Sedimentology at the continental margin of the southern Weddell Sea

During four expeditions with RV "Polarstern" at the continental margin of the southern Weddell Sea, profiling and geological sampling were carried out. A detailed bathymetric map was constructed from echo-sounding data. Sub-bottom profiles, classified into nine echotypes, have been mapped and interpreted. Sedimentological analyses were carried out on 32 undisturbed box grab surface samples, as well as on sediment cores from 9 sites. Apart from the description of the sediments and the investigation of sedimentary structures on X-radiographs the following characteristics were determined: grain-size distributions; carbonate and Corg content; component distibutions in different grain-size fractions; stable oxygen and carbon isotopes in planktic and, partly, in benthic foraminifers; and physical properties. The stratigraphy is based On 14C-dating, oxygen isotope Stages and, at one site, On paleomagnetic measurements and 230Th-analyses The sediments represent the period of deposition from the last glacial maximum until recent time. They are composed predominantly of terrigenous components. The formation of the sediments was controlled by glaciological, hydrographical and gravitational processes. Variations in the sea-ice coverage influenced biogenic production. The ice sheet and icebergs were important media for sediment transport; their grounding caused compaction and erosion of glacial marine sediments on the outer continental shelf. The circulation and the physical and chemical properties of the water masses controlled the transport of fine-grained material, biogenic production and its preservation. Gravitational transport processes were the inain mode of sediment movements on the continental slope. The continental ice sheet advanced to the shelf edge and grounded On the sea-floor, presumably later than 31,000 y.B.P. This ice movement was linked with erosion of shelf sediments and a very high sediment supply to the upper continental slope from the adiacent southern shelf. The erosional surface On the shelf is documented in the sub-bottom profiles as a regular, acoustically hard reflector. Dense sea-ice coverage above the lower and middle continental slope resulted in the almost total breakdown of biogenic production. Immediately in front of the ice sheet, above the upper continental slope, a <50 km broad coastal polynya existed at least periodically. Biogenic production was much higher in this polynya than elsewhere. Intense sea-ice formation in the polynya probably led to the development of a high salinity and, consequently, dense water mass, which flowed as a stream near bottom across the continental slope into the deep sea, possibly contributing to bottom water formation. The current velocities of this water mass presumably had seasonal variations. The near-bottom flow of the dense water mass, in combination with the gravity transport processes that arose from the high rates of sediment accumulation, probably led to erosion that progressed laterally from east to West along a SW to NE-trending, 200 to 400 m high morphological step at the continental slope. During the period 14,000 to 13,000 y.B.P., during the postglacial temperature and sea-level rise, intense changes in the environmental conditions occured. Primarily, the ice masses on the outer continental shelf started to float. Intense calving processes resulted in a rapid retreat of the ice edge to the south. A consequence of this retreat was, that the source area of the ice-rafted debris changed from the adjacent southern shelf to the eastern Weddell Sea. As the ice retreated, the gravitational transport processes On the continental slope ceased. Soon after the beginning of the ice retreat, the sea-ice coverage in the whole research area decreased. Simultaneously, the formation of the high salinity dense bottom water ceased, and the sediment composition at the continental slope then became influenced by the water masses of the Weddell Gyre. The formation of very cold Ice Shelf Water (ISW) started beneath the southward retreating Filchner-Ronne Ice Shelf somewhat later than 12,000 y.B.P. The ISW streamed primarily with lower velocities than those of today across the continental slope, and was conducted along the erosional step on the slope into the deep sea. At 7,500 y.B.P., the grounding line of the ice masses had retreated > 400 km to the south. A progressive retreat by additional 200 to 300 km probably led to the development of an Open water column beneath the ice south of Berkner Island at about 4,000 y.B.P. This in turn may have led to an additional ISW, which had formed beneath the Ronne Ice Shelf, to flow towards the Filcher Ice Shelf. As a result, increased flow of ISW took place over the continental margin, possibly enabling the ISW to spill over the erosional step On the upper continental slope towards the West. Since that time, there is no longer any documentation of the ISW in the sedimentary Parameters on the lower continental slope. There, recent sediments reflect the lower water masses of the Weddell Gyre. The sea-ice coverage in early Holocene time was again so dense that biogenic production was significantly restricted.

Sedimentology and age determinations on core PS2813-1

Die Rekonstruktion des Einflusses von Strömungen und glazialmarinen Prozessen auf das Sedimentationsgeschehen am Kontinentalhang der Antarktischen Halbinsel im westlichen Weddellmeer basiert auf sedimentologischen und geophysikalischen Daten eines Kolbenlotkerns. Der Sedimentkern wurde während des Fahrtabschnitts ANT-XIV/3 mit dem FS "Polarstern" aus einer mächtigen Levee-Struktur eines Rinnen-Rückensystems gewonnen. Es wurden sedimentologische sowie sedimentphysikalische Untersuchungen an dem Kernmaterial durchgeführt. Die texturellen Änderungen im Kern und die Variationen der gemessenen Parameter ermöglichen eine lithofazielle Gliederung und stratigraphische Einstufung der Sedimentabfolge. Die untersuchten Sedimente umfassen den Zeitraum der vier letzten Klimazyklen bis heute und repräsentieren die Ablagerungsbedingungen von mehr als 340 000 Jahren. Vier Faziestypen wurden unterschieden, die sowohl glaziale als auch interglaziale Ablagerungsräume charakterisieren. (1) Die überwiegend groblaminierten Sedimentabfolgen wurden der Laminitfazies zugeordnet. Unter glazialen Umweltbedingungen kam es infolge schwacher Bodenströmungen zur Ablagerung feinkörniger, laminierter, strömungsbetonter Sedimente. (2) Strukturlose, sehr homogene Sedimentabfolgen des Kems beschreiben einen weiteren, den Kaltzeiten zugeordneten, Faziestyp, der durch geringe Variationen in den Sedimenteigenschaften charakterisiert ist. (3) Kernabschnitte, die weitgehend strukturlos sind bzw. leichte Bioturbationen und relativ viel eistransportiertes Material aufweisen, wurden als IRD-Fazies bezeichnet. Sie repräsentiert den Übergang vom Glazial zum Interglazial, in dem sich das Schelfeis und die Meereisbeckung zurückzogen. In den Sedimenten kam es infolge der gesteigerten Kalbungsrate zur Anreicherung der Eisfracht. (4) Die relativ biogenreichen, hellen Ablagerungen wurden der interglazialzeitlichen Karbonatfazies zugeteilt. Der signifikant erhöhte Anteil planktischer Foraminiferen weist auf eine gesteigerte Bioproduktivität im Oberflächenwasser hin, die aus verstärkten jahreszeitlichen Schwankungen der Meereisbedeckung resultiert. Die betrachteten Sedimentationsprozesse, wie biologische Produktivität, Umlagerungsprozesse durch Meeresströmungen, gravitativer Sedimenttransport und Eistransport, sind das Abbild komplexer Wechselwirkungen aus Meeresspiegelschwankungen, Änderungen ozeanographischer Bedingungen und der Vereisungsdynamik. Das Sedimentationsgeschehen im Untersuchungsgebiet wurde folglich durch die Variationen der vorherrschenden Umweltbedingungen bestimmt. Im Glazial kam es unter einer geschlossenen Meereisbedeckung zur Ablagerung feinkörniger, geschichteter Sedimente. Vorwiegend Turbiditströmungen kontrollierten das Sedimentationsgeschehen innerhalb des betrachteten Rinnen-Rückensystems. Unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft und wahrscheinlich einer Konturströmung wurden die suspendierten, feinkörnigen Partikel aus dem zentralen Bereich der Rinne verdriftet und über dem nördlichen Uferwall abgelagert. Höherenergetische gravitative Prozesse beeinflußten das Sedimentationsgeschehen episodisch und sind durch gut sortierte Ablagerungen mit erhöhten Gehalten im Mittel- bis Grobsiltbereich dokumentiert. Höhere Sedimentationsraten in den Glazialen trugen verstärkt zur Bildung des Uferwalls bei. Die Ablagerungen der ebenfalls glazialzeitlichen homogenen Fazies belegen unterschiedliche Ablagerungsbedingungen und eine Verschiebung der dominierenden Prozesse. Während des Übergangs vom Glazial zum Interglazial nahm die Bodenwasserbildungsrate durch das Aufschwimmen des Schelfeises zu, wodurch die Strömungsintensität gesteigert wurde. Eine verstärkte Eisbergaktivität wird durch die Anreichung des IRD-Materials dokumentiert. Während interglazialer Zeiten ermöglichten offen-marine Bedingungen im Südsommer eine leicht erhöhte biologische Produktivität, so daß der Ablagerungsraum durch die Sedimentation biogener Komponenten verstärkt beeinflußt wurde.

Sedimentology on cores off Filchner Shelf Ice, Weddell Sea, Antarctica

Sediment sampling with box corer and gravity corer was conducted along a profile parallel to the Filchner/Rønne Ice Shelf, from 48° to 61°W. Twenty-two sampling locations were determined after evaluation of 12 and 3.5 kHz sub-bottom profiling records. The sediment retrievals show a wide diversity, varying from very well sorted pure sands in the SE of the profile to heavily glacially influenced, pebbly muds close to the foot of the Antarctic Peninsula. In the middle part of the profile mainly soft sediments of muddy to sandy muds were found which were partially influenced by glacially derived dropstones or accumulations of pebble-sized material. The striking changes of surface sediments (marine to glacial) observed along the profile led to an attempt to investigate the concurrence of marine and glacial depositional processes controlling the accumulation of these recent sediments.