Climatic and landscape evolution of the Azores over the past million years
Évolution climatique et du paysage des îles Açores au cours du dernier million d’années
Résumé
Landscape evolution on volcanic islands is driven by complex interactions between volcano growth and destruction by a variety of processes (explosive eruptions, landslides, riverine erosion, weathering). Major climate changes, may impact the dynamics of degradation processes at different spatial and temporal scales. For example, extreme rain can produce an immediate hydrological response causing important destruction. Changes in weathering rates, sensitive to precipitation and temperature, can trigger changes in soil fertility but also modify global carbon cycling.The Azores volcanic islands provide an ideal setting to study these interactions, with both scientific and societal significance, especially in the context of ongoing global warming. Located in the Central North Atlantic, they are under the influence of major climatic drivers. Most of them had pulses of volcanic activity over the past 1 Myr, a period characterized by high-amplitude glacial-interglacial transitions with major climatic changes. While global climatic variations have been relatively well-studied for this period, reconstructing the atmospheric paleoclimate and its effects at local/regional scales remains challenging. Paleosols (PSs) are fossil soils formed by weathering at surface, and later incorporated into the geological record. Their geochemistry provides valuable insights into past environmental conditions, while the geochronology of volcanic products “bracketing” PSs allows their temporal constraint.In this work, we reconstructed mean annual precipitations (MAP) and air temperature (MAAT) over the last 1 Myr in the Azores region through a combined geochemical-geochronological study of PSs. Two proxies based on PSs’ major element were used: the weathering index (CIA-K) and the Clayeyness, both validated in other volcanic settings. The precise dating of volcanic units by either unspiked K-Ar on lava flow groundmass separates or ⁴⁰Ar/³⁹Ar on single K-feldspar of trachytic fallout evidence “pulses” of soil-formation within only a few kyr. This occurred especially after glacial terminations (MIS 21, 19, 11, 9e, 5e and 1), under wet and warm conditions. Fast paleoenvironmental changes were recorded in PSs’ geochemistry, and MAAT reconstructions (12-28 ᵒC) agree with previously published Sea Surface Temperatures, pointing to a tight ocean-atmosphere teleconnection. Those “pulses” suggest sustained weakening phases for the Azores High, allowing humid air currents (Westerlies) to reach further to the south.Our data also show contrasted rates of vertical soil development (3-180 mm/kyr). Weathering was favored by the structure and texture of parental materials, as PSs formed under lower MAP in pyroclastic deposits than in lava flows (~500 and ~800 mm/yr thresholds). This highlights the influence of fragmentation on weathering’s kinetics due to higher specific surface area. Enhanced weathering at surface and along geological discontinuities may have promoted mechanical weakening, favoring erosion and landslides. Notably, high MAPs (up to 1500 mm/yr) obtained around the Eemian interglacial stage are coincident in time with the initiation of a large slide complex on the southern flank of Pico. Intense precipitation may have led to increased water infiltration favoring enhanced hydromagmatic interactions. Drastic increase in pore pressure may then have triggered the initiation of the flank movement along listric faults that are still active. Current conditions in the Azores are wetter and slightly warmer than during the last Myr. Increased infiltration along faults could partly control subsequent movement and yield to detachment of the outer flank of Pico, with potentially dramatic consequences.More generally, present temperature and humidity increase on volcanic islands points to intense weathering, resulting in fast landscape evolution, increased lixiviation and elementary export and high atmospheric CO₂ uptaking, with local, regional and global impacts.
L'évolution des îles volcaniques résulte d'interactions complexes entre croissance des volcans et processus de destruction (éruptions explosives, glissements de terrain, érosion fluviale, altération). Les changements climatiques peuvent influencer ces processus sur des échelles variées. A l’échelle événementielle, des précipitations intenses peuvent engendrer des épisodes érosifs extrêmes. Sur le long-terme, des variations des taux d'altération, sensibles aux précipitations et à la température, peuvent impacter la fertilité des sols et le cycle global du carbone.Les îles volcaniques des Açores offrent un cadre idéal pour étudier ces interactions, avec une grande importance scientifique et sociétal, en particulier dans le contexte actuel du réchauffement climatique. Au centre de l'Atlantique Nord, elles sont influencées par des facteurs climatiques majeurs. Ces îles ont eu des pulses d'activité volcanique au cours du dernier million d'années (Ma), une période marquée par d’importants changements climatiques liés aux cycles glaciaires-interglaciaires. Si les variations des conditions globales ont été bien documentées sur cette période, la reconstruction paléoclimatique aux échelles locales/régionales reste un défi. Les paléosols (PSs) sont des anciens sols inclus dans le registre géologique. Leur géochimie fournit des informations précieuses sur les conditions paléo-environnementales, et la géochronologie des produits volcaniques les encadrant permet leur contrainte temporelle.Dans ce travail, nous avons reconstruit les conditions moyennes annuelles de précipitation (MAP) et de température de l’air (MAAT) aux Açores au cours du dernier Ma. Deux proxies basés sur la composition en éléments majeurs des PSs ont été utilisés : l’indice d'altération CIA-K et l’argilosité, tous deux validés dans d'autres milieux volcaniques. La datation précise des unités volcaniques par K-Ar sur mésostase séparée (laves) et par ⁴⁰Ar/³⁹Ar sur monocristaux de feldspath potassique (dépôts pyroclastiques), révèle des «pulses» d‘altération sur quelques milliers d’années, notamment après les terminaisons glaciaires (MIS 21, 19, 11, 9e, 5e et 1). La géochimie des PSs montre des changements environnementaux rapides et des MAATs (12-28 ᵒC) en accord avec les données de température marine de surface établies à partir d’archives océaniques. Cette concordance indique une étroite relation océan-atmosphère. Ces «pulses» suggèrent en outre des phases d'affaiblissement de l'anticyclone des Açores, permettant aux courants d'air humides d'atteindre des secteurs plus au sud.Les taux moyens de formation des sols (3-180 mm/kyr) ont été influencés par la structure et la texture du substrat rocheux. Des PSs se sont formés lors de MAPs plus faibles dans les dépôts pyroclastiques que dans les coulées de lave (seuils de ~500 et ~800 mm/an). Cette différence supporte une cinétique favorisée par la fragmentation et une surface spécifique élevée. L’altération accrue en surface et le long des discontinuités géologiques de sub-surface peut avoir favorisé l'érosion par glissements de terrain. Des MAPs élevées (jusqu'à 1500 mm/an) sont notamment obtenues autour du stade interglaciaire de l’Eemien, qui coïncide avec l’initiation d’un glissement complexe sur le flanc Sud de Pico. Des MAPs intenses ont pu accélérer l’infiltration des eaux et favoriser les interactions hydromagmatiques. L’augmentation associée de pression interstitielle a ainsi pu déclencher la mise en mouvement du flanc le long de failles listriques toujours actives. Les conditions actuelles aux Açores sont plus humides et légèrement plus chaudes qu’au cours du dernier Ma, ce que pourrait favoriser le détachement du flanc externe de Pico, avec des conséquences potentiellement drastiques.Plus généralement, l’altération accrue favorise l’évolution rapide du paysage sur de telles îles et engendre des flux élémentaires et une absorption de CO₂ atmosphérique croissantes, ce qui a impacts locaux, régionaux et globaux.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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