Glacial tillites as proxies for ancient environments: Evidence of impact, erosion, and deposition processes

Abstract

The Vredefort Dome impact structure in South Africa is the oldest and largest verified impact structure on Earth. Because it is fairly well-preserved for its age, it serves as an integral repository for information about impact cratering in Earth’s early history.

The investigation detailed in this thesis tested a new method for reconstructing ancient impacts through the sediments that were eroded away from target rocks: seeking detrital shocked minerals in lithified glacial sediments as evidence of impact. Continental glaciers from the Permo-Carboniferous Dwyka glaciation flowed directly over the Vredefort impact structure, incorporating target minerals into the ice and depositing them elsewhere. Grains of quartz, zircon, and monazite with shock microstructures found in Dwyka tillites demonstrate that shocked minerals can preserve evidence of impact through glacial transportation and deposition. This is the first documented evidence of detrital shocked mineral being transported solely by ice and preserved through lithification in the deep rock record.

An additional component of this investigation was a search for evidence of the elusive Vredefort melt sheet. Numerous studies indicate that an impact at the scale of the Vredefort would have generated a melt sheet hundreds of meters thick. However, in the 2000 million years since its crystallization, all superficial remnants of the melt sheet have been eroded. If any vestige of this melt sheet had been exposed on Earth’s surface at the time of the Dwyka glaciation, target minerals in the form of igneous zircons yielding an impact age could have been incorporated into the ice and deposited in glacial till. Three hundred zircons from three Dwyka samples were analyzed for an impact age; none indicated a Vredefort melt sheet origin. This indicates that the melt sheet had already been eroded prior to the Dwyka glaciation. The U-Pb analyses of gem-quality zircons can also provide insight into the timing of deposition of Dwyka sediments in the Vredefort region. Though most studies report glaciation to have occurred between 300 and 290 Ma, a statistically significant number of grains analyzed in this study yield ages between 222 and 290 Ma. The ages of these grains correspond to known igneous events occurring in South Africa at the time, and are therefore indicative that glaciation may have extended through this time frame.

As a whole, this thesis demonstrates several ways in which ancient detrital sediments can provide insight into Earth’s complicated and often obscured history. Even though surface and tectonic processes can alter and erase superficial features such as impact structures, the target minerals that have been transported and deposited can preserve a detailed geologic record.

La estructura de impacto de Vredefort Dome en Sudáfrica es la estructura de impacto verificada más antigua y más grande de la Tierra. Debido a que está bastante bien conservado para su edad, sirve como un repositorio integral para obtener información sobre el impacto en la historia temprana de la Tierra. La investigación detallada en esta tesis probó un nuevo método para reconstruir impactos antiguos a través de los sedimentos que se erosionaron de las rocas objetivo: la búsqueda de minerales detritales en sedimentos glaciales litificados como evidencia de impacto. Los glaciares continentales de la glaciación Dwyka Permo-Carbonífero fluyeron directamente sobre la estructura de impacto Vredefort, incorporando minerales objetivo en el hielo y depositándolos en otro lugar. Los granos de cuarzo, circón y monacita con microestructuras de choque que se encuentran en las tillitas de Dwyka demuestran que los minerales chocados pueden preservar la evidencia del impacto a través del transporte y deposición glacial. Esta es la primera evidencia documentada de un mineral detrital impactado que se transporta únicamente por hielo y se conserva a través de la litificación en el registro de roca profunda. Un componente adicional de esta investigación fue la búsqueda de evidencia de la capa fundida del impacto de Vredefort, que se ha demostrado ser elusiva. Numerosos estudios indican que un impacto a la escala del Vredefort habría generado una capa fundida de cientos de metros de espesor. Sin embargo, en los 2000 millones de años transcurridos desde su cristalización, todos los restos superficiales de la capa fundida se han erosionado. Si se hubiera expuesto algún vestigio de esta capa fundida en la superficie de la Tierra en el momento de la glaciación Dwyka, los minerales objetivos en forma de circones ígneas que producen una edad de impacto podrían haberse incorporado al hielo y haberse depositado en el depósito glaciar. Se analizaron trescientos circones de tres muestras de Dwyka para determinar la edad de impacto; ninguno indicó un origen de lámina de fundido Vredefort. Esto indica que la capa fundida ya se había erosionado antes de la glaciación Dwyka. Los análisis U-Pb de circones con calidad de gema también pueden proporcionar información sobre el momento de la deposición de sedimentos Dwyka en la región de Vredefort. Aunque la mayoría de los estudios informaron que la glaciación ocurrió entre 300 y 290 Ma, un número estadísticamente significativo de granos analizados en este estudio arrojó edades entre 222 y 290 Ma. Las edades de estos granos corresponden a eventos ígneos conocidos que ocurren en Sudáfrica en ese momento, y por lo tanto son indicativos de que la glaciación puede haberse extendido a lo largo de este marco de tiempo. En total, esta tesis demuestra varias formas en que los antiguos sedimentos detritales pueden proporcionar una visión de la historia complicada y a menudo oculta de la Tierra. A pesar de que los procesos tectónicos y de la superficie pueden alterar y borrar características superficiales como las estructuras de impacto, los minerales objetivo que se han transportado y depositado pueden preservar un registro geológico detallado.