Efeitos multiescala da castanha-do-pará em sedimentos bioturbados

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 11450 (2022) Citar este artigo

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A segregação de tamanho em materiais granulares é um fenômeno universal popularmente conhecido como efeito castanha do Brasil (BNE), da tendência de nozes maiores terminarem no topo de um recipiente agitado. Na natureza, fluxos granulares rápidos apresentam muitas semelhanças com processos de mistura bem estudados. Em vez disso, fenômenos muito mais lentos, como o acúmulo de nódulos de ferromanganês (FN) no fundo do mar, foram atribuídos ao BNE, mas permanecem essencialmente inexplicados. Aqui nós documentamos, pela primeira vez, o BNE em partículas sub-milimétricas em sedimentos pelágicos e propomos um modelo de segregação de tamanho para a camada superficial mista de sedimentos bioturbados. Nosso modelo explica a distribuição de tamanho das sementes de FN, apontando para um mecanismo de segregação uniforme em tamanhos que variam de < 1 mm a > 1 cm, que não depende da ingestão seletiva por organismos alimentares. Além de explicar a nucleação FN, nosso modelo tem implicações importantes para a datação de microfósseis e o mecanismo subjacente aos registros sedimentares do campo magnético da Terra.

Se um recipiente cheio de castanhas mistas for agitado, ocorre segregação de tamanho, com a castanha maior terminando no topo1,2. Esse fenômeno contra-intuitivo é conhecido como efeito castanha-do-brasil (BNE). O BNE aparece em processos que envolvem mistura granular ou fluxo3. Em termos simples, é causado pela capacidade de pequenas partículas de se infiltrarem em vazios que se desenvolvem preferencialmente sob partículas grandes quando a estrutura de bloqueio de materiais granulares é rompida durante a agitação ou cisalhamento1,4,5,6,7. Apesar da simplicidade desse princípio, o BNE depende de maneira surpreendentemente complexa de como a estrutura local de materiais granulares é rompida, a coesão do material e a densidade relativa dos constituintes8.

O BNE ocorre também em processos de transporte geológico: por exemplo, os leitos dos rios são estabilizados pelo acúmulo de superfície ou grandes seixos durante o transporte de fundo9. A dinâmica rápida em fluxos de massa geofísicos tem muitas semelhanças com processos de mistura granular industrial bem estudados10,11. Fenômenos muito mais lentos, como o levantamento natural de artefatos arqueológicos enterrados12, a migração de detritos grosseiros para a superfície do sedimento13 e o acúmulo de nódulos de ferromanganês (FN) no fundo do mar14, permanecem essencialmente inexplicados, apesar de terem sido atribuídos a uma forma de bioturbação BNE dirigida, na qual organismos escavadores empurram para o lado partículas que são grandes demais para serem ingeridas13. A extrema lentidão dessa máquina de 'bombeamento biológico' impede uma observação direta do BNE, de modo que sua existência é geralmente inferida pela exclusão de explicações alternativas, como é o caso da relativa escassez de FN15,16,17 enterrados. Enquanto os núcleos FN18 são grandes o suficiente para permanecer na superfície do sedimento e crescer, ficamos com a questão de saber se objetos do tamanho de microfósseis também seriam afetados pelo BNE. Esta é uma questão importante para a datação por radiocarbono, uma vez que um deslocamento para cima os tornaria mais velhos do que o sedimento circundante, como às vezes observado19,20, ao contrário do deslocamento de idade negativo causado pela dissolução preferencial de conchas mais fracas, conhecido como efeito Barker21.

Aqui documentamos, pela primeira vez, a ocorrência de BNE em fragmentos submilimétricos de microtectita (Fig. 1) que foram depositados ~ 788 ka ago22 em um sedimento pelágico no Oceano Índico. Como este foi um evento instantâneo na escala de tempo geológica, distribuições de profundidade distintas para diferentes classes de tamanho de microtektita representam a resposta ao impulso gerada pela ação combinada de mistura de sedimentos e segregação de tamanho na camada mista superficial (SML). As respostas de impulso observadas foram modeladas com um mecanismo de segregação de tamanho baseado no BNE induzido por cisalhamento. Nosso modelo prevê o tamanho mínimo correto dos núcleos de FM e as compensações de idade dos microfósseis necessárias para reconciliar as discrepâncias observadas.