UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS HEADLAND SEDIMENT BYPASSING PROCESSES Doutoramento em Geologia Especialidade em Geodinâmica Externa Mónica Sofia Afonso Ribeiro Tese orientada por: Professor Doutor Rui Pires de Matos Taborda Doutora Aurora da Conceição Coutinho Rodrigues Bizarro Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor 2017 UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS HEADLAND SEDIMENT BYPASSING PROCESSES Doutoramento em Geologia Especialidade em Geodinâmica Externa Mónica Sofia Afonso Ribeiro Tese orientada por: Professor Doutor Rui Pires de Matos Taborda Doutora Aurora da Conceição Coutinho Rodrigues Bizarro Júri: Presidente: ● Doutora Maria da Conceição Pombo de Freitas Vogais: ● Doutor António Henrique da Fontoura Klein ● Doutor Óscar Manuel Fernandes Cerveira Ferreira ● Doutora Anabela Tavares Campos Oliveira ● Doutor César Augusto Canelhas Freire de Andrade ● Doutor Rui Pires de Matos Taborda Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor Fundação para a Ciência e Tecnologia, no âmbito da Bolsa de Doutoramento com a referência SFRH/BD/79126/2011 2017 Em memória do meu irmão Luís Acknowledgments | Agradecimentos O doutoramento é um processo exigente, por vezes solitário, mas que só é possível com o apoio e a colaboração de outras pessoas e instituições. Portanto, resta-me agradecer a todos os que contribuíram para a conclusão deste trabalho. Em primeiro lugar agradeço aos meus orientadores, Rui Taborda e Aurora Bizarro, que têm acompanhado o meu trabalho desde os meus primeiros passos na Geologia Marinha, já lá vão 10 anos! A eles agradeço o incentivo para iniciar este projeto, o apoio demonstrado em todas as fases do trabalho, a confiança e a amizade. Ao Rui agradeço, em particular, a partilha e discussão de ideias e os desafios constantes que me permitiram evoluir. À Aurora, o pragmatismo tão importante nos momentos cruciais e a possibilidade de terminar esta tarefa com o tempo e a tranquilidade necessários. Durante estes cinco anos tive a oportunidade de trabalhar integrada em duas equipas, a do IH e a da FCUL, que foram fundamentais para levar este trabalho a bom porto. Agradeço a todos os que delas fazem parte, sem exceção, mas tenho de expressar a minha gratidão de forma particular a alguns deles: - ao João Duarte, com quem partilhei toneladas de areia e algumas viagens de empilhador, agradeço a ajuda fundamental na concretização da experiência de traçadores e a orientação nas análises de suscetibilidade magnética. - ao João Cascalho, a colaboração e o entusiamo no estudo dos minerais pesados, bem como a revisão crítica de parte do texto. - à Anabela Oliveira, as análises de RX, as fotografias da Foz do Lizandro e, não menos importante, a companhia na subida da Calçada do Combro com direito a gelado Santini em dias de calor. - à minha colega e amiga Cristina Lira, a ajuda preciosa na implementação do RUSLE e na análise das imagens de satélite, entre muitas outras coisas (keep calm, our day will come!). i Acknowledgments | Agradecimentos - à minha colega e amiga Ana Silva, a ajuda no processamento das imagens de vídeo, assim como a revisão cuidada de parte da tese e as visitas dos “piolhos” que, tantas vezes, me esqueceram o coração. - à minha irmã na ciência Ivana Bosnic, o companheirismo e a amizade que nasceu com o Beach Sand Code, e a partilhar ideias e experiências durante este período, ainda que os nossos doutoramentos não se tenham cruzado tantas vezes como gostaríamos. - à Ana Bastos, Mafalda Carapuço e Umberto Andriolo, por literalmente me terem conduzido até ao campo e pela boa companhia. À Ana Bastos quero ainda agradecer as banhocas e as várias tentativas de amostragem na plataforma interna, onde a Conceição Conde e o João Matos tiveram uma participação. - à Ana Santos e à guarnição da Andrómeda, em particular, à Comandante Dóris Ribeiro Fonseca, pela oportunidade de amostrar sedimentos ao largo do Cabo da Roca; à Maria João Balsinha, pela boa vontade e prontidão com que atendeu a todos os meus pedidos de ajuda, além da partilha do Esporão da Estremadura; ao Frederico Ferreira, pela ajuda no processamento e interpretação dos dados de sonar lateral; à Cecília Luz e ao Joaquim Pombo, pelo tempo que “esbotanaram” no Nautilus para ter acesso aos resultados das análises laboratoriais. - ao José Paulo Pinto e à Sara Almeida, pela disponibilidade e simpatia com que responderam às minhas solicitações; e ao José Aguiar, pela boa disposição e amabilidade com que, tantas vezes, fez “aquela pergunta”. - um agradecimento especial e saudoso aos que com boa disposição partilharam comigo o magnífico cheiro do diluente ao som das betoneiras, o belíssimo dia 8 de Setembro de 2014 e os intermináveis tabuleiros de areia no laboratório das Trinas: Aida Seabra, Ana Bastos, Ana Santos, Ana Silva (e Marta), Armando Marques, Aurora Bizarro, Cassandra Pólvora, César Jesus, Cesarina Pádua, Cristina Lira, Ernesto Mendes, Isaac Silva, Ivana Bosnic (e Lucas), João Cascalho, João Duarte, João Hermínio, Laura Reis, Milton Cabral, Nuno Lapa, Pedro Costa, Ruben Santos, Rui Taborda, Umberto Andriolo e Zenaida Diogo. No plano institucional agradeço à Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) pelo financiamento concedido (SFRH/BD/79126/2011); ao Instituto Hidrográfico, Instituto Dom Luiz e Departamento de Geologia da FCUL, pelo espaço e condições necessárias à realização das minhas atividades; e à Capitania do Porto de Cascais e Agência Portuguesa do Ambiente (APA), pela permissão para realizar a experiência de traçadores. Ao projeto Beach to Canyon (PTDC/MAR/114674/2009), pelo suporte fundamental à realização da experiência de traçadores; e aos projetos MICORE (ID 202798, FP7-ENVIRONMENT) e ii Acknowledgments | Agradecimentos “Criação e implementação de um sistema de monitorização no litoral abrangido pela área de jurisdição da Administração da Região Hidrográfica do Tejo” da Fundação da FCUL e da APA, os dados disponibilizados. Ao professor Fernando Marques da FCUL, a disponibilidade para esclarecer alguns aspetos sobre as arribas da área de estudo; ao professor Xavier Bertin da Universidade de La Rochelle, os dados de ondas; e ao doutor Fernando Magalhães da APA, a informação disponibilizada sobre as dragagens no Porto da Ericeira. Ao meu primo Francisco Carneiro, a fotografia de última hora na praia da Baleia; ao meu amigo João Marques, aquele bocadinho de areia da praia Grande; e ao Manuel Coelho e à Zoa pela boa companhia naquela viagem entre Sta. Cruz e a Ericeira. Um agradecimento muito especial às minhas colegas de doutoramento da 6.2.79, Ivana, Mafalda e Tanya, com quem partilhei os altos e baixos inevitáveis deste percurso e as inesquecíveis sessões do MIMT. Às minhas colegas e amigas de tertúlia na Casa da Índia, Cata, Sandrinha e Xana, agradeço as risadas e as sessões de exorcismo fundamentais à saúde mental de qualquer doutorando. À família das Olaias e à família do Cacém que, sem compreenderem muito bem porque é que um doutoramento consome tanto tempo e energia, estiveram sempre lá e tornaram tudo mais fácil. Aos meus pais, aos meus sogros e ao meu 1berto, por partilharem comigo os dias de chuva e os dias de sol. Muito obrigada! iii Acknowledgments | Agradecimentos iv Abstract Headland sediment bypassing (HSB) processes play an important role in the definition of the littoral sediment budget, having particular relevance on headland-bay coasts. However, HSB has received little attention compared to other topics of headland-bay beach research, such as the beach planform rotation and stability. Thus, the main goal of this thesis was to increase the knowledge on HSB and recognize its role on the sediment budget of headland-bay beaches. The study was carried out in a 100 km rocky coastal stretch located at the Portuguese western coast, between the Carvoeiro and Raso capes, where numerous headland-bay beaches develops in a wide range of different geomorphological settings. To achieve the proposed goals, the work was supported by several complementary approaches that gave insights on the processes that constrain headland-bay beaches evolution at a wide range of spatial and temporal scales. These approaches included: (1) detailed morphological and sedimentological analysis of the beaches and inner continental shelf; (2) the study of the longshore drift based on a fluorescent tracer experiment (short-term approach) and empirical modelling (long-term approach); (3) the development and application of a new shoreline evolution model (SEM-PLAT) that simulate shoreline changes on beaches develop over a rocky shore platform; and (4) the analysis of the sediment sources and sinks along the studied coastal stretch and study of long-term evolution trends. The results obtained allowed to classify dominant HSB processes in two main modes, which are in line with two of the existing conceptual models. The processes were classified according to the prevailing domain where sediment bypass the headlands as: (1) beach headland sediment bypassing (BSB) – a process that takes place at the subaerial section of the beach, and (2) inner shelf headland sediment bypassing (SSB) – a process that occurs on the submarine domain. BSB process is triggered by the persistence of incoming wave direction, inducing beach rotation that, especially in low-degree embayments, can result in a continuous inner sandbar along the headland coast, which migrates downdrift and welds to the downdrift beach. This process is dominated by the longshore drift, occurring mainly in the intertidal zone and, eventually, in very v Abstract shallow depths of the submarine domain. SSB process, on the other hand, is triggered by high- energy wave conditions. Under these conditions, the strong offshore currents can transport sediment outside the embayments. The sediment that is pushed offshore is distributed on the inner shelf and eventually transported alongshore, bypassing the headlands. When wave energy start to reduce, the sediment is slowly transported onshore and start to weld to the downdrift beaches. This process depends on both cross- and longshore transport components and can occur in both low- and high-indented beaches.