Topographic, lithospheric and lithologic controls on the transient landscape evolution after the opening of internally-drained basins. Modelling the North Iberian Neogene drainage

Contrôles topographiques, lithosphériques et lithologiques sur l’évolution transitoire du paysage après l’ouverture des bassins endoréiques. Modélisation du drainage du Néogène Nord Ibérique

¹ Barcelona Geosciences, GEO3BCN-CSIC, Lluis Solé i Sabarís s/n, 08028 Barcelona, Spain
² Laboratoire de Géographie Physique, UMR 8591, CNRS, 1 place Aristide Briand, 92195 Meudon, France
³ Now at: Departamento de Geología, Universidad de Oviedo, C/ Jesús Arias de Velasco s/n, 33005 Oviedo, Spain
⁴ Now at: Departamento de Biología y Geología, Física y Química Inorgánica, ESCET, Universidad Rey Juan Carlos, 28933 Móstoles, Madrid, Spain

^* Corresponding author: danielgc@geo3bcn.csic.es

Received: 22 March 2021
Accepted: 21 September 2021

Abstract

The opening of internally-drained (endorheic) sedimentary basins often leads to a major drainage change, re-excavation of the basin sedimentary infill, and transient landscape. The timing of such basin openings can be dated only in exceptional cases in which the youngest sedimentary infill remains preserved. For this reason, the processes and timing involved in their transient landscape evolution are poorly known. We explore the role of erodibility, basin geometry and flexural isostasy during the capture of internally-drained basins by means of numerical modelling techniques constrained by recent terrace cosmogenic dating and geomorphological analysis, addressing the issue as to why the Duero and Ebro rivers, draining two Cenozoic sedimentary basins in N Iberia with similar geographical dimensions and drainage histories, have undergone a markedly different erosion evolution leading to distinctly different present morphology. To evaluate how these intrinsic parameters affect the transient landscape evolution, we design a synthetic scenario inspired by those basins. The results show that, once a basin becomes externally drained, its drainage integration and erosion rates are strongly dependent on (1) the basin elevation above the base level; (2) the width of the topographic barrier, (3) its erodibility; and (4) the rigidity of the lithosphere. The results show that transient landscape evolution can last for tens of millions of years even in absence of tectonic activity and changes in base level or climate. Basins isolated by wide and resistant barriers such as the Duero Basin may undergo a multi-million-year time lag between drainage opening and basin-wide incision. In the case of the Duero Basin, this delay may explain the paradoxical time lag between the last lacustrine bulk sedimentation dated at 9.6 Ma and the onset of widespread basin incision variously estimated at 3.7 to 1 Ma.

Résumé

L’ouverture de bassins sédimentaires à drainage interne (endoréique) conduit souvent à un changement majeur du drainage, à la ré-excavation du remplissage sédimentaire du bassin et à un paysage transitoire. Le moment auquel ces ouvertures de bassin se produisent ne peut être daté que dans des cas exceptionnels où le plus jeune remplissage sédimentaire reste préservé. Pour cette raison, les processus et le calendrier impliqués dans l’évolution transitoire du paysage des bassins sont mal connus. Nous explorons le rôle de l’érodibilité, de la géométrie du bassin et de l’isostasie flexural lors de la capture de bassins endoréiques au moyen de techniques de modélisation numérique contraintes par les récentes datations cosmogéniques de terrasses fluviatiles et l’analyse géomorphologique. La question abordée c’est pourquoi les fleuves du Duero et de l’Ebro, drainant deux bassins sédimentaires cénozoïques du nord de l’Ibérie avec des dimensions géographiques et des histoires de drainage semblables, ont subi une évolution de l’érosion nettement différente conduisant à une morphologie actuelle nettement plus érodée au bassin de l’Ebre. Pour évaluer comment ces paramètres intrinsèques affectent l’évolution transitoire du paysage, nous concevons un scénario synthétique inspiré de ces bassins. Les résultats montrent que, une fois qu’un bassin à drainage interne est capturé et son drainage devient externe, l’intégration de son drainage et ses taux d’érosion dépendent fortement de (1) l’élévation du bassin au-dessus du niveau de base ; (2) la largeur de la barrière topographique ; (3) son érodabilité ; et (4) la rigidité de la lithosphère. Les résultats montrent que l’évolution transitoire du paysage peut se prolonger pendant des dizaines de millions d’années même en l’absence d’activité tectonique et de changements de niveau de base ou de climat. Les bassins isolés par des barrières larges et résistantes comme le bassin du Duero peuvent subir un décalage de plusieurs millions d’années entre l’ouverture du drainage et l’incision à l’échelle du bassin. Dans le cas du bassin du Duero, ce retard peut expliquer le paradoxal décalage temporel entre la dernière étendue sédimentation lacustre datée de 9,6 Ma et le début de l’incision généralisée du bassin estimée de différentes manières à 3,7–1,0 Ma.