Late Glacial-Holocene glacier fluctuations on sub-Antarctic Kerguelen Archipelago (49°S) based on surface exposure dating with in situ cosmogenic nuclides

Abstract

Vestavindsbeltet på den sørlige halvkule, mellom 40°S og 65°S, the Southern Hemisphere’s westerlies (SHW), hindres i liten grad av landmasser og utgjør derfor et belte av sterke vinder fra vest mot øst. Det har en sterk effekt på havstrømmen rundt Antarktis, og påvirker regionalt og globalt klima. Posisjonen og styrken til vindbeltet varierer over tid og responderer på endringer i solinnstråling, havoverflatetemperaturer og atmosfæriske temperaturer. I løpet av de siste tiårene har SHW forsterket og forskjøvet seg sørover mot Antarktis. Det har ført til flere endringer, som utslipp av CO2 til fra Sørishavet til atmosfæren, endringer i nedbør og vindstyrke, varmere havoverflater, redusert havis, og dramatisk tilbaketrekning av isbreer i sørlige subpolare områder. Disse endringene forventes å forsterkes og ha betydelige konsekvenser for fremtidens klima. Til tross for at SHW spiller en viktig rolle, er vår forståelse av dens langsiktige oppførsel ufullstendig på grunn av kortvarige moderne observasjoner og mangelen på paleoklima-arkiv på grunn av begrenset landmasse på den sørlige halvkule. De subantarktiske øyene utgjør en av få muligheter til å prøveta og undersøke paleoklima-arkiver på land og Kerguelen-øygruppen er den største av de subantarktiske øyene som fremdeles har isbreer.

Denne avhandlingen tar sikte på å utvikle en kronologi for isbrefluktuasjoner på Kerguelen de siste ca.13 500 årene, fra slutten av siste istid og gjennom hele holocen. Isbreer er følsomme for temperatur- og nedbørsendringer og brefluktuasjoner kan derfor brukes som klimaindikatorer. Tidligere isbrevariasjoner er rekonstruert ved geomorfologisk kartlegging av glasiale landformer som markerer tidligere breutbredelse. Alderen til disse landformene er bestemt ved bruk av eksponeringsdatering med in situ kosmogene nuklider. Denne dateringsmetoden angir i hovedsak hvor lenge bergoverflater har vært blottet for åpen himmel, for eksempel etter at en isbre har smeltet tilbake eller avsatt morenerygger ved brefremrykk. Gjennom denne tilnærmingen kan både romlige og tidsmessige brevariasjoner rekonstrueres og sammenlignes med regionale paleoklima-arkiv.

I Artikkel I viser vår geomorfologiske kartlegging og undersøkelse av tidligere breutbredelse opptil åtte rekonstruerte stadier i studieområdet på Kerguelen. I Artikkel II bruker vi eksponeringsdatering til å etablere en kronologi for tidligere fluktuasjoner av Guynemer-breen som ligger nordvest på Kerguelen. Dateringsresultater viser at isen ble tynnere og at ismarginen hadde en nettotilbaketrekning på slutten av istiden og inn i holocen, dog med noen fremrykk/stillstand omkring 11,5 ka og 10,4 ka, etterfulgt av flere fluktuasjoner i løpet av de siste tusen år. I Artikkel III videreutvikler vi Kerguelens isbrekronologi ved å datere tidligere fluktuasjoner av Agassiz- og Chamonix-breene, utløpere fra Cook-iskappen. I likhet med Artikkel II viser kronologien for utløpsbreene at isen smelter tilbake gjennom tidlig holocen. Flere ca. 5 ka aldre fra morenerygger kan tolkes som den første indikasjonen på breutbredelse i midtre holocen på Kerguelen. Et sen-holocent fremrykk rundt 1,7 ka er dokumentert i Chamonix-dalen, og de yngste daterte Agassiz- og Chamonix-morene reflekterer brevariasjoner fra de siste århundrene. Vi finner at brekronologiene våre stemmer godt overens med andre isbreer på Kerguelen. Sammenligning med isbrekronologi fra Patagonia, New Zealand og Sør- Georgia avslører stort sett lignende holocene-breutviklinger, om enn med noen forskjeller.

Denne avhandlingen presenterer et datasett med eksponeringsaldre basert primært på in situ Cl-36, men det inneholder også flere in situ Be-10- og C-14-aldre, hvorav sistnevnte rapporteres for første gang fra Kerguelen. Vi bruker datasettet til å forbedre den senglasiale til holocene kronologien til Kerguelen-breer, som vi deretter sammenligner med paleobrekronologier fra andre steder på sørlige, midlere breddegrader. Til slutt evaluerer vi de paleoklimatiske forholdene som funnene våre indikerer i lys av regionale paleoklima-arkiv. Samlet sett gir denne avhandlingen både romlig og kronologisk informasjon som kan kobles med andre uavhengige bre- og paleoklima-arkiv for å etablere et utgangspunkt for tidligere SHW-atferd. Til syvende og sist vil det å forbedre vår forståelse av fortidens respons av SHW på klimaendringer være avgjørende for å forutsi fremtidige endringer og klimakonsekvenser.

The Southern Hemisphere’s westerly winds (SHW) constitute a belt of strong winds in the southern mid-latitudes that circumnavigates Antarctica and have a profound effect on regional and global climate. The position and strength of the wind belt varies over time and respond to changes in solar insolation, sea surface temperatures and atmospheric temperatures. In recent decades, the SHW have intensified and shifted southwards towards Antarctica, which has driven many changes including the release of CO2 from the Southern Ocean into the atmosphere, changes in precipitation and wind strength, warmer ocean surfaces, reduced sea ice, and the dramatic retreat of glaciers across the southern sub-polar regions. Despite the significance of the SHW, our understanding of its long-term behavior is limited by short-term modern-day observations and the scarcity of paleoclimatic records due to limited landmass in the Southern Hemisphere. Sub-Antarctic islands provide the one of the few opportunities to sample and investigate terrestrial paleoclimate archives, and the Kerguelen Islands is the largest of the still-glaciated sub-Antarctic islands.

This thesis aims to develop a chronology of glacier fluctuations on Kerguelen over the last ∼13,500 years, from the end of the Late-Glacial and throughout the Holocene. Since glaciers are sensitive to temperature and precipitation changes, glacial fluctuations can be used as climatic indicators. Past glacier variations are reconstructed through geomorphological mapping of glacial landforms that mark past glacial extents. The age of these landforms is determined using surface exposure dating with in situ cosmogenic nuclides. This dating method essentially determines how long rock surfaces have been exposed to the open sky, for example, after a glacier has retreated or deposited moraines during an advance. In Paper I, our geomorphological mapping and investigation of paleoglacier extents reveals up to eight reconstructed stages throughout the study region on Kerguelen.

In Paper II, we use surface exposure dating to produce a chronology for past fluctuations of the Guynemer glacier located in the northwest on Kerguelen. Dating results show ice thinning and net retreat at the end of the Late Glacial through the Early Holocene, albeit with some advances/stillstands around 11.5 and 10.4 ka. A Late Holocene advance occurred around 1.4 ka, followed by several fluctuations within the last millennium. In Paper III, we further develop Kerguelen’s glacier chronology by dating past variations of the Agassiz and Chamonix outlet glaciers of the Cook Ice Cap. Similar to Paper II, our outlet glacier chronology shows ice retreat throughout the Early Holocene. Several c.5 ka moraine ages may reflect the first evidence of Mid-Holocene glacier extents on Kerguelen. A Late Holocene advance around 1.7 ka is documented in the Chamonix valley, and the youngest dated Agassiz and Chamonix moraines reflect glacier variability from the last several centuries. We find that our glacier chronologies fit quite well with other glaciers on Kerguelen. Comparisons with glaciers in Patagonia, New Zealand and South Georgia reveal largely similar Holocene glacier evolutions, albeit with some differences.

This thesis presents a dataset of exposure ages based primarily on in situ Cl-36, but also includes several in situ Be-10 and C-14 ages, the latter of which is reported for the first time from Kerguelen. We use our dataset to better constrain the Late-Glacial to Holocene chronology of Kerguelen glaciers, which we then compare with paleoglacier chronologies from other the southern mid-latitude sites. Finally, we evaluate our finding in terms of paleoclimatic conditions inferred from regional paleoclimatic records. Overall, this thesis provides both spatial and chronological information that can be linked with other independent glacial and paleoclimate records to establish a baseline of past SHW behavior. Ultimately, improving our understanding of the past behavior of the SHW in response to climate change will be critical in predicting future changes and climatic consequences.