Two glaciers and one sedimentary sink: the competing role of the Aare and the Valais glaciers in filling an overdeepened trough inferred from provenance analysis

The extent and distribution of glaciers on the Swiss Plateau during the Last Glacial Maximum (LGM) can be determined from the geological record. However, similar reconstructions for the glaciations that preceded the LGM are far more difficult to be made due to the destruction of suitable sedimentary records through recurring glaciations or due to the inaccessibility of preserved records. Here, we explored Quaternary sediments that were deposited during the Marine Isotope Stage (MIS) 8 glaciation at least around 250 ka, and which were recovered in a drilling that was sunk into an overdeepened bedrock trough west of Bern (Switzerland). We analyzed the sediment bulk chemical composition of the deposits to investigate the supply of the material to the area by either the Aare Glacier, the Saane Glacier, or the Valais Glacier, and we complement this investigation with the results of heavy mineral analyses and geochemical information from detrital garnet. The potential confluence of the Valais and the Aare glaciers in the Bern area makes this location ideal for such an analysis. We determined the sediment bulk chemical signal of the various lithological units in the central Swiss Alps where the glaciers originated, which we used as endmembers for our provenance analysis. We then combined the results of this fingerprinting with the existing information on the sedimentary succession and its deposition history. This sedimentary suite is composed of two sequences, Sequence A (lower) and Sequence B (upper), both of which comprise a basal till that is overlain by lacustrine sediments. The till at the base of Sequence A was formed by the Aare Glacier. The overlying lacustrine deposits of an ice-contact lake were mainly supplied by the Aare Glacier. The basal till in Sequence B was also formed by the Aare Glacier. For the lacustrine deposits in Sequence B, the heavy mineral and garnet geochemical data indicate that the sediment was supplied by the Aare and the Saane glaciers. We use these findings for a paleogeographic reconstruction. During the time when Sequence A and the basal till in Sequence B were deposited, the Aare Glacier dominated the area. This strongly contrasts with the situation during the LGM, when the Aare Glacier was deflected by the Valais Glacier towards the northeast. The Valais Glacier was probably less extensive during MIS 8, but it was potentially present in the area, and it could have been essential for damming a lake in which the material supplied by the Aare and the Saane glaciers accumulated. In conclusion, combining provenance with sedimentological data, we could document how sediment was supplied to the investigated overdeepened basin during the MIS 8 glacial period and how glaciers were arranged in a way that was markedly different from the LGM. Kurzfassung Die Gletscherstande und die Verbreitung der Gletscher im Schweizer Mittelland wahrend des letztglazialen Maximums (LGM) lassen sich aus den erhaltenen Ablagerungen und der Oberflachenmorphologie ableiten. ahnliche Rekonstruktionen fur die dem LGM vorangegangenen Vergletscherungen sind ungleich schwerer anzustellen, da entsprechende Ablagerungen durch die wiederkehrenden Gletschervorstosse zerstort wurden oder da entsprechende Sedimentsequenzen unzuganglich sind. In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir Quartare Sedimente, die wahrend des marinen Isotopenstadiums (MIS) 8 abgelagert wurden. Erbohrt wurden diese Sedimente in einem ubertieften Trog, der ins Molassegestein westlich von Bern (Schweiz) erodiert wurde. An diese Stelle konnte Sediment moglicherweise durch einen von drei Gletschern, den Aaregletscher, den Saanegletscher oder den Wallisergletscher transportiert werden. Um zu ermitteln, welche der Gletscher Sediment in den Trog lieferten, untersuchten wir die chemische Zusammensetzung der Ablagerungen und erganzten diese Untersuchung mit Daten aus der Analyse der Schwermineralzusammensetzung sowie der Analyse detritischer Granate. Da hier moglicherweise der Aare- und der Wallisergletscher zusammenflossen, bietet sich die Gegend um Bern fur eine solche Untersuchung an. Um den Ursprung des Sediments feststellen zu konnen, definierten wir verschiedene lithologische Einheiten der zentralen Schweizer Alpen, in denen die Gletscher sich bildeten, als Endglieder unserer Provenienzanalyse und bestimmten ebenfalls deren chemische Zusammensetzung. Die Ergebnisse aus der Untersuchung dieser chemischen Fingerabdrucke erganzten wir anschliessend mit den bereits vorhandenen Informationen uber die Sedimentationsabfolge und deren Ablagerungsverhaltnisse. In dieser Abfolge konnen zwei Sequenzen unterschieden werden, eine untere Sequenz A und eine obere Sequenz B. Beide Sequenzen bestehen aus einer Grundmorane, die von lakustrischem Sediment uberlagert wird. Der Aaregletscher lagerte die Morane an der Basis der Sequenz A ab. Die Sedimente, die sich anschliessend in einem Eisrandsee bildeten, wurden ebenfalls hauptsachlich vom Aaregletscher geliefert. Die basale Morane der Sequenz B wurde ebenfalls durch den Aaregletscher gebildet. Daraufhin wurde das Seebecken mit Sediment aufgefullt, das vermutlich durch den Aare- sowie den Saanegletscher herantransportiert wurde, wie die Schwermineralzusammensetzung und Granatgeochemie zeigen. Anhand dieser Ergebnisse erstellen wir eine palaogeographische Rekonstruktion. Es zeigt sich darin die Dominanz des Aaregletschers im Gebiet um Bern wahrend des Ablagerungszeitraums der unteren Sequenz A sowie der Morane an der Basis der Sequenz B. Dieses Bild der Verbreitung der Gletscher im Raum Bern steht in starkem Kontrast zur Situation wahrend des LGM, als der Aaregletscher vom Wallisergletscher in Richtung Nordost abgedrangt wurde. Augenscheinlich war der Wallisergletscher wahrend der MIS 8 Vergletscherung weniger weit ausgedehnt. Jedoch kann hier die vollstandige Abwesenheit des Wallisergletschers nicht ausgeschlossen werden und moglicherweise war er sogar essenziell, um einen See in der Gegend um Bern aufzustauen, in welchen der Aare- und der Saanegletscher ihr mitgefuhrtes Material schutteten. Letztlich zeichnen die hier prasentierten Ergebnisse, eine Kombination aus Provenienzanalyse und sedimentologischen Daten, ein Bild des Sedimenttransportes in den hier untersuchten ubertieften Trog wahrend des MIS 8 Glazials, und den deutlichen Unterschied zur Gletscherverbreitung wahrend des LGM.