Research Collection Doctoral Thesis Reconstruction of landscape evolution and continental ...

146 Pages·2008·13.89 MB·English

ETH Library
Reconstruction of landscape
evolution and continental
paleoglaciations using in-situ
cosmogenic nuclides
examples from Antarctica and the Tibetan Plateau
Doctoral Thesis
Author(s):
Schäfer, Jörg Michael
Publication date:
2000
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-003926266
Rights / license:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection.
For more information, please consult the Terms of use.
DISS. ETHNi. 13542
Reconstruction of landscape evolution and
continental paleoglaciations using in-situ
cosmogenic nuclides: Examples from
Antarctica and the Tibetan Plateau
A dissertation submitted to the
EIDGENÖSSISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE ZÜRICH
for the degree of
DOCTOR OF NATURAL SCIENCES
presented by
Jörg Michael Schäfer
Dipl. phys., Universität Heidelberg
born November 14, 1068
citizen of Germany
accepted on the recommendation of
PD Dr. Rainer Wider, examiner
Prof. Dr. Christian Schlüchter, co-examiner
Prof. Dr. A1e\ N. Hallidav, co-cxamincr
Dr Thomas Giaf, co~examinei
Zürich 2000
Contents
Abstract III
Kurzfassung V
,
Outline VIII
1 Introduction
2 Methods 4
_____
2.1 In-situ production ofcosmogenic nuclides 4
_
2.1.1 elemental production rates 6
_____
2.1.2 production rate scaling with altitude and latitude_____ 11
2.1.3. variations ofproduction rates in the past 16
2.1.4. Synopsis 18
: _________________
2.2 Interference of non-cosmogenic nuclides 19
2.2.1 Origin of nucleogenic neon 20
2.2.2 Separation of cosmogenic helium and neon 27
2.3 Outlook 37
_____ _ _
3 Antarctica 44
,
3.1 Cosmogenic noble gas studies in the oldest landscape
on Earth: Surface exposure ages of the Dry Valleys, Antarctica 45
3.2 The oldest ice on Earth in Beacon Valley, Antarctica:
New evidence from surface exposure dating 64
3.3 Preliminary exposure ages and long-term erosion rates
from Mt. Keinath, Terra Nova Bay Area 83
__
3.4 Summary and Outlook 88
_ ,
4 Tibet 90
_____________________________
4.1 Surface exposure ages ofTibetan moraines: Evidence for a
restricted glacial event at the Eastern Plateau margin
during late Pleistocene 91
, __
4.2 Preliminary results from the central Tibetan Plateau 116
4.3 Summary 119
. ____ , ,
5 Final Remarks 120
_ , ,
6 Appendix
The chapter 3.1 has been published in Earth and Planetary Science Letters 167 (1999)
215-226.
The chapter 3.2 has been published in Earth and Planetary Science Letters 179 (1) (2000)
91-99.
The chapter4.1 is to be submitted to Geochimicaet Cosmochimica Acta.
II
Abstract
This work forms part of the fundamental conflict about interregional coupling of climate
fluctuations with respect to timing and amplitude. We approach this by dating direct
witnesses of former climate changes, namely moraines and other glaciogenic surfaces,
and by reconstructing their long-term landscape evolution. Glacial advances as well as
long-term erosion of surfaces are driven by climate. Identification of an ovcrregional
character of a glacial advance requires reliable dating ofthe event. The method applied is
surface exposure dating (SED) using in-situ produced cosmogenic nuclides. We will
present three relevant case studies from Antarctica and the Tibetan Plateau.
This study is element of an interdisciplinary project and is analytically based on
noble gas mass-spectrometry, whereas the discussed radionuclide analyses are performed
by colleagues of the Accelarator Mass Spectrometry Group, ETH Zürich. The
determination of meaningful exposure ages from different lithologies - dolerite,
sandstone, granite, quartzite - demanded significant refinements of noble gas extraction
and separation technique. The goal was to improve the separation of cosmogenic and
non-cosmogenic noble gas fractions. Therefore, extensive experiments to establish a
suitable step-wise heating procedure have been applied to the key minerals pyroxene and
quartz, and an in-vacuo crushing device has been constructed and implemented in the
extraction line. In addition, the most prominent source of uncertainty in the method of
surface exposure dating - the scaling of production rates with altitude and latitude - has
been tackled by starling an experiment exposing artificial targets along a latitude-altitude
transect ranging from 20°S to 70°N and from 700 m to 4500 m, respectively.
The first major topic of this thesis was the question about the stability of the
Antarctic paleoclimate on the million year scale. Attacking this, we did extensive SED
studies in the Dry Valleys, Antarctica, with the goal of evaluating the reaction of
Antarctica to the Pliocene warming event. Detailed questions in this context are (i) the
age of the Sirius Group glacial sediments deposited at high altitude sites of the
Transantarctic Mountains (e.g. Mt. Fleming, Mt. Feather, Table Mountain) and (ii) the
formation age ofthe relict landscape ofthe Inner Dry Valleys, the largest ice-free part of
Antarctica. Furthermore, we investigated (iii) relict ice underlying the floor of Beacon
Valley to shed light on the earlier conflict, if this ice is rather young or has survived
sublimation and melting over millions ofyears.
(i) + (ii): Extraordinary high surface exposure ages have been determined for Sirius
Group tillites at Mt. Fleming and Mt. Feather as well as in the old landscape in the Inner
Dry Valleys using cosmogenic helium and neon. Minimum ages of 10 Ma at Mt.
Fleming, 5.3 Ma at Mt. Feather and 6.5 Ma at Insel Mountain are among the highest
nominal exposure ages published so far. The Mt. Fleming and Mt. Feather sample both
prove the pre-Pliocene age of Sirius Group sediments in the Dry Valley and therefore
imply that the last glacial event that overrode the Transantarctic Mountains occurred in
the Miocene or earlier. The Insel Mountain samples provide evidence for a landscape
formation of the Inner Dry Valleys not later than late Miocene together with exceedingly
low long-term erosion rates of < 15 cm/Ma. The preservation of the surfaces over > 6 Ma
III
requires permanently cold and hyperarid conditions, which indicates that the response of
Antarctica to the Pliocene warm climatic episode must have been small.
(iiiY. To constrain the age and evolution ofthe relict ice underneath the till layer covering
the Beacon Valley floor, we analyzed two dolerite erratics from the till surface and one
from within the ice. A conservative minimum exposure age ofthe older surface sample is
2.3 Ma, but taking into account erosion, the true exposure age of this boulder is likely to
be considerably higher. The buried sample contains more than twenty times less
cosmogenic noble gases than the old surface sample, although its current shielding would
imply only a three times lower production rate. This indicates that the ice level has slowly
been lowered by sublimation at the rate of a few m/Ma. The high exposure age of the
surface sample as well as the very low sublimation rate of the relict ice both support the
conclusion that the remnant ice in Beacon Valley was deposited many million years ago
[Sugden et al, 1995] and has never been thinner than at present.
These independent findings all support the hypothesis of constant cold climate
conditions in Antarctica at least during the last 3 Ma implying that the climate of
Antarctica was decoupled from that oflower southern latitudes, where climate fluctuated
significantly.
The second major issue of this PhD-thesis was to add new information to the
conflict of timing and amplitude of paleoglaciations on the Tibetan Plateau. In the initial
phase of our project presented here, we determined first surface exposure ages of glacial
_j m r\i i-S/-
deposits in the Litang County, Eastern Tibet, using cosmogenic He, Be, Ne, and "Al.
This method proved to be highly suitable for deciphering the mystery ofpaleoglaciations
on the Tibetan Plateau. The analyzed erratic boulders are elements of a moraine suite
representing valley glaciations at the Eastern margin of the Plateau. The main glacial
event dated here deposited a suite of moraines between 15 ka and 30 ka and therefore
during late Pleistocene. This age interval is based on the conservative range from
minimum to maximum erosion rates, respectively. Assuming a plausible mean value for
the erosion rate of granitic erratics in alpine environments of 10 mm/ka, the age of the
main glacial advance is 18 ± 1 ka. All dated moraines represent restricted glacial events,
only some 10 km away from the present glacier. No more extensive glaciations occurred
on the Eastern margin of the Plateau later. Therefore, our data is inconsistent with the
theory of an ice dome covering the entire Plateau that retreated later than 12 ka B.P
[Kuhle, 19981 but implies that glacial advances on the Tibetan Plateau have been less
spectacular than in other areas ofthe Northern Hemisphere during late Pleistocene.
IV
Kurzfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem fundamentalen Problem der überregionalen
zeitlichen und räumlichen Reprcsentativität von Klimaschwankungen, indem direkte
Zeugen vergangener Klimaänderungen, namentlich Moränen und andere glazigenc
Landschaftselemente, datiert werden und die erosionsbedingte Landschaftsentwicklung
dieser Elemente rekonstruiert wird. Gletschervorstösse und langzeitliche
lirosionsprozesse werden von den vorherrschenden Klimabedingungen gesteuert. Die
Einordnung von lokalen Gletschervorstössen in einen überregionalen Klimakontext
erfordert eine zuverlässige Datierung dieser glazialen Ereignisse. Dies geschieht durch
die Methode der Expositionsdatierung von Oberflächen mittels in-sim produzierten
kosmogenen Nukliden. Es werden drei Fallbeispiele aus der Antarktis und des
Tibetanischen Plateaus vorgestellt.
Die vorliegende Arbeit ist Teil eines interdisziplinären Projektes und basiert
analytisch auf der Anwendung der Edelgasmassenspektrometrie. Die diskutierten
Radionuklid-Analyscn wurden von den Kollegen der Beschleumgermassenspektrometrie-
Gruppe, ETI! Zürich, durchgeführt. Die Bestimmung von Expositionsaltern
verschiedener Lithologicn wie Dolerit, Sandstein, Granit und Quarzit, erforderte eine
deutliche Verfeinerung der Edelgas-Extraktions Technik sowie der Separations-
Methodik. Das Ziel war eine verbesserte Trennung der kosmogenen von den nicht-
kosmogenen Edelgasfraktionen. Hierzu wurden einerseits zahlreiche Versuchsreihen zur
Erstellung einer geeigneten "step-wise heating'' Prozedur für die Schlüsselminerale
Pyroxen und Quarz durchgeführt. Andererseits wurde ein in-vacuo Mörser konstruiert
und in der Extraktionslinie integriert. Darüberhinaus wurde ein Experiment zur direkten
Messung von Skalierungsfaktoren der Produktionsrate mit der Flöhe und der
geomagnetischer Breite entworfen und weitgehend ausgeführt. Hierzu wurden künstliche
Targets zwischen 20°S und 70°N beziehungsweise zwischen 700 m und 4500m
exponiert.
Die erste Hauptfragestellung dieser Studie ist die Stabilität des Antarktischen
Paläoklimas im Zeitbereich von Millionen von Jahren. Dazu wurden umfangreiche
Exposiüonsdatierungcn in den Dry Valleys, Antarktis, vorgenommen, um die Reaktion
des Antarktischen Klimasystems auf die Pliozäne Warmzeit zu bewerten. Detaillierte
Fragestellungen in diesem Zusammenhang bezogen sich auf (i) das Alter der glazialen
Sedimente der Sirius Gruppe, die auf dem Transantarktischen Gebirge (z.B. auf Mt.
Fleming, Mt. Feather, Table Mountain) deponiert wurden sowie auf (ii) das Alter der
rcliktischen Landschaft der Inneren Dry Valleys, der grössten eisfreien Fläche der
Antarktis. Darüberhinaus wurde (iii) ein reliktischer Eiskörper unter dem Talboden des
Beacon Valley untersucht, um den bestehenden Konflikt aufzuklären, ob dieser Eiskörper
jüngeren Alters ist oder tatsächlich über Jahrmillionen Sublimation und Schmelzen
widerstanden hat.
(i) + (ii): Es wurden aussergewöhnlich hohe Oberflächen-Expositionsalter sowohl der
Sirius Sedimente des Mt. Fleming und Ml. Feather als auch der reliktischen Oberflächen
der Inneren Dry Valleys mittels kosmogenem Helium und Neon bestimmt. Minimalalter
von 10 Ma am Mt. Fleming, 5.3 Ma am Mt. Feather und 6.5 Ma am Insel Mountain
gehören zu den ältesten bisher veröffentlichten nominellen Expositionsaltern. Die Proben
V
vom Mt. Fleming sowie vom Mt. Feather beweisen beide das prä-Pliozäne Alter der
Sirius Gruppe in den Dry Valley und implizieren, dass der letzte Vorstoss des
Ostantarktischen Eisschildes, der das Transantarktische Gebirge überflössen hat, im
Miozän oder früher stattgefunden haben muss. Die Tnscl Mountain Proben weisen zum
einen darauf hin, dass die Landschaft der Inneren Dry Valleys spätestens während des
ausgehenden Miozäns gebildet wurde, zum anderen bedingen diese Proben extrem
niedrige Langzeit-Erosionsraten von < 15 cm/Ma. Diese Konservierung der Oberflächen
über einen Zeitraum von > 6 Ma verlangt ein konstant kaltes, hyperarides Klima, was
darauf hinweist, dass die Reaktion des Antarktischen Klimasystems auf die Pliozäne
Warmzeit gering gewesen ist.
(iii): Um das Alter und die Entwicklung des reliktischen Eises unterhalb des Beacon
Valley Talbodens zu bestimmen, wurden zwei doleritische Erratiker der Till-Oberfläche
sowie ein unter dem Till begrabender und im Eis steckender Erratiker analysiert. Ein
konservatives Minimalalter der älteren Probe ist 2.3 Ma. Die Berücksichtung der Erosion
führt jedoch zu einem deutlich höheren Alter dieses erratischen Blockes. Die begrabene
Probe enthält mehr als 20 mal weniger kosmogenes Edelgas als die alte
Oberflächenprobe, obwohl die aktuelle Abschirmung lediglich eine 3 mal kleinere
Produktionsrate erwarten lässt. Dies deutet daraufhin, dass die Mächtigkeit des
reliktisehen Eiskörpers nur durch langsame Sublimation von wenigen m/Ma
abgenommen hat. Sowohl das hohe Expositionsalter der Oberflächenprobe als auch die
sehr niedrige Sublimationsrate unterstützen die Theorie, dass das reliktische Eis im
Beacon Valley vor vielen Millionen Jahren deponiert wurde [Sugdeji et ah, 1995] und
dass dessen Mächtigkeit seither konstant höher war als heute.
Die unabhängigen Ergebnisse der Studien (i)-(iü) implizieren ein konstant kaltes
Antarktisches Klima zumindest in den letzten 3 Ma, was für eine klimatische
Entkopplung der Antarktis von den niedereren südlichen Breiten spricht, in denen die
Klimaschwankungen ausgeprägter gewesen sind.
Die zweite grosse Herausforderung dieser Arbeit war es, zu neuen Erkenntnissen
bezüglich der Paläo-Vergletscherung des Tibetanischen Flochplateaus beizutragen. In der
Anfangsphase unseres Projektes, über die hier berichtet wird, wurden erstmals
Oberflächenexpositionsalter glazialer Ablagerungen in Litang County, Osttibet, mittels
kosmogenem l0Be, -1A1, 2lNe und Tie bestimmt. Die Methode der Expositionsdatierung
erwies sich als sehr geeignet, um das Rätsel der Tibetanischen
Vergletscherungsgeschichte zu lösen. Die analysierten Erratiker sind Elemente einer
Moränenabfolge einer Talvergletscherung am östlichen Rand des Plateaus. Das glaziale
Hauptereignis deponierte eine Moränenabfolge zwischen 15 ka und 30 ka und damit
während des späten Plcistozäns. Dieser Datierungsbereich basiert auf einem konservativ
angenommenen Intervall möglicher Erosionsraten. Unter der Annahme einer plausiblen
mittleren Erosionsrate für granitische Erratiker unter alpinen Klimabedingungen von 10
mm/ka, ergibt sich eine Datierung fur diesen Gletschervorstoss von 18,000 + 1,000
Jahren. Sämtliche datierten Moränen sind nur ungefähr 10 km vom heutigen Gletscher
entfernt und wurden damit durch lokale Gletschervorstösse deponiert. Am Ostrand des
Tibetanischen Plateaus fanden anschliessend keine ausgedehnteren glazialen Ereignisse
mehr statt. Damit sind unsere Daten nicht konsistent mit der Theorie eines
plateaubedeckenden Eisdomes, welcher sich später als 12 ka BP zurückgezogen hat
VI
[Kuhle, 1998], sondern weisen darauf hin, dass die spät-Pleistozänen Gletschcrvorstösse
auf dem Tibetanischen Plateau weniger ausgedehnt waren als in anderen Regionen der
nördlichen Hemisphäre.
VIT
Outline
The studies presented in this thesis are part of an interdisciplinary co-operation and are
based on the analyses of four in-situ cosmogenic nuclides: the stable noble gases helium
and neon and the radionuclides °Be and 26A1. My home base was clearly the noble gas
laboratory at ETH Zurich, therefore, I will argue mainly from the "noble gas
perspective". However, I give also the most important information about the
radionuclide-related problems and progress. The radionuclide analyses were performed
by colleagues from the AMS-team at ETFI Hönggerberg.
This thesis is submitted as a "publication-thesis"', therefore its heart is represented by two
manuscripts, that arc already published, and one that is close to submission, respectively.
After the Introduction (Chapter 1), I will summarize the most important methodological
aspects, the dominant sources of uncertainty together with strategies for improving the
precision of the method in Chapter 2. As the method of surface exposure dating has
developed rapidly in recent years, I will focus on the most current progress (for an
overview I recommend the following references: [Cerling and Craig, 1994; Kurz and
Brook, 1994; Lai, 1991]).
In Chapter 3, I discuss problems related to the question of long-term stability of the
paleoclimate of Antarctica. It contains two articles published in Earth and Planetary
Science Letters: 167 (1999) 215-226, entitled "Cosmogenic noble gas studies in the
oldest landscape on Earth: Surface exposure ages of the Dry Valleys, Antarctica"
together with a manuscript published in Earth and Planetary Science Letters: 179 (1)
(2000) 91-99, with the title "The oldest ice on Earth in Beacon Valley, Antarctica: New
evidence from surface exposure dating". In addition, I present preliminary, unpublished
results from the Terra Nova Bay area.
The main topic of Chapter 4 is the classification of paleoglaciations on the Tibetan
Plateau. It mainly consists of a manuscript to be submitted to Geochimica at
Cosmochimica Acta, entitled "Surface exposure ages of Tibetan moraines: Evidencefor
a restricted glacial event at the Eastern Plateau margin during late Pleistocene".
Additionally, very recent data from the central part ofthe Plateau are presented.
Finally, I give a few concluding remarks in Chapter 5.
VIII