Glacial History and Depositional Changes in the Arctic Ocean after the Middle Pleistocene Transition based on Seafloor Morphology, High-resolution Seismostratigraphy, and Lithostratigraphy

Abstract

The climate-sensitive Arctic Ocean is the best place to understand global climate changes. In the Arctic Ocean, continental ice sheets and marine-based glaciers have played an important role in regulating the global climate and sea level in the past, and thus reconstruction of the Arctic glacial history is necessary to better understand the past climate changes. The purpose of this thesis is to reconstruct precisely the glacial history and glacier-induced depositional environments in the Arctic Ocean during the Late Quaternary based on detailed bathymetry, high-resolution seismostratigraphy, and lithostratigraphy/lithofacies of studied sediment cores. This thesis dealt with the glacial history of centennial to millennial and orbital timescales. The first study reconstructed the glacial history and depositional environments in the Little Storfjorden and its tributary, Hambergbukta, in southeastern Svalbard since the Younger Dryas (YD) on centennial to millennial timescales. Combined with seismostratigraphy and age-constrained sediment cores, the sediment records in Hambergbukta represent glacimarine sediments deposited after 1900 years. A sediment core HH19-905-GC taken from Little Storfjorden contains the glacial sediments deposited during the Younger Dryas (YD). Little Storfjorden bathymetry shows two NE-SW-oriented ridges (R1, R2) in the vicinity of Hamberbukta. The core-seismic integration presents that a glacial diamicton at the bottom of core 905 corresponds to the top of R2. This suggests that R2 represents the marginal position of the marine-based glacier in Little Storfjorden during YD. Based on sediment records of core 905, the marine-based glacier in Little Storfjorden rapidly melted out during the early Holocene. In this condition, winnowing by strong bottom currents led to very low sedimentation rates during the late period of the early to middle Holocene. During the late Holocene, Little Storfjorden was most likely influenced by seasonal sea ice. Noticeable advances (or surges) and retreats of tidewater glaciers in coastal tributary fjords including Hambergbukta were identified as the deposition of IRD-rich surficial sediments after ~1000 years BP in Little Storfjorden. These results differ from the earlier estimation in the previous study, suggesting that a terminal moraine complex (TMC) enclosing the Hambergbukta fjord basin indicates the maximum extent of a glacier advance during the Little Ice Age. In the second study, the glacial history and depositional environments in the Arliss Plateau (AP) and the adjacent Chukchi Basin (CB) in the western Arctic Ocean off the East Siberian margin during marine isotope stage (MIS) 4 were reconstructed through lithostratigraphy and lithofacies analysis along with multi-beam bathymetry and seismostratigraphy. Based on the lithostratigraphic correlation, ARA02B/16B-GC obtained from the AP lower slope records glacier-related depositional history during the last 100 ka. The sedimentary record shows different interglacial (interstadial) and glacial (stadial) patterns. Interglacial sediments are relatively thin and characterized by bioturbated sandy mud, indicating hemipelagic deposition. On the other hand, glacial to deglacial sediments during MIS 4/3 and MIS 2/1 reflect several modes of glaciogenic deposition by drifting icebergs, suspension settling from turbid meltwater plumes and/or detached underflows, and turbidity currents. Based on strong seismic reflectors with good lateral continuity, a downslope sub-bottom profile from AP to CB is divided into seismostratigraphic units (SSU) 1 and 2. Based on the core-seismic correlation, SSUs 1 and 2 are constrained to MIS 3-1 and MIS 5c-3, respectively. An acoustically transparent lens within SSU 2 correlates on the upper slope to debris lobes downslope from the AP top covered by megascale glacial lineations. The geomorphic/sedimentary pattern indicates a glacial erosional impact on the AP and proglacial deposition of eroded sediments on the slope and in the basin. Combined with the lithostratigraphy and lithofacies, the last debris lobe horizon was deposited in glacial/deglacial environments during late MIS 4 to early MIS 3. The absence of similar glaciogenic debris lobes within SSU 1 indicates no direct glacial impact on the AP during the Last Glacial Maximum (LGM). These results suggest that the last glacial erosion of the AP occurred during or immediately after MIS 4, possibly related to major glaciation in northern Siberia at ~50-70 ka. As an extension of the second study, the third study reconstructed the longerterm glacial history in the East Siberian and Chukchi margins over the last 300 ka. This study presents the seismostratigraphy from the Chukchi Rise to Kucherov Terrace and a ~14 m-long high-resolution sediment record (ARA06C/04JPC, hereafter 04JPC) from the Chukchi Basin. In addition, to assess the East Siberian marine ice sheet (ESIS) that extended to the western Chukchi Rise during MIS 4 to early MIS3, two short gravity cores (ARA09C/ST13, ST08) from the western Chukchi Rise were additionally analyzed. Four seismostratigraphic units (SSUs 1-4) were defined based on laterally continuous strong reflectors. SSUs were characterized by glacigenic debris lobes stacked in the basin-ward slopes. In core 04JPC, sixteen brown layers (B1-16) representing interglacial/interstadial periods were defined, composed of bioturbated sandy mud to mud (Bsm/Bm). Among the brown layers, greyish glacial sediment layers (G1-16) present differences in thickness and lithofacies. With high sedimentation, G1-5 and G7 are mainly composed of crudely laminated mud (CLm), couplets of thinly laminated mud (TLm) and homogeneous mud (Hm). Notably, the thickest G16 (~600 cm) presented a ~25 cm-thick thinly interlaminated sand layer (TLs), couplets of TLs and Hm, CLm, and debris flow deposits (Dm). These lithofacies suggest glacier-derived conditions including meltwater discharges, glacigenic turbidity currents, and debris flows. Applying the age model of core 04JPC, the distribution of glacigenic lithofacies indicates that the ice-grounding events can be constrained to MISs 2, 4/3, 5d or 5b, 6, and 8. Combined with emplacements of glacigenic debris flows, the deposition of G2, G7, and G16 indicates that occurrences of the huge ESIS may have entirely covered the East Siberian and Chukchi margins during MISs 4/3, 6, and 8. Furthermore, for core 04JPC, multiple lithostratigraphic parameters including elemental composition, lithofacies, and mineralogy indicate that the Chukchi Basin has experienced complex glaciations by the ESIS and the ice shelf extending from the LIS. The volume of the huge ESIS is approximately a quarter of that (~4.67×106 km3) of the Arctic ice shelf during MIS 6, affecting the eustatic sea level by ~0.08 m. These findings provide valuable information to better understand global climate and sea-level changes during the Late Quaternary. This thesis presented that integrating multi-beam bathymetry, high-resolution seismostratigraphy, and sediment records allow a better understanding of the Late Quaternary glacial impacts associated with the continental ice sheets around the Arctic and/or marine-based glaciers. To reconstruct the past glacial history more precisely, it is necessary to establish an accurate chronology for the recovered sediment records. For the older chronology beyond the ranges of 14C dating, the Arctic chronological lithostratigraphy has uncertainties yet. In this work, however, reliable chronology during MIS 8 can be constrained based on high-resolution lithostratigraphy from the Chukchi Basin using several lithostratigraphic parameters that correlate well with previously developed stratigraphic records. Regardless of the chronology, this thesis provided geological evidence for the occurrences of huge ESIS, possibly affecting sea level during the last 300 ka.|북극해는 지구온난화에 가장 민감하게 반응하는 지역으로써 기후변화를 이해하기 위한 최적의 장소이다. 이러한 북극해의 대륙 빙상과 해양기저빙하는 과거 지구기후변화와 범세계적인 해수면 변동을 조절하는 주요 요인으로, 북극해의 빙하 역사를 더욱 정밀하게 복원하는 것은 과거 기후변화를 이해하는데 있어서 필수적이다. 본 학위논문의 연구목적은 정밀한 해저지형, 고해상도 탄성파층서 및 시추 퇴적물 코어에 대한 암층서와 암상을 토대로 제4기 후기 동안 북극해의 빙하역사 및 빙·해양 퇴적 환경의 변화를 정밀하게 복원하는 것이며, 백년-천년(centennial to millennial) 및 천체시간규모(orbital timescales)의 빙하역사를 다루었다. 첫 번째 연구는 스발바르 남동부에 위치한 리틀 스토르피오르덴과 연안 피오르드 햄버그북타에서 Younger Dryas (YD) 이후 빙하역사를 100년-1000년 시간 규모로 복원하였다. 탄성파층서, 퇴적물 코어에 대한 연대 분석, 암층서 분석 및 암상 분석결과를 토대로, 햄버그북타에서 확보된 시추 퇴적물 코어는 1900년 이후로 퇴적된 빙·해양 퇴적물로 구성되며, 리틀 스토르피오르덴에서 퇴적물 기록(HH19-905-GC)은 YD 동안 퇴적된 빙하 퇴적물을 포함하는 것으로 확인되었다. 햄버그북타와 인접한 리틀 스토르피오르덴 해저지형에서는 북동-남서 방향의 두 해령(R1, R2)이 발견되었고, 코어-탄성파 대비 결과로부터 해령 R2가 YD 시기의 해양기저빙하의 발달을 지시하는 해저지형임이 확인되었다. 코어 905의 퇴적물 기록에 근거하여, 스발바르 남동부 해양기저빙하는 홀로세 초기 동안 빠르게 후퇴하였음을 보여주었다. 홀로세 초·중기 동안 빙하가 없는 해양환경 하에 강한 저층류의 영향은 리틀 스토르피오르덴에서 매우 낮은 퇴적율을 야기하였다. 홀로세 후기는 주로 계절빙(seasonal sea ice) 환경이 조성되었으며, 햄버그북타를 포함하여 연안 피오르드에서 조수빙하의 강한 전진과 후퇴는 오직 지난 1000년 이후 퇴적된 뚜렷한 IRD (ice-rafted debris)층의 발달로 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 기존 연구와 다르게 햄버그북타 종퇴석 복합체(terminal moraine complex)가 소빙하기 (Little Ice Age) 동안 전진하였던 조수 빙하에 의해 형성된 빙하기원 지형으로써 새로운 해석을 제안하였다. 두 번째 연구는 서 북극해 동시베리아 주변 해역에 위치한 앨리스 대지(Arliss Plateau)와 동부 사면으로 이어지는 척치 분지(Chukchi Basin)에서 해저지형, 탄성파층서 및 암층서와 암상 분석을 통해 marine isotope stage (MIS) 4 이후의 빙하역사와 퇴적환경을 복원하였다. 암층서 대비에 근거하여, 앨리스 대지의 사면 하부에서 획득된 시추 퇴적물 코어(ARA02B/16B-GC)는 지난 약 100 ka 동안의 기록이 보존된 것으로 확인되었고, 빙하기-간빙기 순환에 따른 뚜렷한 퇴적양상을 보여주었다. 간빙기 퇴적층은 비교적 얇고 망간이 풍부한 생교란된 사질니 퇴적상으로 구성되어 있으며, 이는 반원양성 퇴적환경을 지시한다. 반면, MIS 4/3와 MIS 2/1의 빙하기/해빙기 퇴적층은 해양기저빙하에서 반복적으로 형성되는 융빙수, 저탁류 및 빙산에 의한 IRD 퇴적 등 다양한 빙하기원 퇴적양상을 보여주었다. 앨리스 대지 사면에서 수평 연속성이 양호한 강한 반사면에 의해 탄성파층서 단위(SSUs 1, 2)가 정의되었으며, 탄성파층서와 시추 퇴적물 코어 간에 대비를 통해, SSU 1과 SSU 2는 각각 MIS 3-1과 MIS 5c-3의 시기로 제한되었다. SSU 2에서 관찰된 음향학적으로 투명한 렌즈는 앨리스 대지의 빙하침식 흔적으로부터 하부사면으로 이어지는 암설류로 해석되었다. 이러한 지형 발달 및 퇴적양상은 앨리스 대지의 빙하침식과 이와 관련된 퇴적환경 변화를 지시한다. 암층서 및 암상 분포에 근거하여, 빙하기원 암설류는 후기 MIS 4에서 초기 MIS 3 동안 빙하기/해빙기에 퇴적된 반면, SSU 1에서의 빙하기원 암설류가 발달되지 않았다는 것은 마지막 최대 빙하기 동안에 앨리스 대지가 직접적인 빙하작용을 받지 않았음을 지시한다. 특히, 이 연구는 동시베리아 주변부 앨리스 대지를 침식시켰던 마지막 거대빙하의 발달 시기를 MIS 4/3로 제안함으로써 제4기 후기 동안 서 북극 대륙붕 해역에 마지막으로 존재하였던 거대빙하의 시기를 처음으로 제시하였다. 세 번째 연구는 서 북극해 빙하역사복원에 대한 후속연구로써 동시베리아와 척치 주변 해역에 지난 30만년 동안의 장주기적인 빙하역사를 복원하였다. 이 연구는 척치 라이즈(Chukchi Rise)에서 쿠체로프 테라스(Kutcherov Terrace)를 아우르는 탄성파층서와 척치 분지에서 획득한 약 14 m 길이의 고해상도 시추 퇴적물 코어(ARA06C/04JPC)를 보여준다. 이와 더불어, MIS 4/3 동안 동시베리아 거대빙상(ESIS)이 척치 라이즈까지 확장되었는지 평가하기 위해 비교적 짧은 두 점의 시추 퇴적물 코어(ARA09C/ST13, ST08)가 추가적으로 분석되었다. 수평 연속성이 좋은 강한 반사면을 기준으로, 본 연구지역에서 4개의 탄성파층서 단위(SSUs 1-4)가 정의되었으며, 각 층서 단위에서 빙하기원 암설류가 확인되었다. 코어 04JPC에서, 간빙기/아간빙기를 지시하는 총 16개의 갈색층(B1-B16)이 정의되었으며, 생교란된 사질니(Bsm)와 생교란 니(Bm)로 구성된다. 각 갈색층 사이에서, 다양한 두께와 암상을 보이는 회색층(G1-16)이 구분되며, 비교적 두껍게 발달된 회색층, G1-5와 G7은 융빙수, 세립질 저탁류를 지시하는 암상(CLm, TLm/Hm)이 우세하였다. 특히, 가장 두껍게 발달된 G16은 융빙수에 의한 퇴적을 포함하여 조립질 저탁류와 빙하기원 암설류를 지시하는 암상(TLs/Hm, Dm)이 특징적으로 확인되었으며, 이는 빙하 거동에 의해 야기되는 역동적인 퇴적환경을 지시한다. 코어 04JPC의 연대모델을 적용하여, 빙하기원 암상의 발달은 해양기저빙하가 MISs 2, 4/3, 5d 혹은 5b, 6 및 8에 존재했음을 지시하였다. 빙하기원 암설류를 동반한 G2, G7 및 G16의 퇴적은 동시베리아와 척치 주변해역까지 완전히 덮을만한 거대빙하가 MISs 4/3, 6 및 8에 걸쳐 발달되었음을 보여주었다. 이와 더불어, 코어 04JPC에서 분석된 광물 조성의 변화를 바탕으로, 각 빙하기와 해빙기는 ESIS와 로렌타이드 빙상(Laurentide Ice Sheet)으로부터 확장된 빙붕의 영향이 시공간적으로 다르게 영향을 미쳤던 것으로 해석되었다. 특히, 동시베리아와 척치 주변해역에서 발달되었던 이러한 거대빙하는 대략적으로 MIS 6 북극해 거대빙붕 부피(~4.67×106 km3)의 4분의 1에 해당하며, 이는 범세계적인 해수면을 0.08 m 정도 낮출 수 있는 부피이다. 따라서, 이러한 결과는 제4기 후기동안 지구 기후 및 해수면 변동을 보다 정확히 이해할 수 있는 유용한 정보를 제공한다. 본 학위논문은 고해상도 해저지형, 탄성파층서 및 퇴적물 기록을 종합하여 연구하는 것이 북극 대륙 빙상 및 해양기저빙하에 형성과 관련된 제4기 후기 빙하의 영향을 보다 정확히 이해할 수 있음을 보여주었다. 빙하 역사를 복원하기 위해선, 퇴적물 기록에 대한 정확한 연대정보를 얻는 것이 필수적이다. 탄소연대분석 범위를 넘어선, 보다 과거의 기록에 대한 북극 시층서는 현재까지도 불확실하다. 그러나, 본 학위논문은 최근까지 발전된 층서기록과 잘 일치하는 여러 암층서 인자들을 바탕으로, 서 북극해 척치분지에서 MIS 8 기간을 아우르는 고해상도의 북극 시층서를 제시할 수 있었으며, 이러한 연대정보와 무관하게 본 학위논문의 연구결과는 제4기 후기동안 범세계적인 해수면 변화에 영향을 미칠 수 있는 동시베리아와 척치주변 해역에 발달되었던 거대빙하의 존재를 입증하는 지질학적 증거를 제공하였다.