Late Paleozoic Ice Age glaciers shaped East Antarctica landscape

Description

The erosion history of Antarctica is fundamental to our understanding of interlinks between climate and glacier dynamics. However, because of the vast polar ice sheet covering more than 99% of Antarctica land mass, the continental surface response to glacial erosion remains largely unknown. Over the last decade the subglacial topography of Antarctica has been imaged by airborne radar surveys. These studies revealed high and complex sub-glacial relief in the core of the East Antarctic shield, interpreted as resulting from rifting episodes and low long-term erosion rates, or repeated large-scale glacial retreats and advances. In East Antarctica, thermochronology studies have revealed a spatially localized Cenozoic erosion starting after 34 Ma, with a maximum denudation of 2 km in the Lambert Trough. Low pre-glacial erosion rates before 34 Ma have been inferred since the Permian period, following a phase of significant (>2 km) erosion during the Late Paleozoic between 350 and 250 Ma. However, the exact extent, magnitude and significance of this Late-Paleozoic erosion phase remain elusive. Here we show that homogeneous exhumation occurred at the scale of the Terre Adélie margin of East Antarctica in response to major glacial erosion during the Late Paleozoic Ice Age (LPIA). Our data require homogeneous exhumation and >4 km erosion between 340 and 300 Ma, along a 600-km profile along the Terre Adélie-George V Land coast. The data are inconsistent with either exhumation during Permian rifting, or with significant (>1.5 km) Cenozoic glacial erosion, which requires LPIA glaciers to have been temperate, promoting glacial sliding, erosion and sediment transfer, even at high latitudes, unlike in the present situation.

Abstract (French)

La compréhension de l'histoire de l'érosion de l'Antarctique est fondamentale pour comprendre les liens entre les dynamiques glaciaires et climatiques, et notamment le comportement futur de la calotte en réponse au réchauffement et son impact sur le niveau marin. La réponse de la surface continentale à l'érosion glaciaire demeure largement inconnue du fait de la couverture de l'Antarctique à plus de 99% par une calotte glaciaire de 2 à 3 km d'épaisseur. Les études géophysiques ont montré un relief sous-glaciaire complexe, interprété soit comme résultant d'épisodes tectoniques de rifting ou bien d'une érosion sous-glaciaire très importante. Dans le cadre d'un projet Labex soutenu par l'université Grenoble Alpes, nous avons mené une étude thermochronologique sur des échantillons collectés sur 600 km le long des côtes de Terre Adélie. L'échantillonnage a été réalisé avec le soutien de l'IPEV depuis les années 2000 dans les campagnes GEOLATA et ARLITA. Les résultats de cette étude montrent qu'une exhumation homogène de l'ordre de 4 km a eu lieu à l'échelle de l'Antarctique de l'Est entre 340 et 300 MA (Fig. 1). Ces données excluent une exhumation au cours du rifting permien (280-250 MA) ou en liaison avec le rifting précédant l'ouverture de l'océan austral (160-90 MA). Cette érosion ne semble pas avoir de cause tectonique au regard de l'absence de déformation de cet âge à l'échelle de la Terre Adélie. Par contre, cette érosion est reliée à une phase glaciaire, celle du LPIA, qui coïncide avec l'abaissement significatif des teneurs en CO2 de l'atmosphère (entre 300 et 600 ppmV), et avec l'abaissement du niveau marin de l 'ordre de -30 à -70 m. A cette époque le pôle sud était proche de ce qu'il est aujourd'hui (Fig. 2). La présence de masses glaciaires en Terre Adélie est corroborée par des bassins péri-glaciaires à l'Est et au nord du domaine étudié, et des paléo-directions d'écoulement glaciaires radiaires par rapport à celle-ci. La forte érosion qui est mise en évidence ici montre que la dynamique des glaciers à proximité du pôle pendant le LPIA était comparable à celle des glaciers tempérés à 'base chaude' comme aujourd'hui en latitude moyenne. La fin de cet épisode glaciaire est très rapide à 300 Ma, il est corrélé avec une dérive continentale conduisant à un décalage du pôle par rapport au continent. De telles données montrent qu'il y a eu très peu d'érosion au tertiaire du fait d'une grande stabilité de la calotte glaciaire antarctique y compris dans les phases les plus chaudes depuis 33 MA. Cela s'explique notamment par un mode de glissement interne à la calotte et à l'absence de friction basale caractéristiques des glaciers à base froide. Ceci suggère que la calotte antarctique pourrait également, à court terme, rester relativement stable et peu contribuer à l'élévation du niveau marin dans le contexte de réchauffement global. Nous devons désormais valider ce modèle par une étude des blocs de moraines transportés par les glaciers à l'échelle de l'Antarctique de l'Est.

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