Archean Paleosols on Earth and Mars

Abstract

Paleosols are unique recorders of physical and chemical processes at the interface between rocks and the atmosphere, hydrosphere and biosphere. Their capacity to record atmospheric and hydrologic conditions allows them to serve as information archives on past environments. Archean paleosols are, due to deformation, metamorphism and limited outcrop, commonly difficult to recognize and characterize, though the number of findings has increased remarkably over recent decades. Well-preserved Paleoarchean terrestrial strata are currently known only from in the Pilbara Block, northwestern Australia and the Barberton Greenstone Belt (BGB), southern Africa. This study describes the widespread occurrence of early diagenetic to pedogenic nodules that formed in unconsolidated sandy sediments in fluvial and coastal settings of the ~3.22 Ga old Archean Moodies Group, BGB, South Africa. They appear stratiform, in places rock-forming, in several regionally traceable units composed of megaquartz pseudomorphs after gypsum, barite and calcite. Nodule growth was dominated by seasonal fluctuations of the groundwater level under evaporitic conditions. The nodules likely represent the oldest terrestrial evaporites known to date. Their formation and composition constrain the local occurrence of sulfate in the Archean atmo- and hydrosphere and its interaction with the emerging biosphere, the Archean weathering regime, local climate and vadose- zone hydrodynamics. The nodules are interbedded with mm-thick heavy mineral laminations, mainly composed of pyrite. Pyrite grains show rounded detrital cores corroded by pore fluids related to pedogenic nodule formation and secondary idiomorphic rims which grew under reducing conditions. The trace element concentrations (Ni and Co) and δ34S ratios of the rims are clearly different from those of the cores. While cores have low Co and Ni concentrations, rims show up to 5.5 wt.-% of these elements. In-situ sulfur isotope analyses of pyrite cores show δ34SVCDT values between +5‰ and -5‰ while the rims show δ34SVCDT values between -20‰ and -24.5‰, suggesting a biogenic fractionation of sulfur. The close spatial association and nearly contemporaneous formation of pedogenic sulfate and secondary pyrite is consistent with microbial sulfur processing in the paleosols. This indicates that Archean soil-forming processes involved not only physical and chemical but also biological modification of unconsolidated sediment. Microbial life was already pervasive in terrestrial environments more than 3.2 Ga ago. The ~3.3-3.2 Ga old Sheepbed Member of the Yellowknife Bay Formation in Gale crater on Mars contains a number of diagenetic features, amongst which nodules are considered to be of early diagenetic origin. The nodules show solid, hollow and filled morphologies similar to those of the approximately contemporaneous paleosols of the lower Moodies Group. They formed pedogenic to early diagenetic under similar conditions. Moodies nodules are therefore an excellent Earth analog for the formation of the Sheepbed nodules on Mars. The S-isotope data, documenting the involvement of biogenic processes in the formation of the Moodies nodules, strengthens the case for the possibility of extraterrestrial life on Mars. Although Martian pyrite grains and their S-isotopic composition cannot be analyzed using the technical instrumentation of Curiosity, their possible existence and isotopic composition should be of high scientific interest.

Paleoböden sind hervorragend geeignet, um physikalische und chemische Prozesse an der Schnittstelle zwischen Gestein, Atmo-, Hydro- und Biosphäre zu dokumentieren; sie dienen als Informationsspeicher der Vergangenheit. Archaische Paleoböden sind aufgrund von Deformation, Metamorphose und limitierter Aufschlüsse schwer zu erkennen und zu charakterisieren. Gut erhaltene palaeoarchaische, terrigene Abfolgen sind derzeit lediglich aus dem Pilbara Block, Nordwest-Australien, und dem Barberton Greenstone Belt (BGB) im südlichen Afrika bekannt. Diese Arbeit beschreibt kartierbare, frühdiagenetische bis pedogene Konkretionen, die sich in Sanden fluviatiler Küstenebenen der ~3.22 Ga alten Moodies-Gruppe des BGB in Südafrika bildeten. Sie treten stratiform, teilweise gesteinsbildend auf und bestehen aus Megaquarz-Pseudomorphosen nach Gips, Baryt und Kalzit. Verwitterung von Feldspäten und tuffigem Material lieferte alkalische Kationen wie Ca2+ und Ba2+ während Karbonat wahrscheinlich durch Silikatverwitterung mafischer Vulkanite im Kontakt zur CO2-reichen Atmosphäre entstand. Das Konkretionswachstum war dominiert von saisonalen Fluktuationen des Grundwasserspiegels unter evaporitischen Bedingungen. Die Konkretionen repräsentieren die ältesten bisher bekannten terrestrischen Evaporite. Ihre Entstehung und Zusammensetzung belegen das lokale Auftreten von Sulfat in der archaischen Atmo- und Hydrosphäre, ihre Wechselwirkung mit der entstehenden Biosphäre, dem Verwitterungsregime, dem lokalen Klima und der Hydrodynamik der vadosen Zone. Die Konkretionen sind mit mm- dünnen, überwiegend aus Pyrit bestehenden Schwerminerallaminae wechselgelagert. Diese Pyrite zeigen gerundete, durch Porenwässer korrodierte, detritische Kerne, und idiomorphe Anwachssäume, welche unter reduzierenden Bedingungen entstanden. Die Spurenelement-Gehalte (Ni und Co) und δ34S Verhältnisse der Säume unterscheiden sich deutlich von denen der Kerne. Während die Kerne niedrige Co- und Ni-Gehalte zeigen, enthalten die Säume bis zu 5,5 Gew.-% dieser Elemente. In-situ Schwefelisotopen- Analysen der Kerne zeigt δ34SVCDT Werte zwischen +5‰ und -5‰, während die Säume Werte zwischen -20‰ und -24.5‰ aufweisen und damit auf biogene Fraktionierung des Schwefels hindeuten. Die räumliche Nähe und fast zeitgleiche Entstehung pedogener Sulfate und sekundären Pyrits deutet auf mikrobielle Schwefel-verarbeitung in den Paläoböden hin, und zeigt, dass bodenbildende Prozesse im Archaikum nicht nur physikalische und chemische, sondern auch biogene Veränderungen umfassten. Mikrobielles Leben war in den terrestrischen Ablagerungsräumen vor 3.2 Ga bereits fest verankert. Die ~3.3-3.2 Ga alte Sheepbed-Lage der Yellowknife Bay Formation (Gale Crater, Mars) enthält mehrere diagenetische Ausbildungen, unter denen die Sheepbed Nodules als frühdiagenetisch gelten. Die Nodules haben (ähnlich zu den Konkretionen der Moodies Gruppe) drei morphologisch unterschiedliche Ausprägungen: massiv, hohl und hohl, aber gefüllt. In beiden Orten entstanden sie pedogen bis frühdiagenetisch unter ähnlichen Bedingungen. Die Moodies-Konkretionen sind deshalb ein exzellentes Erd-Analog für die Sheepbed Nodules auf dem Mars. Frühdiagenetischer Pyrit, der mit diesen Nodules, assoziiert sein könnten, ist mit der instrumentellen Ausstattung von Curiosity nicht belegbar. Seine Isotopie wäre analog zur Moodies-Gruppe, von hohem wissenschaftlichen Interesse.