Analysis of geomorphic dynamics in ancient quartzite landscape using phytolith and carbon isotopes, Espinhaço Mountain Range, Minas Gerais, Brazil

Although there are important landscapes developed on underlying quartzite in Brazil, there is still very little known about the processes and mechanisms involved in their formation. Some recent research has drawn attention to the presence of karstic features associated with silica dissolution in this lithology. However, there are other relief forms and materials commonly encountered in the domain of quartzite in the Espinhaço Mountain Range in the southeast region of Brazil. The main objective of this research is to analyze the geomorphic processes associated with the material overlying relatively flat surfaces of low inclination that always occur near quartzite outcrops in the study area. This is relevant in order to attempt to understand the development of landforms in quartzite domains in tropical humid areas. A Geomorphic approach for the analysis of the material was used, in which geomorphic sites were identified and two soil profiles were described and sampled for laboratory analysis. This was complemented with laboratory analysis of phytoliths found in the soil, 13C analysis and 14C-AMS dating. The relatively shallow profiles show a sequence of similar horizons, in which the material varies from sandy organic material at the top to stony immediately below. The superficial horizons have predominantly finer sand and also clay, which is expected in humid tropical environments. Both profiles present a stony layer formed of angular to subangular quartz pebbles lying just on the top of the weathered quartzite in the C horizons where the oldest SOM 14C dating values were found. Considering the mean residence time (MRT), it is possible to assume that the first depositions in P2 are more than 10.000 yrs old (10,506-10,230 yr cal BP) and that the first profile in P1, located on the upper slope, presents younger SOM (5,919-5,664 yr cal BP). This suggests that the erosive processes were either more intense or more recent on this portion of the slope and that these deeper horizons may have previously been on the surface, when the material was deposited. Also, the high amount of phytoliths which are unclassified due to their destruction, along with the presence of the most robust types, can be interpreted as evidence of intense erosion and transportation of the material by surface runoff, enabling the assumption that the material is colluvium and that its source is a nearby quartzite outcrop. After deposition along the gently inclined slope, identified as a “colluvial ramp”, the material was relatively undisturbed, which allowed pedogenic processes to take place, forming Quartz-sand Neosols. The ramp itself seems to be the result of very slow rates of weathering and removal of the material, together with strong control from relatively flat Mesoproterozoic depositional macro-structures of the underlying rock. This study is one of the first attempts to use phytoliths combined with carbon isotope analysis for geomorphologic purposes, with very interesting results. Their relevance points to their potential for geomorphic studies.Bien que les paysages développés sur quartzite au Brésil s'étendent sur de grandes surfaces, les connaissances sur les processus et les mécanismes impliqués dans leur formation sont peu avancées. Des recherches récentes ont identifié des signatures karstiques associées à la dissolution de la silice. Cependant, il existe d'autres formes de relief et de matériaux couramment rencontrés dans le domaine quartzitique de la chaîne de montagnes de l'Espinhaço, localisée dans le sud-est du Brésil. L'objectif principal de cette recherche est d'analyser les processus géomorphologiques associés aux matériaux recouvrant les surfaces faiblement inclinées et relativement plates qui se trouvent toujours près des affleurements de quartzite, dans la zone d'étude. C'est une étape importante pour tenter de comprendre le développement des types de relief dans les régions quartzitiques des zones tropicales humides. L'approche géomorphologique a été privilégiée, et, sur les sites identifiés, deux profils de sol ont été décrits et échantillonnés pour des analyses en laboratoire. L'étude a été complétée par l'analyse de phytolithes retrouvés dans le sol, des analyses du δ13C et des datations par 14C-AMS (MRT) de la matière organique du sol (MOS). Les profils relativement peu profonds montrent une séquence d'horizons similaires, variant d’une couche sableuse avec beaucoup de matière organique en surface à un matériau caillouteux immédiatement en-dessous. Les horizons superficiels sont constitués principalement de sable fin et d’argile, ce qui est fréquent dans les milieux tropicaux humides. Les deux profils présentent un niveau de pierres angulaires à subangulaires, formé de galets de quartz se trouvant juste au-dessus de la quartzite altérée dans les horizons C, où les valeurs les plus anciennes des datations 14C de la MOS ont été trouvées. Compte tenu de la durée moyenne du temps de résidence (MRT), on peut supposer que les premiers dépôts du profil P2 datent de plus de 10 000 ans (10506-10230 ans cal BP) et que le premier profil (P1), situé sur le versant supérieur, présente une MOS (MRT) plus récente (5919-5664 ans cal BP). Ceci suggère que les processus d'érosion ont été soit plus intenses, soit plus récents, sur cette partie du versant et que les horizons plus profonds peuvent peut-être avoir déjà été en surface, lorsque le matériau s’est déposé. En outre, la grande quantité de phytolithes indéterminables en raison de leur altération, ainsi que la prédominance des types les plus robustes, peuvent être interprétées comme l'évidence d'une érosion intense et d'un transport du matériau par le ruissellement superficiel, suggérant que ce matériau est colluvial et que sa source correspond à l’affleurement de quartzite proche. Après son dépôt sur la « rampe colluviale », terme qualifiant cette topographie associée à une très faible pente, le matériau est resté relativement préservé, ce qui a permis l'occurrence des processus pédogénétiques, aboutissant à la mise en place de néosols quartzo-sableux. La rampe elle-même semble être le résultat d'une très faible altération et remobilisation du matériau, associée à un fort contrôle exercé par les macro-structures mésoprotérozoïques plates de la roche sous-jacente. Cette étude est l’une des premières utilisant les analyses de phytolithes combinées à celles des isotopes du carbone à des fins d'analyse géomorphologique, avec des résultats très intéressants. Leur pertinence souligne leur potentiel pour les études géomorphologiques