The genesis of Yedoma Ice Complex permafrost – grain-size endmember modeling analysis from Siberia and Alaska.

The late Pleistocene Yedoma Ice Complex is an ice-rich and organic-bearing type of permafrost deposit widely distributed across Beringia and is assumed to be especially prone to deep degradation with warming temperature, which is a potential tipping point of the climate system. To better understand Yedoma formation, its local characteristics, and its regional sedimentological composition, we compiled the grain-size distributions (GSDs) of 771 samples from 23 Yedoma locations across the Arctic; samples from sites located close together were pooled to form 17 study sites. In addition, we studied 160 samples from three non-Yedoma ice-wedge polygon and floodplain sites for the comparison of Yedoma samples with Holocene depositional environments. The multimodal GSDs indicate that a variety of sediment production, transport, and depositional processes were involved in Yedoma formation. To disentangle these processes, a robust endmember modeling analysis (rEMMA) was performed. Nine robust grain-size endmembers (rEMs) characterize Yedoma deposits across Beringia. The study sites of Yedoma deposits were finally classified using cluster analysis. The resulting four clusters consisted of two to five sites that are distributed randomly across northeastern Siberia and Alaska, suggesting that the differences are associated with rather local conditions. In contrast to prior studies suggesting a largely aeolian contribution to Yedoma sedimentation, the wide range of rEMs indicates that aeolian sedimentation processes cannot explain the entire variability found in GSDs of Yedoma deposits. Instead, Yedoma sedimentation is controlled by local conditions such as source rocks and weathering processes, nearby paleotopography, and diverse sediment transport processes. Our findings support the hypothesis of a polygenetic Yedoma origin involving alluvial, fluvial, and niveo-aeolian transport; accumulation in ponding waters; and in situ frost weathering as well as postdepositional processes of solifluction, cryoturbation, and pedogenesis. The characteristic rEM composition of the Yedoma clusters will help to improve how grain-size-dependent parameters in permafrost models and soil carbon budgets are considered. Our results show the characteristic properties of ice-rich Yedoma deposits in the terrestrial Arctic. Characterizing and quantifying site-specific past depositional processes is crucial for elucidating and understanding the trajectories of this unique kind of ice-rich permafrost in a warmer future. Kurzfassung: Der spätpleistozäne Yedoma Eiskomplex ist ein eisreicher und organikhaltiger Permafrosttyp, der in Beringia weit verbreitet ist. Durch den hohen Eisanteil wird der Yedoma Eiskomplex im Zuge des Klimawandels als besonders anfällig für tiefgreifende Störungen betrachtet und damit ein potentieller Kipppunkt des Klimasystems. Um seine Entstehung, die lokalen Eigenschaften und die regionale sedimentologische Zusammensetzung besser zu verstehen, haben wir die Korngrößenverteilung von 771 Proben an 23 Yedoma-Standorten in der Arktis zusammengestellt; räumlich eng zusammenhängende Probenserien wurden zu 17 Untersuchungsstandorten zusammengefasst. Darüber hinaus wurden 160 Proben aus nicht Yedoma-Ablagerungen von drei Eiskeilpolygon- und Überschwemmungsgebieten als holozäne Referenzen untersucht. Die multimodalen Korngrößenverteilungen zeigen, dass eine Vielzahl von Sedimentbildungs-, Transport- und Ablagerungsprozessen an der Yedoma-Entstehung beteiligt waren. Um diese Prozesse zu erkennen, wurde eine robuste Endmembermodellierungsanalyse (rEMMA) durchgeführt. Neun robuste Endmember (rEM) charakterisieren die Yedoma-Ablagerungen über ganz Beringia. Die untersuchten Standorte der Yedoma-Ablagerungen wurden anschließend mittels Clusteranalyse klassifiziert. Die daraus resultierenden vier Cluster umfassen zwei bis fünf Untersuchungsstandorte, die unregelmäßig über den Nordosten Sibiriens und Alaska verteilt sind. Die breite Palette von rEMs zeigt, dass nicht allein äolische Sedimentationsprozesse für die Variabilität in den Korngrößenverteilungen von Yedoma-Ablagerungen verantwortlich sind. Vielmehr wird die Sedimentation der Yedoma-Ablagerungen eher durch lokale Bedingungen wie Ausgangsgesteine, ehemalige Topographie und multiple Transportprozesse gesteuert. Das stützt die Hypothese einer polygenetischen Yedoma-Entstehung, die alluvialen, fluvialen und nival-äolischen Transport und Akkumulation in polygonalen Tümpeln und in-situ Frostverwitterung sowie postsedimentäre Frostverwitterung, Solifluktion, Kryoturbation und Pedogenese beinhaltet. Die charakteristische rEM Zusammensetzung der Yedoma Cluster kann auch helfen korngrößenspezifische Parameter besser in der Kohlenstoffbudgetierung und Permafrostmodellierung zu berücksichtigen. Damit trägt die Charakterisierung und Quantifizierung standortspezifischer Ablagerungsprozesse in der Vergangenheit dazu bei, die charakteristischen Eigenschaften eisreicher Yedoma-Ablagerungen in der terrestrischen Arktis aufzuklären. Dies ist entscheidend für das Verständnis der Fortentwicklung dieses besonderen Permafrosttyps in einer wärmeren Zukunft. [ABSTRACT FROM AUTHOR]