Soil evolution on James Ross Island: evidence from geochronology, pedogeomorphology, and geochemistry

Abstract

Antarctic soils, forming under cold and aridity, preserve strong geochemical and mineralogical imprints of their parent material, offering a unique natural laboratory to study early-stage pedogenesis. James Ross Island (JRI), situated in the northeastern Antarctic Peninsula, presents a strategic setting due to its semiarid polar climate, diverse volcanic and sedimentary lithologies, and extensive deglaciated areas. Despite extensive research on soil genesis in Antarctica, critical knowledge gaps persist. These include: (1) insufficient understanding of how slope position and geomorphic processes modulate soil formation and spatial variability across contrasting lithologies on JRI; (2) a lack of detailed, quantitative analysis directly linking soil composition to specific parent rocks, limiting accurate quantification of weathering pathways and pedogenic transformations; and (3) an absence of a robust chronological framework for post-glacial landscape evolution and soil development, hindering the temporal contextualization of pedogenesis. This thesis addresses these gaps through three integrated studies. First, a detailed toposequence analysis evaluates how relief and slope processes (e.g., solifluction, aeolian redistribution) control soil morphology, chemistry, and spatial organization. Second, a comparative geochemical and mineralogical analysis of soils and their bedrock sources quantifies weathering intensity and pedogenic product formation in volcanic versus sedimentary settings. Third, Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating of soils establishes a chronology of landscape exposure and stabilization, temporally contextualizing initial pedogenesis and periglacial activity. Together, these studies provide a comprehensive, process-based understanding of soil formation in a semiarid polar environment, contributing to refined pedogeomorphic models and insights into landscape sensitivity under changing climatic conditions. Keywords: Weathering; Periglacial Landscape; Deglaciation; Cryopedogenesis; Lithological controls.Os solos antárticos, formados sob condições extremas de frio e aridez, preservam fortes assinaturas geoquímicas e mineralógicas do material de origem, oferecendo um laboratório natural ímpar para o estudo dos estágios iniciais da pedogênese. A Ilha James Ross (IJR), situada no nordeste da Península Antártica, apresenta um cenário estratégico devido ao seu clima polar semiárido, à diversidade litológica (vulcânica e sedimentar) e às extensas áreas deglaciadas. Apesar dos numerosos estudos sobre a gênese dos solos na Antártida, lacunas críticas de conhecimento persistem. Estas incluem: (1) compreensão insuficiente de como a posição na vertente e os processos geomorfológicos modulam a formação e a variabilidade espacial do solo em diferentes litologias na IJR; (2) falta de análises quantitativas detalhadas que liguem diretamente a composição do solo à rocha matriz específica, limitando a quantificação precisa dos caminhos do intemperismo e das transformações pedogenéticas; e (3) ausência de uma estrutura cronológica robusta para a evolução da paisagem pós-glacial e o desenvolvimento do solo, dificultando a contextualização temporal da pedogênese. Esta tese aborda essas lacunas através de três estudos integrados. Primeiro, uma análise detalhada de uma topossequência avalia como o relevo e os processos de encosta (ex.: solifluxão, redistribuição eólica) controlam a morfologia, a química e a organização espacial do solo. Segundo uma análise comparativa geoquímica e mineralógica de solos e seus respectivos materiais de origem quantifica a intensidade do intemperismo e a formação de produtos pedogenéticos em ambientes vulcânicos versus sedimentares. Terceiro, a datação por Luminescência Opticamente Estimulada (LOE) de solos estabelece uma cronologia da exposição e estabilização da paisagem, contextualizando temporalmente a pedogênese inicial e a atividade periglacial. Em conjunto, estes estudos fornecem uma compreensão abrangente e baseada em processos da formação do solo em um ambiente polar semiárido, contribuindo para modelos pedogeomorfológicos mais refinados e para o entendimento da sensibilidade dessas paisagens frente às mudanças climáticas. Palavras-chave: Intemperismo; Paisagem Periglacial; Deglaciação; Criopedogênese; Herança Litológica.