Early Eocene paleosols on King George Island, Maritime Antarctica as a paleoenvironmental proxy

Abstract

The Eocene epoch was one of the most important greenhouse periods during the Cenozoic era. Antarctica's landscape was completely different during the Eocene: there was a predominance of green rainforests rather than glaciers and ice caps. Most evidences for this warm period were found mostly in Southern Ocean sediments and a few from terrestrial settings. King George Island (KGI), South Shetlands Islands, Maritime Antarctica are one of the key sites, where terrestrial evidence from the Eocene are archived. Although the presence of paleosols are known, no detailed paleopedological studies have been conducted so far. This gap in paleopedological research on Eocene paleosols in Antarctica will be narrowed with this study. The main objective was to use the properties of three paleosols on KGI as proxies for the paleoenvironmental reconstruction of the early Eocene. To achieve this objective, a set of different methodologies (i.e. macro- and micromorphology, X-ray fluorescence, X-ray diffraction, diffuse reflectance spectroscopy, magnetic susceptibility and 40Ar/39Ar dating) were used with a focus on those properties that have paleo-environmental significance (mainly morphological and micromorphological features, mineralogy of clays and iron oxides). These properties were related to macromorphological and micromorphological features, and mineralogy of clays and iron oxides of the paleosols. The macromorphological and micromorphological properties were used to attribute a pedogenic origin of the paleosols. A gradual change in soil properties and features with depth, such as colour, structure, bioturbation, iron mottles/nodules made it possible to distinguish soil horizons. Consequently, a pedogenic origin for the paleosols was confirmed. In addition, the results demonstrated that pedogenesis as well as pre-weathering and diagenesis played a role for the formation of the properties of these paleosols. The clay mineralogy showed mainly smectites inherited from the parent material being later modified by pedogenesis. The reddish colour of the paleosols was mainly caused by hematite that was rather formed by dehydration of ferrihydrite during post-burial diagenesis than by pedogenesis. The results indicated that the weakly/moderately developed paleosols were formed under a cool and humid paleoenvironment. Although pre-weathering and diagenesis had played a role in developing properties of the paleosols, the paleoenvironmental significance is still preserved in these paleosols (soil memory). The paleosols on KGI are an important proxy to better understand the greenhouse period of the Eocene.

Das Eozän war eine der bedeutendsten Warmperioden im Känozoikum. Die Umwelt der Antarktis war im Eozän anders als heute: es gab vorherrschend grüne Regenwälder statt Gletscher und Eiskappen. Die meisten Nachweise für die warm Epoche des Eozäns wurden vor allem in Tiefseesedimenten der Ozeane auf der Südhalbkugel und terrestrischen Standorten wie auf King George Island (KGI), den Süd-Shetland-Inseln und die der Maritime Antarktis gefunden. Obwohl das Vorkommen von Paläoböden an einigen Standorten in der Antarktis seit vielen Jahren bekannt ist, wurden an diesen bisher keine detaillierten paläopedologischen Studien durchgeführt. Diese Lücke der paläopädologischen Forschung in der Antarktis wird mit dieser Arbeit verkleinert. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, anhand einer paläopedologischen Analyse von drei früheozänen Paläoböden auf KGI und unter Nutzung der Paläoböden als Proxies die Paläoumwelt zu rekonstruktieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden eine Reihe unterschiedlicher Methoden (d.h. Makro- und Mikromorphologie, Röntgenfluoreszenzanalyse, Röntgendiffraktometrie, diffuse Reflexionsspektroskopie, magnetische Suszeptibilität und 40Ar/39Ar Datierung) mit einem Fokus auf jene Eigenschaften verwendet, die eine große Bedeutung zur Beurteilung der Pedogenese haben (hauptsächlich morphologische und mikromorphologische Merkmale sowie Ton- und Eisenoxidmineralogie). Diese Eigenschaften wurden mit makro- und mikromorphologischen Merkmalen sowie Ergebnissen aus der Ton- und Eisenoxidmineralogie verbunden. Die makro- und mikromorphologischen Eigenschaften wurden verwendet, um einen pedogenen Ursprung der Paläoböden zuzuordnen. Eine allmähliche Veränderung der Tiefenfunktion der Bodeneigenschaften wie Farbe, Struktur, Bioturbationsmerkmale, Eisen-Mangan Konkretionen ermöglichten die Unterscheidung von Bodenhorizonten. Folglich wurde ein pedogener Ursprung für die Paläoböden bestätigt. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass sowohl die Pedogenese als auch die Vorwitterung und die Diagenese bei der Bestimmung der Eigenschaften tertiärer Paläoböden eine große Rolle spielten. Die tonmineralogische Analyse zeigte, dass die Tonminerale hauptsächlich vom Ausgangssubstrat vererbt waren und die Smektite später durch Pedogenese modifiziert worden sind. Die rötliche Farbe der Paläoböden wurde hauptsächlich durch Hämatit verursacht, der mit großer Wahrscheinlichkeit nicht pedogenetisch entstanden ist, sondern vielmehr durch die Dehydratation von Ferrihydrit während der Diagenese gebildet wurde, die nach weiterer Überdeckung mit Sedimenten einsetzte. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die schwach entwickelten Paläoböden in einer kühlfeuchten Paläoumgebung gebildet haben. Obwohl die Vorwitterung und die Diagenese bei der Entwicklung der Eigenschaften der Paläoböden eine Rolle gespielt haben, blieben die Merkmale der Paläoumwelt im Archiv bzw. im Gedächtnis (soil memory) der Paläoböden erhalten. Daher sind die Paläoböden auf KGI ein wichtiger Proxy, um die Treibhausperiode des Eozäns besser zu verstehen