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A bacia do Tejo teve uma evolução complexa ao longo do tempo, resultante da interacção de movimentos tectónicos e de oscilações do nível do mar. Condições climáticas diversas, desde tropicais húmidas a desérticas e a temperadas frias fizeram com que ao longo dos últimos milhões de anos ali tenham vivido sucessivas comunidades de animais e plantas ricas e diversificadas.
Chuvas concentradas alternando com intervalos de secura acentuada entre cerca de 55 e 34 milhões de anos (Ma) atrás (Eocénico e Oligocénico) provocaram a acumulação de conglomerados, arenitos e argilitos, em parte canalizados para uma depressão centrada no actual Mar da Palha. Em momentos de estabilidade (Oligocénico) formaram-se solos carbonatados em áreas pantanosas da região de Lisboa e da Península de Setúbal.
Há cerca de 24 Ma (início do Miocénico), a subsidência progressiva da Península de Setúbal permitiu a entrada do mar, que constituiu um golfo estreito que se estendia pouco para o interior. Nas regiões marginais desenvolveram-se recifes de corais com áreas pantanosas na parte interna.
Há cerca de 18 Ma (Miocénico inferior), a serra da Arrábida começou a elevar-se. Logo depois, o mar em ascenção penetrou muito para o interior até às proximidades da Azambuja. Os relevos da Arrábida, entretanto emersos, constituíam uma ilha. A temperatura da água do mar era elevada; nela viviam nautilóides, ouriços, e peixes tropicais, incluindo numerosos tubarões.
Por volta de há 17 Ma, o mar afastou-se de novo. O Pré-Tejo divagava numa planície aluvial com um extenso delta terminal; transportou até Lisboa areias grosseiras resultantes da erosão das cordilheiras do interior do território. Nas planícies litorais viviam mastodontes e rinocerontes. Os lagos eram povoados por tartarugas, crocodilos e peixes.
Duas novas oscilações no nível do mar trouxeram águas quentes até ao golfo para onde corria o pré-Tejo. No mar viviam numerosos tubarões (tubarão-limão, tubarão tigre, entre outros) e grandes barracudas que indicam águas com temperatura de cerca de 24-25ºC.
No início do Miocénico médio (cerca de 16,5 e 15 Ma) houve aridez acentuada. Havia savanas e estepes onde habitavam rinocerontes corredores. A floresta desenvolvia-se apenas ao longo dos poucos cursos de água.
Há cerca de 15 milhões de anos (Miocénico médio) o mar começou a subir de novo. As águas marinhas penetraram muito para o interior desenvolvendo-se um golfo até às proximidades de Santarém. As serras da Arrábida e de Sintra constituiram ilhas. Depositaram-se primeiro biocalcarenitos, depois, siltitos mais ou menos argilosos, de cor cinzenta azulada (com pirite); denunciam a existência de áreas marinhas com circulação reduzida e oxigenação deficiente. Além de cetáceos, encontra-se fauna variada de peixes em que as espécies tropicais são raras; tanto as associações de seláceos como de teleósteos incluem formas de águas relativamente profundas, incluindo peixes com orgãos luminosos. Os foraminíferos planctónicos são abundantes. Atingiram-se as maiores profundidades verificadas na bacia do Baixo Tejo.
Nova descida do nível do mar que fez com que se depositassem areias finas na região de Lisboa, seguidas por biocalcarenitos muito fossilíferos. Estes sugerem nova retoma da subida do mar que atingiu o apogeu há cerca de 11 Ma. São frequentes pectinídeos e ostreídeos, faltam formas vasícolas. Abundam colónias de briozoários, são comuns os foraminíferos e diversos equinídeos. Dentre os vertebrados, existiam cetáceos, tartarugas e peixes em associação rica onde rareiam formas de profundidade. Indicam águas quentes sem atingirem, contudo, temperaturas comparáveis aos máximos de há 17 e 16 milhões de anos.
O mar manteve-se na região até há cerca de 10,5 milhões de anos (Miocénico superior) quando começou a retirar-se de novo. Surgiram ambientes litorais ricos de ostreídeos, às vezes de enormes dimensões, provavelmente indicadores de diminuição de salinidade.
Com a descida do mar, o Pré-Tejo transportou, durante o Pliocénico, areias que se estenderam desde Castelo Branco até ao litoral da Península de Setúbal, enchendo a extensa depressão drenada pelo rio. O mar só voltou a invadir por pouco tempo a Península de Setúbal há cerca de 4 Ma, constituindo um golfo pouco extenso (não deve ter ultrapassado a região do Montijo).
Nos últimos 1,8 milhões de anos (Quaternário) como consequência das glaciações, houve várias oscilações do nível do mar testemunhadas pelos terraços marinhos bem expressos no litoral da Arrábida.
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Cronostratigrafia dos principais acontecimentos ocorridos na parte terminal da bacia do Baixo Tejo.