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Formation and development of polygonal soils in the hyper-arid Atacama Desert and their relevance as a habitat on earth and beyond

Sager, Christof

Patterned ground is the overarching term used for natural recurring geometrical shapes that occur on the surfaces of Earth and extraterrestrial planetary bodies in various climatic and geological settings. Polygonal ground is one of the most widespread geomorphological features in the patterned ground domain. It is formed by various mechanisms, including desiccation, thermal contraction, sublimation, freeze-thaw cycles, and tectonic or volcanic processes. These processes result in visible patterns due to particle sorting of differently sized sediments (i.e., sorted patterned ground) or by the formation of cracks due to ground contraction. The cracks can be filled with ice and/or sediment, forming sand or ice wedges (i.e., non-sorted patterned ground). On Earth, most polygonal grounds occur in permafrost environments. Research over the past century has revealed a formation associated with frost-related processes such as frost heave and freeze-thaw cycles and established their use as an environmental proxy holding valuable information on the pedological and climatological conditions under which they develop. However, non-sorted polygonal ground also occurs in the warm and hyper-arid Atacama Desert in Chile, which in contrast to periglacial polygons, have received minor attention, also due to their remote location and associated extreme conditions hampering their early exploration. As a result, the formation of polygons in the Atacama Desert and the environmental information they can provide are little understood. However, such insights are of great relevance for understanding the landscape evolution in the Atacama Desert and hyper-arid environments in general. Nevertheless, their formation differs from their periglacial counterparts, as frost-related processes can be excluded due to the lack of water and enduring subzero temperatures. Instead, desiccation and thermal contraction are thought to be the more relevant formation mechanisms. The Yungay region of the Atacama Desert hosts numerous polygonal networks that occur on alluvial surfaces and hillslopes and is a prime location for Mars analog studies due to the prolonged extreme dryness and associated lack of water. Plants are virtually absent, and microbial life thrives at the “dry limit” in scarcely distributed habitats associated with more protected conditions (e.g., against harmful UV radiation) or higher water availability. On Mars, polygonal networks are considered astrobiological relevant features, and investigating their terrestrial analogs in the Atacama Desert could provide further insights into Martian habitability. Hence, this work aimed to: (1) investigate the sedimentological and morpho-geometrical characteristics of four polygonal networks in the Yungay area to gain insights into their formation and post-formational erosion, (2) deduce the environmental information polygonal networks can provide and (3) to investigate polygonal networks as a potential habitat using a multidisciplinary approach that combines geo- and biochemical analyses, field experiments, and remote sensing techniques. The results show that the polygons (4 m in diameter) are outlined by interconnected V-shaped sand wedges of ~1 m depth. The polygons are composed of siliciclastic alluvial sediment cemented by hardly soluble calcium sulfates in the upper soil column (0–0.5 m) and highly soluble salts, mainly halite and nitratine, in the lower soil column (0.5–1m). The salts are vertically arranged based on their solubility, suggesting a dominant downward percolation of rainwater. In contrast, the sand wedges lack such intense salt cementation but show a vertical lamination that indicates a cyclic ground cracking process. The location of the polygonal networks on alluvial surfaces distinguishes them from the desiccation crack polygons in playa environments, and the low amount of clay-sized minerals makes a desiccation genesis less relevant. However, the high daily temperature variations, in a similar range known from periglacial polygons, and the intense cementation by salts create the required ground cohesion that allows for a thermal contraction genesis. An alternative origin that could neither be confirmed nor rejected in this work is the previously proposed dehydration of gypsum to anhydrite under prolonged dry conditions leading to volume reduction and, thus, cracking of the soil. Infrequent rain events could rehydrate anhydrite to gypsum. Here, it is concluded that such a process could play an essential role in polygon development but is considered to be less relevant than thermal contraction for wedge formation, as dehydration cracking should be of primary importance for the sulfate-rich upper soil column (0–0.5 m), while the wedges extend to a depth of 1 m. Similar to periglacial and Martian polygons, the networks exhibit a hexagonal (120° intersection angles) to orthogonal (90° intersection angles) geometry in which the elongated polygons are aligned parallel or perpendicular to slope gradients. In periglacial environments, variations of polygon morphology can indicate differences in environmental or climatological conditions. Here, a network was identified that exhibits distinct variations in morphology and geochemistry of unknown origin. The findings revealed the mainly eolian erosion of the polygonal network under the current hyper-arid conditions, which resulted in the development of high-center and low-center morphologies from the initial flat-center polygons. The differential erosion led to the exposure of either sulfate-rich or nitrate- and chloride-rich indurated subsurface horizons. Despite its location in an ancient river channel, signs of fluvial erosion were not observed on the polygonal surface, but the vertical differentiation of salt indicates minimal water infiltration by rare rain events. Since prolonged humid conditions would leach out salts from the subsurface, it is concluded that polygonal networks most likely form exclusively in the presence of cementing salts during a prolonged and dominantly hyper-arid climate, promoting the polygonal networks in the Yungay area as an environmental proxy for hyper-arid conditions and saline soils. Given the scarcity of rain, the detailed responses of the polygonal soil to rain events regarding soil conditions and habitability are unknown. Therefore, a 20 mm rain event was simulated, and it was shown that the polygon and adjacent sand wedge responded differently in terms of salt and water migration as well as microbial activity, based on the content of phospholipid fatty acids (PLFA). The surface of the polygon and sand wedge desiccated rapidly within one week, accompanied by decreasing PLFAs. However, the subsurface at a depth of only 10–15 cm remained moist for at least six weeks. These prolonged moist conditions sustained microbial growth as indicated by increasing PLFA content, especially in the polygon subsurface and, to a smaller degree, in the sand wedge. The reason for increased habitable conditions in the polygon subsurface compared to the sand wedge subsurface, despite its higher water activity at the end of the experiment, remains unclear. It could be related to the identified small-scale soil heterogeneities leading to varying PLFA contents. Alternatively, the dissolution of highly soluble salts and their subsequent precipitation on the surface indicate more transient salinity conditions in the sand wedge than in the polygon, which could be detrimental to the microbial community. This work provides fundamental insights into hyper-arid polygonal grounds and a basis for further polygon research in the hyper-arid Atacama Desert. At the same time, it advances the role of saline polygonal networks as environmental proxies for hyper-arid environments and emphasizes their astrobiological relevance for habitat research in extreme environments on Earth and beyond.
Der Begriff gemusterte Böden (auch Strukturböden, engl. patterned grounds) umfasst natürliche, sich wiederholende geometrische Formen, die in verschiedenen klimatischen und geologischen Umgebungen auf der Erdoberfläche und den Oberflächen extraterrestrischer planetarer Körper auftreten. Polygonale Böden stellen dabei eine der am weitverbreitetsten geomorphologischen Vertreter in der Domäne der gemusterten Böden dar. Sie entstehen durch verschiedene Mechanismen wie Austrocknung, thermische Kontraktion, Sublimation, Frost-Tau-Zyklen sowie tektonische oder vulkanische Prozesse. Diese Prozesse führen zu Korngrößensortierung der Sedimente (sortierte Strukturböden) oder zu Rissbildung durch Bodenkontraktionen, und schließlich zur Entstehung sichtbarer Muster. Die Risse können mit Eis und/oder Sedimenten verfüllt werden, so dass Sand- oder Eiskeile entstehen (unsortierte Strukturböden). Der Großteil polygonaler Böden auf der Erde ist in Permafrostgebieten zu finden und Forschung über ein Jahrhundert lang konnte zeigen, dass deren Bildung mit frostbedingten Prozessen wie Frost-Tau-Zyklen und Frosthub, zusammenhängt. Auch wurde deren Nutzung als Umweltproxy etabliert, da polygonale Böden wertvolle Informationen über die bodenkundlichen und klimatologischen Bedingungen enthalten, unter denen sie entstanden sind. Neben Permafrostgebieten treten polygonale Böden jedoch auch in der warmen und hyper-ariden Atacama-Wüste (Chile) auf. Diese erhielten vergleichsweise jedoch nur wenig wissenschaftliche Aufmerksamkeit, was vermutlich durch deren abgelegene Lage sowie die vorherrschenden extremen Wüstenbedingungen zu erklären ist, die deren frühzeitige Erforschung erschwerten. Daher sind sowohl Bildungsprozesse von Atacama-Polygonen sowie die Umweltinformationen, die sie enthalten können, kaum bekannt. Solche Erkenntnisse sind jedoch von großer Bedeutung für das Verständnis der Landschaftsentwicklung in der Atacama-Wüste und anderer hyper-arider Gebiete. Es ist zu vermuten, dass ihre Entstehung sich von der ihrer periglazialen Pendants unterscheidet, da frostbedingte Prozesse aufgrund des geringen Bodenwassergehalts und des Ausbleibens dauerhafter Minustemperaturen ausgeschlossen werden können. Im Gegensatz dazu sind Risse, die durch Austrocknung nach seltenen Regenereignissen oder thermische Kontraktion verursacht werden, relevantere Entstehungsprozesse. Die Yungay-Region in der Atacama-Wüste weist zahlreiche polygonale Netzwerke auf, die auf alluvialen Oberflächen und Hanglagen vorkommen. Diese Region stellt aufgrund der anhaltenden, extremen Trockenheit und des damit verbundenen Wassermangels ein hervorragendes Marsanaloggebiet dar. Pflanzen sind praktisch nicht vorhanden und mikrobielles Leben existiert an der sogenannten "Trockengrenze des Lebens" (engl. dry limit of life) in Mikrohabitaten, die durch besonders geschützte Bedingungen (z.B. vor schädlicher UV-Strahlung) oder eine höhere Wasserverfügbarkeit ausgezeichnet sind. Polygonale Netzwerke auf dem Mars gelten als astrobiologisch interessante Strukturen und die Untersuchung ihrer terrestrischen Analoga in der Atacama-Wüste könnte weitere Erkenntnisse über die Habitabilität des Mars liefern. Ziel dieser Arbeit ist es daher (1) den sedimentologischen und morpho-geometrischen Aufbau von vier polygonalen Netzwerken im Yungay-Gebiet zu bestimmen, um Einblicke in deren Entstehung sowie post-formale Erosion zu gewinnen, und (2) die Umweltinformationen zu ermitteln, die diese polygonalen Netzwerke enthalten können. Außerdem werden (3) polygonale Netzwerke als potenzielle Habitate untersucht. Dafür wird ein multidisziplinärer Ansatz aus bio- und geochemischen Analysen, Feldexperimente und Fernerkundungstechniken verwendet. Die Resultate zeigen, dass die ~4 m großen Polygone durch miteinander verbundene, V-förmige Sandkeile von ~1 m Tiefe umrandet sind. Die Polygone bestehen aus siliziklastischem, alluvialem Sediment, das in der oberen Bodensäule (0–0.5 m) durch schwerlösliche Calciumsulfate, und in der unteren Bodensäule (0.5–1 m) durch leichtlösliche Salze, hauptsächlich Halit und Nitratin, zementiert ist. Die entsprechend ihrer Löslichkeit vertikal angeordneten Salze weisen auf eine überwiegend abwärts gerichtete Versickerung von Wasser durch Regen hin. Im Gegensatz dazu weisen die Sandkeile keine derart intensive Salzzementierung auf, sondern zeigen eine vertikale Laminierung, die auf einen zyklischen Rissbildungsprozess im Boden hinweist. Die Lage der polygonalen Netzwerke auf alluvialen Oberflächen unterscheidet sie von den Trockenriss-polygonen in Salztonebenen, und der geringe Anteil an Tonen lässt eine Austrocknungsgenese als weniger relevant erscheinen. Dahingegen lassen die hohen, täglichen Temperaturschwankungen, die in einem ähnlichen Bereich wie dem der periglazialen Polygone liegen, sowie die intensive Zementierung durch Salze, die die erforderliche Bodenkohäsion schaffen, eher auf eine thermische Kontraktionsgenese schließen. Einen bereits postulierten Mechanismus, der in dieser Arbeit weder bestätigt noch ganz verworfen werden konnte, stellt die Dehydratisierung von Gips zu Anhydrit unter langanhaltend trockenen Bedingungen dar, die zu einer Volumenverringerung und einhergehenden Rissbildung des Bodens führt. Seltene Regenereignisse könnten dann Anhydrit zu Gips rehydrieren. In dieser Arbeit wird festgehalten, dass ein solcher Prozess zwar eine Rolle in der Entwicklung der Polygone spielen könnte, er aber für die Bildung der Sandkeile weniger relevant sein sollte als die thermische Kontraktion. Potenzielle Dehydrierungsrisse sollten demnach in erster Linie in der sulfatreichen, oberen Bodensäule (0–0.5 m) auftreten, reichen jedoch bis in 1 m Tiefe. Ähnlich zu periglazialen- und Mars-Polygonen weisen die Yungay-Polygone eine hexagonale (120° Kreuzungswinkel) bis orthogonale (90° Kreuzungswinkel) Geometrie auf und sind entweder parallel oder senkrecht zur Hangneigung ausgerichtet. In periglazialen Gebieten können Variationen der Polygonmorphologie auf Unterschiede in den Umwelt- oder Klimabedingungen hinweisen. Im Rahmen dieser Studie wurde ebenfalls ein Netzwerk mit deutlichen Variationen in Morphologie und Geochemie identifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass dieses polygonale Netzwerk unter den derzeitigen hyper-ariden Bedingungen hauptsächlich durch äolische Erosion abgetragen wurde, was schließlich dazu führte, dass sich aus den ursprünglichen flat-center Polygonen (Polygon und Sandkeil auf gleicher Höhe), high-center (Polygon ist gegenüber dem Sandkeil erhöht) und low-center Polygone (Polygon ist gegenüber dem Sandkeil erniedrigt) entwickelten. Die differentielle Erosion führte zur Freilegung von sulfatreichen oder nitrat- und chloridreichen zementierten Bodenhorizonten. Trotz der Lage in einem inaktiven Flusskanal wurden auf der polygonalen Oberfläche keine Anzeichen fluvialer Erosion beobachtet, wobei die vertikale Differenzierung der Salze auf minimale Wasserinfiltration durch seltenen Regen hindeutet. Langanhaltend, feuchtere Bedingungen würden Salze aus dem Boden auswaschen, weshalb geschlussfolgert werden kann, dass sich diese polygonalen Netzwerke höchstwahrscheinlich ausschließlich in Anwesenheit von zementierenden Salzen unter einem langanhaltenden und überwiegend hyper-ariden Klima bildet. Demnach können die polygonalen Netzwerke im Yungay-Gebiet als Umweltproxy sowohl für hyperarides Klima als auch für salzhaltige Böden angesehen werden. Da es in diesem Gebiet nur selten regnet sind die genauen Reaktionen der Polygone auf Regen hinsichtlich Bodenbedingungen und Habitabilität unbekannt. Daher wurde ein 20-mm-Regenereignis simuliert, wobei gezeigt werden konnte, dass Polygon und Sandkeil in Bezug auf die Salz- und Wassermigration sowie die resultierende mikrobielle Aktivität (basierend auf dem Gehalt an Phospholipidfettsäuren - PLFA) unterschiedlich reagierten. Die Oberfläche des Polygons und des Sandkeils trocknete innerhalb einer Woche aus, was mit einem Rückgang der PLFA-Konzentrationen einherging. Der Boden in einer Tiefe von nur 10–15 cm blieb jedoch für mindestens sechs Wochen feucht. Diese anhaltend feuchten Bedingungen förderten das mikrobielle Wachstum, basierend auf steigenden PLFA-Konzentrationen, insbesondere im Polygon-Untergrund und in geringerem Maße auch im Sandkeil-Untergrund. Die genaue Ursache für die verbesserte Habitabilität im Polygonuntergrund im Vergleich zum Sandkeiluntergrund, die trotz der höheren Wasseraktivität zum Ende des Experiments besteht, bleibt unklar. Sie könnte einerseits mit den beobachteten, kleinskaligen Bodenheterogenitäten zusammenhängen, die zu Variationen der PLFA-Konzentration innerhalb eines Bodenhorizontes führen können. Andererseits deutet die Auswaschung hochlöslicher Salze aus der Sandkeiloberfläche durch Regen sowie deren anschließende Ausfällung durch Evaporation auf instabilere Salinitätsbedingungen im Sandkeil hin. Diese könnten im Vergleich zu stabileren Bedingungen im Polygon negative Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft haben. Diese Arbeit liefert grundlegende Erkenntnisse über hyperaride Polygonböden und bildet eine Grundlage für weitere Polygonforschung in der hyperariden Atacama-Wüste. Gleichzeitig wird die Rolle salzhaltiger Polygonnetze als Umweltproxy für hyperaride Umgebungen ausgebaut und deren astrobiologische Relevanz hervorgehoben.