Effetti multiscala della noce del Brasile nei sedimenti bioturbati

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11450 (2022) Citare questo articolo

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La segregazione dimensionale nei materiali granulari è un fenomeno universale popolarmente noto come effetto noce del Brasile (BNE), dovuto alla tendenza delle noci più grandi a finire sulla parte superiore di un contenitore scosso. In natura, i flussi granulari veloci presentano molte somiglianze con processi di miscelazione ben studiati. Al BNE sono stati invece attribuiti fenomeni molto più lenti, come l’accumulo di noduli di ferromanganese (FN) sul fondale marino, ma restano sostanzialmente inspiegati. Qui documentiamo, per la prima volta, il BNE sulle particelle sub-millimetriche nei sedimenti pelagici e proponiamo un modello di segregazione dimensionale per lo strato misto superficiale di sedimenti bioturbati. Il nostro modello spiega la distribuzione dimensionale dei semi FN, indicando un meccanismo di segregazione uniforme su dimensioni che vanno da < 1 mm a > 1 cm, che non dipende dall'ingestione selettiva da parte degli organismi che si nutrono. Oltre a spiegare la nucleazione della FN, il nostro modello ha importanti implicazioni per la datazione dei microfossili e il meccanismo alla base delle registrazioni sedimentarie del campo magnetico terrestre.

Se si agita un contenitore pieno di noci miste, si verifica una separazione dimensionale, con le noci del Brasile più grandi che finiscono in alto1,2. Questo fenomeno controintuitivo è noto come effetto noce del Brasile (BNE). Il BNE appare nei processi che coinvolgono la miscelazione granulare o il flusso3. In termini semplici, è causata dalla capacità delle piccole particelle di infiltrarsi nei vuoti che si sviluppano preferenzialmente sotto le particelle più grandi quando la struttura ad incastro dei materiali granulari viene interrotta durante lo scuotimento o il taglio1,4,5,6,7. Nonostante la semplicità di questo principio, il BNE dipende in modo sorprendentemente complesso da come viene disgregata la struttura locale dei materiali granulari, dalla coesione del materiale e dalla densità relativa dei costituenti8.

La BNE si verifica anche nei processi di trasporto geologico: ad esempio, i letti dei fiumi vengono stabilizzati dall'accumulo superficiale o da grandi ciottoli durante il trasporto del carico di fondo9. La dinamica veloce nei flussi di massa geofisici presenta molte somiglianze con i processi di miscelazione granulare industriale ben studiati10,11. Fenomeni molto più lenti, come il sollevamento naturale di reperti archeologici sepolti12, la migrazione di detriti grossolani sulla superficie dei sedimenti13 e l'accumulo di noduli di ferromanganese (FN) sul fondale marino14, rimangono sostanzialmente inspiegati, nonostante siano stati ascritti a una forma di bioturbazione BNE guidata, in cui gli organismi scavatori spingono da parte le particelle che sono troppo grandi per essere ingerite13. L'estrema lentezza di questa macchina di "pompaggio biologico" impedisce un'osservazione diretta del BNE, tanto che la sua esistenza viene solitamente dedotta escludendo spiegazioni alternative, come nel caso della relativa scarsità di FN15,16,17 sepolti. Mentre i nuclei FN18 sono abbastanza grandi da rimanere sulla superficie del sedimento e crescere, ci resta la domanda se anche oggetti delle dimensioni di microfossili sarebbero influenzati dal BNE. Questo è un problema importante per la datazione al radiocarbonio, poiché uno spostamento verso l'alto li renderebbe più vecchi del sedimento circostante, come talvolta osservato19,20, contrariamente allo spostamento negativo dell'età causato dalla dissoluzione preferenziale dei gusci più deboli, noto come effetto Barker21.

Qui documentiamo, per la prima volta, la presenza di BNE su frammenti di microtektite sub-millimetriche (Fig. 1) che sono stati depositati ~ 788 ka fa22 in un sedimento pelagico nell'Oceano Indiano. Poiché si è trattato di un evento istantaneo sulla scala temporale geologica, distribuzioni di profondità distinte per diverse classi di dimensioni della microtektite rappresentano la risposta all'impulso generata dall'azione combinata della miscelazione dei sedimenti e della segregazione dimensionale nello strato misto superficiale (SML). Le risposte all'impulso osservate sono state modellate con un meccanismo di segregazione dimensionale basato sul BNE indotto dal taglio. Il nostro modello prevede la dimensione minima corretta dei nuclei FM e gli offset dell'età dei microfossili necessari per conciliare le discrepanze osservate.