We show the potential of paleomagnetism applied to sediments filling cave passages for chronology purposes, since the formation of caves cannot be directly dated. The Atapuerca karst system (N Spain) offers a suitable case scenario because it contains a multilevel karst system developed during the progressive incision of the Arlanzón River. This karst formed during the Quaternary in response to the incision of this tributary of the Duero River in the Cenozoic continental deposits. We present new magnetic polarity results from both clastic and chemical deposits from cavities of the Atapuerca karst. These deposits provide minimum ages for the multilevel karst development, and they have implications for the incision history and water-table evolution during the Pleistocene. We find that the karstification of the studied levels developed during the Matuyama chron, before the middle Pleistocene, as suggested by the magnetostratigraphic and also cosmogenic burial ages of sediments infilling the karstic passages.

During the Middle and Upper Miocene, calcrete and associated palustrine deposits formed marginal fringes adjacent to the margins of the Aranda–Burgo de Osma corridor in the southeastern Tertiary Duero basin. These environments interfingered laterally with narrow peripheral alluvial fans toward the corridor margins, whereas toward the center of the corridor, they graded into the fluvial systems transverse to the alluvial fans. Over time, the peripheral carbonate environments were replaced by fluvial systems. The calcretes form profiles with nodular grading upward to massive horizons. These profiles may be vertically stacked at the edges of the carbonate bodies. These calcretes are the product of mixed pedogenic and phreatic processes associated with the palustrine environments. Palustrine limestones were deposited in a shallow carbonate-precipitating lake that had low gradient margins and was subjected to periodic fluctuations in level. The sedimentologic characteristics of the carbonate facies indicate accumulation in a semiarid climate and conditions of scarce clastic sediment supply, which favored the development of carbonate-precipitating fringes. In contrast, their absence in parts of the sequence may have resulted from an increase in clastic sediment supply associated with a climatic change toward more humid conditions. At these times, the fluvial channels had greater lateral mobility and spread toward the corridor flanks, replacing the carbonate environments. Subsidence was greater in the central corridor than at its margins and did not change significantly during the Miocene. Thus, changes in climate and the clastic sediment input on the flanks of the Aranda–Burgo de Osma corridor were the main controls on the development of 10–20-m-thick carbonate clastic sediment sequences. Durante el Mioceno medio y superior en los márgenes del corredor de Aranda-Burgo de Osma, sureste de la cuenca del Duero, se desarrollaron franjas de depósitos palustres, rodeados de niveles de caliche. Estos términos carbonatados cambian lateralmente a depósitos de abanicos aluviales enraizados en los relieves que flanquean el corredor, mientras que hacia el centro del mismo pasan a los depósitos del sistema fluvial axial que drenaba esta región hacia el centro de la cuenca, situado más al oeste. Temporalmente los caliches y medios palustres eran substituidos por el sistema fluvial. Los caliches forman perfiles constituidos por niveles nodulares en la base que pasan a masivos hacia el techo, los cuales pueden llegar a apilarse formando secuencias compuestas en los márgenes de las unidades carbonatadas. Los caliches se forman debido a la acción combinada de procesos edáficos y freáticos, asociados a los medios palustres adyacentes. Estos últimos representan una sedimentación carbonatada lacustre en lagos muy someros, de baja pendiente, y afectados por exposiciones subaéreas frecuentes. Las características sedimentológicas de las facies carbonatadas indican una acumulación en condiciones semiáridas que favorecían un escaso suministro de material terrígeno a la cuenca y el desarrollo de facies carbonatadas en sus márgenes. Por el contrario, la expansión del sistema fluvial axial hacia estas áreas estaba propiciada por un aumento del suministro terrígeno como respuesta a condiciones climáticas más húmedas. En estos periodos el sistema fluvial axial se extendía hasta los márgenes del corredor, reemplazando los medios palustres y anulando en buena medida el desarrollo de los caliches asociados. La subsidencia era mayor en el corredor central que en sus márgenes y no cambió substancialmente durante el Mioceno. Los cambios en el clima y el suministro de materiales terrígenos en los flancos del corredor fueron los controles principales en la acumulación de ciclos carbonatado-terrígenos.