetic modifications), providing efficient hydraulic circulation through the development of meso- and macropermeability contributed by syn- and postdepositional discontinuities such as bedding planes, joints, and faults. These hydraulic connections significantly influenced and controlled the earliest karst-forming processes (inception), as well as the degree of subsequent karstification during the mesogenetic/telogenetic stages of the Coimbra Group. Multiple and complex karstification (polyphase and polygenic) were recognized, including 8 phases (local scale) integrated in 4 periods to regional scale: Jurassic, pre-Cretaceous, pre-Pliocene and Plio-Quaternary. Each phase of karstification comprise a specific type of (palaeo)karst (eogenetic, subjacent, denuded, mantled-buried and exhumed).

Finally, geological, geomorphological and hydrogeological characteristics allowed to describe the local aquifer, and to define, in great lines, its current function. The elaborated map of intrinsic vulnerability shows a karst/fissured and partially buried aquifer (palaeokarst) with high to very high susceptibility to the contamination.