Многомасштабные эффекты бразильского ореха в биотурбированных отложениях

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 11450 (2022) Цитировать эту статью

916 Доступов

2 цитаты

16 Альтметрика

Подробности о метриках

Расслоение гранулированных материалов по размеру — это универсальное явление, широко известное как эффект бразильского ореха (BNE), возникающее из-за тенденции более крупных орехов оседать на поверхности встряхиваемого контейнера. В природе быстрые гранулированные потоки имеют много общего с хорошо изученными процессами смешивания. Вместо этого BNE приписывают гораздо более медленные явления, такие как накопление железомарганцевых конкреций (FN) на морском дне, но они остаются по существу необъяснимыми. Здесь мы впервые документируем BNE на субмиллиметровых частицах в пелагических отложениях и предлагаем модель сегрегации по размерам для поверхностного смешанного слоя биотурбированных отложений. Наша модель объясняет распределение семян FN по размерам, указывая на единый механизм сегрегации по размерам от <1 мм до >1 см, который не зависит от избирательного поглощения питающимися организмами. Помимо объяснения зарождения FN, наша модель имеет важные последствия для датирования микрофоссилий и механизма, лежащего в основе осадочных записей магнитного поля Земли.

Если встряхнуть контейнер, наполненный смесью орехов, произойдет разделение по размеру: более крупные бразильские орехи окажутся сверху1,2. Это противоречивое явление известно как эффект бразильского ореха (BNE). BNE появляется в процессах, связанных с смешиванием гранул или потоком3. Проще говоря, это вызвано способностью мелких частиц проникать в пустоты, которые образуются преимущественно под крупными частицами, когда взаимосвязанная структура гранулированных материалов нарушается во время встряхивания или сдвига1,4,5,6,7. Несмотря на простоту этого принципа, БНЭ удивительно сложным образом зависит от того, как нарушается локальная структура гранулированных материалов, сцепление материала и относительная плотность составляющих8.

BNE также происходит в процессах геологического переноса: например, русла рек стабилизируются за счет поверхностных накоплений или крупной гальки во время переноса донных наносов9. Быстрая динамика геофизических массовых потоков имеет много общего с хорошо изученными промышленными процессами смешивания гранул10,11. Гораздо более медленные явления, такие как естественный подъем погребенных археологических артефактов12, миграция крупных обломков на поверхность отложений13 и накопление железомарганцевых конкреций (ФН) на морском дне14, остаются по существу необъяснимыми, несмотря на то, что их приписывают одной из форм биотурбации. - управляемый BNE, при котором роющие организмы отталкивают частицы, которые слишком велики для проглатывания13. Чрезвычайная медлительность этой «биологической насосной» машины препятствует прямому наблюдению за BNE, так что о его существовании обычно делают вывод, исключая альтернативные объяснения, как это происходит в случае относительной нехватки захороненных FN15,16,17. Хотя ядра FN18 достаточно велики, чтобы оставаться на поверхности отложений и расти, у нас остается вопрос, будут ли объекты размером с микроокаменелости также подвергаться воздействию BNE. Это важная проблема для радиоуглеродного датирования, поскольку смещение вверх сделает их старше окружающих отложений, что действительно иногда наблюдается19,20, в отличие от отрицательного смещения возраста, вызванного преимущественным растворением более слабых раковин, известного как эффект Баркера21.

Здесь мы впервые документируем появление BNE на субмиллиметровых фрагментах микротектита (рис. 1), которые отложились ~ 788 тыс. лет назад22 в пелагических осадках Индийского океана. Поскольку это было мгновенное событие в геологическом масштабе времени, четкое распределение глубин для разных классов размеров микротектитов представляет собой импульсный отклик, генерируемый совместным действием смешивания отложений и сегрегации по размерам в поверхностном перемешанном слое (SML). Наблюдаемые импульсные характеристики были смоделированы с помощью механизма сегрегации по размеру, основанного на сдвиго-индуцированном BNE. Наша модель предсказывает правильный минимальный размер ядер FM и возрастные сдвиги микрофоссилий, необходимые для согласования наблюдаемых несоответствий.

L\) using the age model of the sediment (Fig. 2d). The microscopic equivalent to the impulse response is a Wiener process with constant drift, starting at \(\left(t,z\right)=(\mathrm{0,0})\) and ending at \(\left(t,z\right)=({t}_{L},L)\), where \({t}_{L}\) is the transit (or escape) time28 with probability density function \(\mathcal{I}\left(t\right)\). The age T of particles found at depth \(z>L\) is a stochastic variable related to \({t}_{L}\) by \(T={t}_{L}+{t}_{\mathrm{b}}\), where \({t}_{\mathrm{b}}\) is the burial time from the bottom of the SML derived from the age model. The stochasticity of T is an important factor affecting single specimen dating29./p>{v}_{\mathrm{b}}\), yielding a higher \({v}_{\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}}\) threshold that depends on the inverse Péclet number \(G={D}_{\text{s}}/L{v}_{\mathrm{b}}\) of the bulk sediment, where \({D}_{\mathrm{s}}\) is the bulk diffusion coefficient. In all cases, \(\mathcal{I}\left(t\right)\) becomes dramatically skewed as the threshold is approached, converging to a uniform distribution over t > 0. This means that size segregation tends to redistribute large particles above the stratigraphic depth corresponding to their deposition age. The grain size dependence of \(\mathcal{I}\left(t\right)\) has obvious consequences for dating. While G affects the skewness of \(\mathcal{I}\left(t\right)\), and thus the stratigraphic age of individual particles, but not the mean age26—since \(\langle {t}_{L}\rangle =L/{v}_{\mathrm{b}}\) for \({v}_{\mathrm{t}}=0\)—size segregation increases the apparent age of larger particles with respect to the bulk, individually and on average, until a meaningful stratigraphic relation is lost./p> 99.4% confidence level (Table 1). Estimates of \({D}_{\mathrm{s}}\) and L are comprised within the typical ranges obtained from radioactive tracers for similar sediments50. The power-law exponent q ≈ 0.25 for the size dependence of \({D}_{\mathrm{s}}\) (Table 1) is smaller than the value obtained by Wheatcroft44 for 10–300 µm glass beads, possibly because most microtektites are too large to be ingested./p>

1 mm particles tend to remain on the sediment surface for long times, serving as seeds for the growth of FN under favourable conditions. In the latter case, continuous growth further decreases the burial probability, explaining the scarcity of buried nodules. A single empirical model for the size dependence of segregation velocity and diffusivity, derived from experiments on granular mixing, explains our microtektite counting results and correctly predicts the minimum size of FN seeds, despite the > 10 orders of magnitude difference between bioturbation and laboratory time scales. Plastic deformation of sediment associated with burrowing is the most likely BNE driving mechanism./p>

Блог