Iacoviello, Francesco; (2012) Mineralogy of sediments from AND-2A drill core (McMurdo Sound, Antarctica). Doctoral thesis (Ph.D), Università degli Studi di Siena (University of Siena).

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Abstract

The present study deals with a combined clay-heavy mineral analysis of marine sediments recovered in 2007 in the McMurdo Sound region (Ross Sea, Antarctica) during the ANtarctic DRILLing Program (ANDRILL) - Southern McMurdo Sound Project. The main objectives are to: 1) study how clay minerals reflect paleoclimatic conditions, in particular the Mid-Miocene Climatic Optimum, 2) investigate how heavy mineral assemblages reflect different source rocks and hence different provenance areas 3) study the ice sheet development in East-Antarctica in the last 20 Ma. The AND-2A drill core recovered several stratigraphic intervals that span from Early Miocene to Pleistocene and it collected a variety of terrigenous clastic lithologies. The clay mineral assemblages of the 1138,54 m thick sedimentary succession have been analyzed through X-Ray Diffraction (XRD) analyses on clay fraction, Field Emission scanning Electron Microscopy (FESEM), Scanning Electron Microscopy (SEM) observations and SEM-EDS microanalyses on smectite particles. SEM observations and SEM-EDS microanalyses were carried out on heavy mineral samples starting from 650 mbsf. In the upper sedimentary sections (36 - 440 mbsf, 0.7 - 16.5 Ma) smectites are interpreted to be predominantly detrital, whereas in the lower portion of the core (440 -1123.20 mbsf, 18.5 - 20.2 Ma) authigenic smectites are the most common feature. The predominance of illite, the abundance of chlorite and the nature of smectites in the upper part of the core indicate physical weathering under cold and dry climate and dominant provenance for the clay minerals from the Transantarctic Mountains. Smectites in the lower section are considered mostly authigenic and they are probably the result of early diagenetic processes being formed from the alteration of volcanic material and/or through precipitation from fluids of a possible hydrothermal origin. The heavy mineral analysis shows that the sediments are a mix of detritus dominated by McMurdo Volcanic Group (MVG) sources most likely located in the present-day Mount Morning area (Proto-Mount Morning) with minor contribution from Transantarctic Mountains (TAM) rocks located west of the drill site. The clay and heavy mineral records of the lower 650 mbsf indicate that an ice sheet similar in size to modern ice sheet was periodically present between 17.6 and 19.3 Ma and between 20.1 and 20.2 Ma. The clay and heavy mineral records of AND-2A drill core have increased our understanding of the timing and spatial distribution of ice sheet growth and decay in the McMurdo Sound region during Early Miocene (15.9 - 20.2 Ma) and the Miocene Climate Optimum (ca. 15 - 17 Ma). The present study has demonstrated that the occurrence of authigenic clay minerals may conduct to incorrect paleoclimatic interpretations. Therefore, detailed clay mineral analyses, possibly integrated with heavy mineral study, are necessary for reconstructing sediment provenance and consequently ice-sheet dynamics. // Il presente studio riguarda un’analisi combinata dei minerali argillosi e pesanti dei sedimenti marini recuperati nel 2007 nella regione del McMurdo Sound (Mare di Ross, Antartide) durante il progetto ANtarctic DRILLing Program (ANDRILL) - Southern McMurdo Sound. I principali obbiettivi sono quelli di: 1) studiare come i minerali argillosi riflettono le condizioni paleoclimatiche; 2) investigare come le associazioni di minerali pesanti riflettono le differenti rocce sorgenti e quindi le diverse aree di provenienza; 3) studiare il comportamento della calotta glaciale nell’Antartide Orientale durante gli ultimi 20 milioni di anni. La perforazione AND-2A ha recuperato numerosi intervalli stratigrafici che spaziano dal Miocene medio al Pleistocene e ha collezionato una varietà di litologie terrigene clastiche. Le associazioni di minerali argillosi della successione sedimentaria spessa 1138,54 m sono state analizzate mediante diffrattometria a raggi X (XRD) sulla frazione argillosa, attraverso osservazioni in microscopia elettronica a scansione ad emissione di campo (FESEM) e microscopia elettronica a scansione (SEM) e microanalisi SEM-EDS sulle particelle di smectite. Delle osservazioni al SEM e microanalisi SEM-EDS sono state effettuate sui minerali pesanti a partire da 650 m di profondità. Nelle sezioni sedimentarie superiori (36 - 440 mbsf, 0.7 - 16.5 Ma) le smectiti sono interpretate come prevalentemente detritiche, mentre nella porzione inferiore della perforazione (440 - 1123.20 mbsf, 18.5 - 20.2 Ma) le smectiti autigene sono la caratteristica più comune. La predominanza dell’illite, l’abbondanza della clorite e la natura delle smectiti nella parte superiore della perforazione indicano un’alterazione di carattere fisico in climi freddi e asciutti e la provenienza dominante dei minerali argillosi dalle Montagne Transantartiche. Le smectiti nella sezione inferiore sono considerate principalmente autigene e sono verosimilmente il risultato di processi di diagenesi precoce essendosi formate dall’alterazione di materiale vulcanico e/o attraverso la precipitazione da fluidi di possibile origine idrotermale. L’analisi dei minerali pesanti dimostra che i sedimenti sono un insieme di detrito dominato da rocce sorgenti del McMurdo Volcanic Group (MVG) verosimilmente ubicate nell’area dell’attuale Mount Morning (Proto-Mount Morning), con un contributo inferiore dalle rocce delle Montagne Transantartiche (TAM) situate ad ovest del sito di perforazione. I record dei minerali argillosi e dei minerali pesanti degli ultimi 650 m della perforazione indicano che una calotta glaciale simile nelle dimensioni all’attuale calotta glaciale era periodicamente presente tra 17.6 e 19.3 Ma e tra 20.1 e 20.2 Ma. I record dei minerali argillosi e di quelli pesanti hanno migliorato la nostra conoscenza della distribuzione spaziale e temporale della crescita e della diminuzione della calotta glaciale nella regione del McMurdo Sound durante il Miocene Inferiore (15.9 - 20.2 Ma) e durante l’Optimum climatico miocenico (ca. 15 - 17 Ma). Il presente studio ha dimostrato che la presenza di minerali argillosi autigeni può condurre ad incorrette interpretazioni paleoclimatiche. Per questo motivo sono necessarie delle analisi dettagliate sui minerali argillosi, possibilmente integrate con uno studio dei minerali pesanti, per ricostruire la provenienza dei sedimenti e di conseguenza le dinamiche della calotta glaciale.

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