Efectos multiescala de la nuez de Brasil en sedimentos bioturbados

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 11450 (2022) Citar este artículo

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La segregación de tamaño en materiales granulares es un fenómeno universal conocido popularmente como el efecto de la nuez de Brasil (BNE), debido a la tendencia de las nueces más grandes a terminar en la parte superior de un recipiente agitado. En la naturaleza, los flujos granulares rápidos tienen muchas similitudes con procesos de mezcla bien estudiados. En cambio, fenómenos mucho más lentos, como la acumulación de nódulos de ferromanganeso (FN) en el lecho marino, se han atribuido a la BNE, pero permanecen esencialmente sin explicación. Aquí documentamos, por primera vez, la BNE sobre partículas submilimétricas en sedimentos pelágicos y proponemos un modelo de segregación por tamaños para la capa mixta superficial de sedimentos bioturbados. Nuestro modelo explica la distribución de tamaño de las semillas FN, apuntando a un mecanismo de segregación uniforme en tamaños que van desde < 1 mm a > 1 cm, que no depende de la ingestión selectiva por parte de los organismos que se alimentan. Además de explicar la nucleación FN, nuestro modelo tiene implicaciones importantes para la datación de microfósiles y el mecanismo subyacente a los registros sedimentarios del campo magnético terrestre.

Si se agita un recipiente lleno de nueces mixtas, se produce una segregación de tamaños y las nueces de Brasil más grandes terminan en la parte superior1,2. Este fenómeno contraintuitivo se conoce como el efecto de la nuez de Brasil (BNE). La BNE aparece en procesos de mezcla granular o flujo3. En términos simples, es causado por la capacidad de las partículas pequeñas para infiltrarse en los vacíos que se desarrollan preferentemente debajo de las partículas grandes cuando la estructura entrelazada de los materiales granulares se interrumpe durante la agitación o el cizallamiento1,4,5,6,7. A pesar de la simplicidad de este principio, la BNE depende de una manera sorprendentemente compleja de cómo se rompe la estructura local de los materiales granulares, la cohesión del material y la densidad relativa de los constituyentes8.

El BNE ocurre también en los procesos de transporte geológico: por ejemplo, los lechos de los ríos se estabilizan por la acumulación en la superficie o por grandes guijarros durante el transporte del cargamento9. La dinámica rápida en los flujos de masa geofísicos tiene muchas similitudes con los procesos de mezcla granular industriales bien estudiados10,11. Fenómenos mucho más lentos, como el levantamiento natural de artefactos arqueológicos enterrados12, la migración de escombros gruesos a la superficie del sedimento13 y la acumulación de nódulos de ferromanganeso (FN) en el lecho marino14, permanecen esencialmente sin explicación, a pesar de haber sido atribuidos a una forma de bioturbación. -BNE impulsada, en la que los organismos excavadores empujan a un lado las partículas que son demasiado grandes para ser ingeridas13. La extrema lentitud de esta máquina de 'bombeo biológico' impide una observación directa de la BNE, por lo que su existencia suele inferirse por exclusión de explicaciones alternativas, como es el caso de la relativa escasez de FN enterrados15,16,17. Si bien los núcleos FN18 son lo suficientemente grandes como para permanecer en la superficie del sedimento y crecer, nos queda la pregunta de si los objetos del tamaño de microfósiles también se verían afectados por el BNE. Este es un tema importante para la datación por radiocarbono, ya que un desplazamiento hacia arriba los haría más antiguos que el sedimento circundante, como de hecho se observa a veces19,20, al contrario del desplazamiento de edad negativo causado por la disolución preferencial de las capas más débiles, conocido como el efecto Barker21.

Aquí documentamos, por primera vez, la ocurrencia de BNE en fragmentos de microtectitas submilimétricas (Fig. 1) que se depositaron hace ~ 788 ka22 en un sedimento pelágico en el Océano Índico. Debido a que este fue un evento instantáneo en la escala de tiempo geológica, distintas distribuciones de profundidad para diferentes clases de tamaño de microtektitas representan la respuesta de impulso generada por la acción combinada de la mezcla de sedimentos y la segregación de tamaño en la capa mixta superficial (SML). Las respuestas de impulso observadas se han modelado con un mecanismo de segregación de tamaño basado en el BNE inducido por cizalla. Nuestro modelo predice el tamaño mínimo correcto de los núcleos de FM y las compensaciones de edad de los microfósiles necesarias para reconciliar las discrepancias observadas.

Ejemplos de fragmentos de microtectitas encontrados en el núcleo MD90-0961 del Océano Índico.

La mezcla de sedimentos en el SML es causada por la bioturbación (Fig. 2a). La mezcla se representa matemáticamente mediante un proceso estocástico en el que las partículas de sedimento individuales realizan una caminata aleatoria sesgada23, hasta que alcanzan el fondo de la SML, donde cesa la acción aleatoria de la bioturbación (Fig. 2b). En el caso de caminatas aleatorias con tiempo de espera finito y distribuciones de longitud de salto23, la concentración C de un trazador conservativo (en nuestro caso, microtectitas) dentro de un SML donde cada elemento de volumen sufre suficientes (es decir, ~ 25) eventos de bioturbación24 antes de ser enterrado definitivamente, se rige por una versión simplificada de la ecuación de difusión-advección obtenida despreciando el gradiente de porosidad25,26:

donde t y z son el tiempo y la profundidad por debajo de la interfase sedimento-agua, respectivamente, \({D}_{\mathrm{t}}\) es el coeficiente de difusión de las partículas trazadoras, \({v}_{ \mathrm{b}}\) la velocidad de enterramiento a granel, y \({v}_{\mathrm{t}}\) una velocidad ascendente adicional de las partículas trazadoras, debido, por ejemplo, a la bioadvección o la segregación por tamaño (Fig. 2c). La condición límite superior \(\left({v}_{\mathrm{b}}-{v}_{\mathrm{t}}\right)C-{D}_{\mathrm{t}}{\ parcial }_{z}C={F}_{\mathrm{t}}/{\varphi }_{\mathrm{s}}{\rho }_{\mathrm{s}}\) en z = 0 , donde \({\varphi }_{\mathrm{s}}\) es la fracción de volumen de los sólidos y \({\rho }_{\mathrm{s}}\) su densidad, está controlada por el trazador entrante flujo \({F}_{\mathrm{t}}\). Entonces, un evento de entrada de microtektita se describe mediante \({F}_{\mathrm{t}}={\Phi }_{\mathrm{t}}\delta (t)\) donde \(\delta (t)\ ) es el impulso de Dirac, y \({\Phi }_{\mathrm{t}}\) la fluencia de microtectitas.

Transporte de partículas dentro del SML. (a) Excavación y reelaboración por organismos bentónicos. (b) Las partículas individuales (p. ej., un fragmento de microtectita) realizan un recorrido aleatorio sesgado a partir de la superficie del sedimento, hasta que cesan las perturbaciones por debajo del SML. (c) Bajo ciertas condiciones, la caminata aleatoria en (b) se rige por una ecuación de difusión-advección, donde la velocidad de advección es la suma de las velocidades de enterramiento, bioadvección y segregación por tamaño. (d) Concentración C dependiente de la profundidad de partículas trazadoras que son lo suficientemente pequeñas como para enterrarse (p. ej., fragmentos de microtectita, línea continua) y de nódulos de ferromanganeso lo suficientemente grandes como para permanecer indefinidamente en la parte superior o en la SML (línea discontinua). La curva debajo de la SML indica la distribución de microtektitas dentro de la capa histórica resultante de un proceso de deposición instantánea.

La intensidad de la bioturbación disminuye con la profundidad, por lo que \({D}_{\mathrm{t}}\) y \({v}_{\mathrm{t}}\) son funciones desconocidas de z. En la práctica, diferentes modelos de difusión dependientes de la profundidad producen ajustes similares a los datos experimentales25,27, lo que significa que la SML se puede representar mediante una capa homogénea equivalente con espesor L y constante \({D}_{\mathrm{t}}\ ), \({v}_{\mathrm{b}}\) y \({v}_{\mathrm{t}}\). Solución de la Ec. (1) con \(C\left(0,z\right)=\delta (z)\) produce la respuesta de impulso \(\mathcal{I}\left(t\right)=C(t,L)\ ) del sistema, que se puede convertir a un perfil de concentración dependiente de la profundidad sobre \(z>L\) usando el modelo de edad del sedimento (Fig. 2d). El equivalente microscópico de la respuesta al impulso es un proceso de Wiener con deriva constante, que comienza en \(\left(t,z\right)=(\mathrm{0,0})\) y termina en \(\left(t, z\right)=({t}_{L},L)\), donde \({t}_{L}\) es el tiempo de tránsito (o escape)28 con función de densidad de probabilidad \(\mathcal{I} \izquierda(t\derecha)\). La edad T de las partículas encontradas en la profundidad \(z>L\) es una variable estocástica relacionada con \({t}_{L}\) por \(T={t}_{L}+{t}_{ \mathrm{b}}\), donde \({t}_{\mathrm{b}}\) es el tiempo de entierro desde la parte inferior del SML derivado del modelo de edad. La estocasticidad de T es un factor importante que afecta la datación de un solo espécimen29.

Los ejemplos de solución (Fig. 3a) muestran cómo \({v}_{\mathrm{t}}\) aumenta el tiempo necesario para cruzar la SML, debido a la velocidad del trazador reducida o invertida \({v}_{\mathrm {b}}-{v}_{\mathrm{t}}\). El tiempo de tránsito medio \(\langle {t}_{L}\rangle\), definido como la expectativa de \(\mathcal{I}\left(t\right)\), diverge por encima de un crítico \({v }_{\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}}\) umbral (Fig. 3b). Este umbral está cerca de 1 cuando la advección es el mecanismo de transporte dominante de las partículas del trazador a través de la SML. La difusión asegura una probabilidad no despreciable de escapar de la SML incluso si \({v}_{\mathrm{t}}>{v}_{\mathrm{b}}\), lo que produce una mayor \({v}_ {\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}}\) umbral que depende del número de Péclet inverso \(G={D}_{\text{s}}/L{v}_ {\mathrm{b}}\) del sedimento a granel, donde \({D}_{\mathrm{s}}\) es el coeficiente de difusión a granel. En todos los casos, \(\mathcal{I}\left(t\right)\) se desvía drásticamente a medida que se acerca al umbral, convergiendo a una distribución uniforme sobre t > 0. Esto significa que la segregación por tamaño tiende a redistribuir las partículas grandes por encima de la profundidad estratigráfica correspondiente a su edad de depósito. La dependencia del tamaño de grano de \(\mathcal{I}\left(t\right)\) tiene consecuencias obvias para la datación. Mientras que G afecta la asimetría de \(\mathcal{I}\left(t\right)\), y por lo tanto la edad estratigráfica de las partículas individuales, pero no la edad media26, ya que \(\langle {t}_{L} \rangle =L/{v}_{\mathrm{b}}\) para \({v}_{\mathrm{t}}=0\)—la segregación por tamaño aumenta la edad aparente de las partículas más grandes con respecto a la a granel, individualmente y en promedio, hasta que se pierde una relación estratigráfica significativa.

Efecto de la advección sobre la distribución y edad de las partículas de sedimentos. (a) Respuesta de impulso modelada de partículas trazadoras, siendo \({t}_{0}=L/{v}_{\mathrm{b}}\) el tiempo medio de tránsito de partículas regulares de sedimento a través del SML, para proporciones seleccionadas entre la velocidad de segregación del trazador \({v}_{\mathrm{t}}\) y la velocidad de enterramiento \({v}_{\mathrm{b}}\). (b) Mejora del tiempo de tránsito en función de \({v}_{\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}}\) para valores seleccionados del número de Péclet inverso \({G} _ {\mathrm{s}}\) del sedimento a granel.

La concentración esperada de microtectitas que pertenecen a un intervalo de tamaño dado \([{s}_{1},{s}_{2}]\) se rige por la función del modelo

donde \({g}_{\mathrm{t}}\) es la distribución empírica del tamaño de grano determinada a partir de los recuentos de microtectitas en todas las profundidades (Figura complementaria S1), \({z}_{0}\) la profundidad en el sedimento correspondiente al tiempo del evento de deposición, y \(\mathcal{I}\) la respuesta de impulso obtenida de la solución de la ecuación. (1). Mientras que \({v}_{\mathrm{b}}\) se deriva del modelo de edad del núcleo de sedimento, \({\Phi }_{\mathrm{t}}\), \({D}_ {\mathrm{t}}\), \(L\) y \({v}_{\mathrm{t}}\) deben determinarse ajustando perfiles de microtectitas para diferentes clases de tamaño. Debido a que los modelos convencionales de difusión-advección basados ​​en \({v}_{\mathrm{t}}=0\) proporcionan buenos ajustes de perfiles estables de concentración de trazadores30, las estimaciones de parámetros obtenidas con la ecuación. (2) no puede ser completamente significativo, por lo que se deben aplicar restricciones adicionales a las dependencias de tamaño de \({D}_{\mathrm{t}}\) y \({v}_{\mathrm{t}} \).

La segregación de partículas grandes en el SML puede ser impulsada directamente por la BNE o indirectamente por el lecho de grado biogénico resultante del transporte selectivo de partículas más finas a través de la ingestión31,32,33, revestimiento de madrigueras34, rellenos35 y resuspensión36. Si bien se ha observado estratificación graduada en sedimentos dominados por organismos bentónicos individuales, no es una característica típica de los sedimentos depositados regularmente37,38. Además, no se espera que la segregación de tamaño resultante del lecho graduado dependa del tamaño de partícula por encima de la dimensión máxima de las partículas ingeribles, mientras que, como se muestra más adelante, se requiere esta dependencia para explicar la formación de FN. La deformación plástica del sedimento alrededor de los organismos bentónicos excavadores39,40 es un posible mecanismo impulsor de la BNE, porque el campo de deformación incluye un gradiente vertical de desplazamiento horizontal alrededor de las puntas de las madrigueras, que es análogo al corte horizontal utilizado en muchos experimentos de BNE6,41. En este caso, tanto la difusividad como la velocidad de segregación son proporcionales a la velocidad de corte6,42. La segregación por tamaño también podría estar impulsada por la formación de burbujas inducida por microbios en sedimentos ricos en materia orgánica43.

Los experimentos con perlas de vidrio clasificadas44, que comparten con las microtectitas la falta de ingestión preferencial por parte del organismo que se alimenta31, indican que la dependencia del tamaño de la difusividad del trazador se rige por una ley de potencia de la forma \({D}_{\mathrm{t}}\ propto {s}^{-q}\) con q ≈ 0.52. La filtración de partículas más pequeñas a través de medios aleatorios también muestra una dependencia de ley de potencia en el tamaño de partícula45. En consecuencia, asumimos que la difusión de partículas trazadoras grandes con tamaño \(s\) en un sedimento con tamaño de grano medio \({s}_{0}\) está dada por \({D}_{\mathrm{t }}={{D}_{\mathrm{s}}(s/{s}_{0})}^{-q}\). Los experimentos de mezcla granular muestran que la velocidad de advección de los granos grandes es proporcional a \(s/{s}_{0}-{\psi }_{\mathrm{c}}\), donde \({\psi }_{ \mathrm{c}}\approx\) 2.8 es un umbral de relación de tamaño crítico en mezclas binarias4,8. Por lo tanto, modelamos la velocidad de segregación como \({v}_{\mathrm{t}}=(s/{s}_{0}-{\psi }_{\mathrm{c}}){\beta } _{0}{D}_{\mathrm{s}}\), siendo \({\beta }_{0}\) un coeficiente desconocido que expresa la eficiencia de segregación de la bioturbación. La mayoría de los estudios de mezcla granular se han realizado con partículas sin cohesión, que son un pobre análogo del sedimento de grano fino. Los experimentos con granos húmedos muestran que la cohesión tiende a reducir la segregación por tamaño46, siempre que se evite la formación de grumos, aunque este efecto es mucho menos pronunciado en el caso de partículas no esféricas47. Las fuerzas cohesivas tienden a suprimir la capacidad de las partículas pequeñas para infiltrarse en los vacíos, ya que no pueden caer libremente. Sin embargo, el efecto de sesgo de la gravedad, que es la principal causa de la segregación por tamaño, no cesa. Se ha observado un efecto similar para el torque experimentado por las partículas magnéticas en un sedimento bioturbado cohesivo, en presencia de un campo magnético débil48,49. En este caso, se encontró que la alineación magnética resultante era proporcional a la relación entre el par magnético y los pares que resisten la rotación de las partículas. Con estas consideraciones en mente, los efectos de la cohesión de los sedimentos se explican completamente por \({\beta }_{0}\).

Se usó un modelo de regresión de Poisson para ajustar los recuentos de microtektitas (Fig. 4) para tres clases de tamaño, usando los modelos anteriores para \({D}_{\mathrm{t}}(s)\) y \({v} _ {\mathrm{t}}(s)\). Los residuos del modelo son generalmente compatibles con las incertidumbres de conteo estimadas con bootstrapping, con algunas excepciones que podrían explicarse por la heterogeneidad de los sedimentos. Los parámetros de segregación por tamaño \({\beta }_{0}\) y q son significativamente diferentes de cero con un nivel de confianza > 99,4 % (Tabla 1). Las estimaciones de \({D}_{\mathrm{s}}\) y L están comprendidas dentro de los rangos típicos obtenidos de trazadores radiactivos para sedimentos similares50. El exponente de la ley de potencia q ≈ 0,25 para la dependencia del tamaño de \({D}_{\mathrm{s}}\) (Tabla 1) es menor que el valor obtenido por Wheatcroft44 para perlas de vidrio de 10–300 µm, posiblemente porque la mayoría de las microtectitas son demasiado grandes para ser ingeridas.

Ajustes de distribución de microtectitas. ( a ) Concentración de tres clases de tamaño de microtectitas en el núcleo MD90-0961 (puntos) y ajuste de Poisson con la ecuación. (2) (líneas sólidas). Las líneas discontinuas representan la respuesta al impulso (reescalada al mismo valor máximo de los ajustes) para partículas de sedimento de tamaño promedio, según lo predicho por el mismo modelo. Observe el desplazamiento de las microtectitas grandes con respecto a la respuesta de impulso. (b) Residuales del modelo correspondientes a los ajustes en (a) (puntos) e intervalos de confianza del 90% obtenidos de una simulación de arranque de recuentos de microtectitas (barras de error).

Los perfiles de tectitas ilustran cómo la segregación por tamaño compensa la distribución de edad de los objetos enterrados (líneas continuas en la Fig. 4a), en relación con la de las partículas de sedimento regulares (líneas discontinuas en la Fig. 4a). Las compensaciones de edad promedio pronosticadas para las tres clases de tamaño de la Fig. 4 (~ 0,16 ka para 0,05 a 0,2 mm, ~ 0,87 ka para 0,2 a 0,45 mm y ~ 2,9 ka para 0,45 a 0,9 mm) son comparables con las compensaciones positivas máximas reportado para edades de radiocarbono20,21. El papel de la segregación por tamaño en la generación de compensaciones de edad positivas aumenta con el número de Péclet, produciendo un efecto 'desbocado' cuando la velocidad neta de enterramiento \({v}_{\mathrm{b}}-{v}_{\mathrm {t}}\) en el SML desaparece (Fig. 3). Por esta razón, se espera que los sedimentos con bajas tasas de deposición sean particularmente propensos a las compensaciones de edad causadas por la segregación por tamaño. Por ejemplo, disminuir \({v}_{\mathrm{b}}\) a 1,5 cm/kyr para un sedimento con las mismas propiedades que MD90-0961 aumentaría la compensación de edad de un objeto de 0,5 mm de ~ 0,73 a ~ 10 Kir. Las grandes compensaciones positivas causadas por la BNE pueden explicar las diferencias de edad de los foraminíferos que no pueden surgir solo de la disolución selectiva21,51,52. Por otro lado, la segregación por tamaño es menos sensible a los cambios del coeficiente de difusión: por ejemplo, duplicar \({D}_{\mathrm{s}}\) aumenta la compensación de edad del objeto de 0,5 mm del ejemplo anterior a ~ 1,7 kyr, porque el aumento resultante de \({v}_{\mathrm{t}}\) se compensa parcialmente con una disminución de Pe.

En el caso de un flujo estacionario de partículas trazadoras grandes, el BNE produce un gradiente de concentración dentro del SML con una dependencia similar de \({v}_{\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}} \) como \(\langle {t}_{L}\rangle\) (Figura complementaria S2): esto se debe a que la conservación del flujo del trazador vertical requiere una disminución de la velocidad de enterramiento neta para ser compensada por una concentración más alta. Por lo tanto, la interpretación de las variaciones de concentración de foraminíferos dentro del SML podría estar sesgada por la BNE. Por ejemplo, la concentración de pruebas de G. bulloides en sedimentos del margen de Omán53,54, que se han utilizado para reconstruir el monzón de verano de la India durante los últimos ~ 2000 años, podría aumentar entre un 9 y un 40 % en los ~ 6 cm superiores, si se asumen los mismos parámetros de segregación de la Tabla 1 junto con datos de bioturbación representativos de la zona mínima de oxígeno en el noroeste del Mar Arábigo (es decir, \({D}_{\mathrm{s}}\approx\) 150 cm2/kyr, L ≈ 6 cm, y \({v}_{\mathrm{b}}=\) 3–20 cm/kyr54,55).

La segregación por tamaño a escalas submilimétricas tiene importantes implicaciones paleomagnéticas porque requiere una reorganización de la microestructura del sedimento asimilable a un proceso verdaderamente difusivo, que provoca una reorientación de los portadores magnéticos. Si bien el transporte no local en el SML apenas se distingue de la verdadera difusión23, los dos procesos afectan los registros sedimentarios del campo magnético terrestre de una manera drásticamente diferente. El transporte de cinta transportadora ascendente elimina el material en profundidad y lo vuelve a depositar en la superficie del sedimento, donde se adquiere la llamada magnetización remanente detrítico (DRM) mediante la alineación parcial de partículas suspendidas en el campo magnético. El sedimento enterrado, que no se ve afectado por la bioturbación en este modelo, tendría una DRM intacta coetánea con la edad de depósito56. La disrupción local de la estructura del sedimento, por otro lado, borra el DRM existente y lo reemplaza con una magnetización post-deposicional (PDRM) más joven que la edad de depósito. Los modelos PDRM convencionales asumen que esta magnetización se adquiere por debajo del SML durante la diagénesis temprana57; sin embargo, los experimentos de laboratorio han demostrado que la adquisición de PDRM puede ser impulsada por la bioturbación a través del componente rotacional de la difusión48,49. La mezcla difusiva de sedimentos introduce un retraso del orden de \(L/{v}_{\text{b}}\) en los registros magnetoestratigráficos no afectados por la diagénesis. Este retraso es compatible con las compensaciones observadas entre el mineral magnético y los registros de 10Be de la inversión del campo Matuyama-Brunhes58, si se utilizan estimaciones apropiadas de L para sedimentos marinos50.

Si la nucleación de FN y la segregación de microtectitas tienen el mismo origen, los parámetros de segregación estimados a partir de perfiles de microtectitas se pueden utilizar para predecir el tamaño mínimo de los núcleos de FN, que es de 1 a 5 mm18. Un modelo de crecimiento simple asume que el tamaño \(s\left(T\right)={s}_{\mathrm{n}}+\gamma T\) de un FN de edad \(T\) aumenta linealmente en el tiempo desde el tamaño inicial del núcleo \({s}_{\mathrm{n}}\) a una tasa de crecimiento constante \(\gamma \approx\) 1–5 mm/Myr59. En el caso de un flujo estacionario \({F}_{0}\) de semillas con distribución de tamaño de grano inicial \({n}_{0}(s)\), la distribución de tamaño \(n(s)\) de semillas en crecimiento en la interfase sedimento-agua está dada por

donde \(r(s)\) es la relación entre las concentraciones del trazador en z = L y z = 0, respectivamente, obtenidas a partir de la solución de estado estacionario de la ecuación. (1). Soluciones de la Ec. (3) con los parámetros de segregación por tamaño de la Tabla 1 y las propiedades SML típicas de los campos FN a una profundidad de agua de ~ 4000 m50,60, prediga tamaños mínimos de semilla de ~ 2–3 mm (Fig. 5), que son comparables con los observados18 . En estas condiciones, un aumento de \({v}_{\mathrm{b}}\) de 0,5 a 0,8 cm/kyr, una disminución de \({D}_{\mathrm{s}}\) de 22 a 8 cm2/kyr, o una disminución de \({\beta }_{0}\) de 0,075 a 0,064 m−1 son suficientes para suprimir el crecimiento de semillas de ~ 2,3 mm, lo que confirma que un grado mínimo de bioturbación y un una tasa de sedimentación suficientemente pequeña son condiciones físicas necesarias para el crecimiento de FN17. Finalmente, para reducir la probabilidad de hundimiento de núcleos FN en crecimiento para que puedan crecer varios cm (línea discontinua en la Fig. 5). Esto demuestra que la BNE mantiene los FN en la superficie del sedimento, en lugar de otros mecanismos como la eliminación selectiva de sedimentos de grano fino por las corrientes de fondo17.

Distribución en estado estacionario de semillas de nódulos de ferromanganeso en crecimiento predicha por la ecuación. (3) con parámetros de segregación de tamaño de ajustes de microtektita del núcleo MD90-0961 (Tabla 1), una tasa de crecimiento de nódulos de 5 mm/Myr, y L = 6 cm, \({D}_{\mathrm{s}}\ ) = 22 cm2/kyr y \({v}_{\mathrm{b}}\) = 0,5 cm/kyr como propiedades SML representativas a una profundidad de agua de ~ 4000 m. Los resultados se muestran para distribuciones de tamaño lognormal de semillas depositadas (líneas sólidas) con σ = 0,1 y tres valores de µ (números en mm). La línea discontinua representa el caso de µ = 2,3 mm cuando el aumento lineal de \({v}_{\mathrm{t}}(s)\) se detiene en s = 4 mm.

Reportamos, por primera vez, la segregación de tamaño de fragmentos de microtektitas de 0.05–0.9 mm en un sedimento pelágico del Océano Índico. La distribución de profundidad de estos fragmentos puede explicarse por un BNE impulsado por bioturbación en el SML. Como resultado, las partículas grandes experimentan una velocidad de segregación \({v}_{\mathrm{t}}\) dirigida hacia arriba en relación con el sedimento a granel, que aumenta linealmente con el tamaño de las partículas. Por encima de un umbral de tamaño dependiente del sedimento (p. ej., ~ 1 mm en el núcleo MD90-0961), \({v}_{\mathrm{t}}\) excede la velocidad de enterramiento, y la probabilidad de enterramiento por debajo del SML se vuelve pequeña . Esto tiene dos consecuencias importantes: (1) los objetos enterrados que son mucho más grandes que el tamaño de grano medio del sedimento, como los microfósiles, son significativamente más antiguos que su edad estratigráfica y tienden a perder cualquier relación con la estratigrafía para tamaños por encima de \({v }_{\mathrm{t}}={v}_{\mathrm{b}}\) umbral, y (2) partículas > 1 mm tienden a permanecer en la superficie del sedimento por mucho tiempo, sirviendo como semillas para el crecimiento de FN en condiciones favorables. En este último caso, el crecimiento continuo disminuye aún más la probabilidad de enterramiento, lo que explica la escasez de nódulos enterrados. Un único modelo empírico para la dependencia del tamaño de la velocidad de segregación y la difusividad, derivado de experimentos sobre mezcla granular, explica nuestros resultados de conteo de microtektitas y predice correctamente el tamaño mínimo de las semillas FN, a pesar de la diferencia de más de 10 órdenes de magnitud entre la bioturbación y las escalas de tiempo de laboratorio. . La deformación plástica del sedimento asociada con la excavación es el mecanismo impulsor de BNE más probable.

El BNE tiene implicaciones importantes para la comprensión fundamental de los fenómenos que dependen de la micromecánica de los sedimentos, como el crecimiento de FN y los registros paleomagnéticos, y para la interpretación de las edades y variaciones de concentración de los foraminíferos. Las grandes compensaciones de edad positivas causadas por la BNE pueden explicar las diferencias de edad de los foraminíferos que no pueden surgir solo de la disolución selectiva. Además, la BNE produce un gradiente de concentración dentro de la SML, que podría afectar a la interpretación de las variaciones climáticas recientes. El efecto de las propiedades físicas del sedimento, como la cohesión, en la segregación por tamaño debe investigarse para evaluar el papel que desempeña la BNE en la redistribución de partículas grandes en el sedimento, más allá del único ejemplo que se presenta aquí.

El núcleo MD90-0961 (5°03,71′ N, 73°52,57′ E) se recolectó durante el crucero de investigación SEYMAMA del R/V Marion Dufresne en 1990. El núcleo de 45 m de largo se recuperó en el margen oriental del Chagos- Maldive-Laccadive Ridge a una profundidad de agua de 2450 m y está compuesto de exudado de nanofósiles calcáreos con abundantes foraminíferos. Las concentraciones típicas de microtectitas ascienden a unos pocos recuentos por muestra (~ 3 g); por lo tanto, los recuentos de tres campañas de muestreo (Tablas complementarias S1, S2, S3) se han reunido en tres clases de tamaño con un total de 137, 287 y 49 recuentos, respectivamente (Tabla 2). Los detalles de preparación de sedimentos se dan en la Información complementaria.

La ecuación de difusión-advección no tiene una solución analítica simple en caso de segregación por tamaño. Se obtuvo una expansión en serie de \(\mathcal{I}\left(t\right)\) con el enfoque de solución de Guinasso y Schink26, teniendo en cuenta las condiciones de contorno modificadas (Métodos complementarios).

La importancia de los parámetros de segregación por tamaño \({\beta }_{0}\) y \(q\) se ha probado usando la relación \(\Lambda\) entre las probabilidades de la hipótesis nula \({H}_ {0}\) que no se produce segregación (\({\beta }_{0}\) = 0 o \({\beta }_{0}\) = q = 0), y del modelo completo \ ({H}_{1}\), suponiendo que los recuentos de microtectitas se rigen por las estadísticas de Poisson (métodos complementarios).

Todos los datos que respaldan nuestros hallazgos se proporcionan en las tablas complementarias.

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Este estudio fue apoyado por la subvención avanzada ERC 339899 "EDIFICE". Agradecemos a S. van de Velde por su revisión constructiva.

Tatiana Savranskaia

Dirección actual: Helmholtz Center Potsdam German Research Center for Geosciences GFZ, Telegrafenberg, 14473, Potsdam, Alemania

Instituto de Física del Globo de París, CNRS, Universidad de París, 75005, París, Francia

Tatiana Savranskaia, Ramón Egli y Jean-Pierre Valet

Instituto Central de Meteorología y Geodinámica (ZAMG), 1190, Viena, Austria

Ramón He

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TS, RE y J.-PV concibieron y planificaron los experimentos. TS y RE escribieron el borrador original. TS llevó a cabo la preparación de muestras y experimentos. RE diseñó el modelo matemático y realizó cálculos numéricos. J.-PV supervisó el proyecto. Todos los autores revisaron críticamente el manuscrito, aceptan ser totalmente responsables de garantizar la integridad y precisión del trabajo, y leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Tatiana Savranskaia o Ramon Egli.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Savranskaia, T., Egli, R. y Valet, JP. Efectos multiescala de la nuez de Brasil en sedimentos bioturbados. Informe científico 12, 11450 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14276-w

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Recibido: 03 Abril 2022

Aceptado: 03 junio 2022

Publicado: 06 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14276-w

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