Effets multi-échelles de la noix du Brésil dans les sédiments bioturbés

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 11450 (2022) Citer cet article

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La ségrégation par taille dans les matériaux granulaires est un phénomène universel populairement connu sous le nom d'effet de la noix du Brésil (BNE), de la tendance des noix plus grosses à se terminer sur le dessus d'un récipient secoué. Dans la nature, les écoulements granulaires rapides présentent de nombreuses similitudes avec des processus de mélange bien étudiés. Au lieu de cela, des phénomènes beaucoup plus lents, tels que l'accumulation de nodules de ferromanganèse (FN) sur le fond marin, ont été attribués au BNE mais restent essentiellement inexpliqués. Ici, nous documentons, pour la première fois, le BNE sur les particules submillimétriques dans les sédiments pélagiques et proposons un modèle de ségrégation de taille pour la couche mixte de surface des sédiments bioturbés. Notre modèle explique la distribution en taille des graines de FN, indiquant un mécanisme de ségrégation uniforme sur des tailles allant de < 1 mm à > 1 cm, qui ne dépend pas de l'ingestion sélective par les organismes nourriciers. En plus d'expliquer la nucléation FN, notre modèle a des implications importantes pour la datation des microfossiles et le mécanisme sous-jacent aux enregistrements sédimentaires du champ magnétique terrestre.

Si un récipient rempli de noix mélangées est secoué, une ségrégation par taille se produit, les plus grosses noix du Brésil se terminant en haut1,2. Ce phénomène contre-intuitif est connu sous le nom d'effet noix du Brésil (BNE). Le BNE apparaît dans les procédés de mélange granulaire ou d'écoulement3. En termes simples, il est causé par la capacité des petites particules à s'infiltrer dans les vides qui se développent préférentiellement sous les grosses particules lorsque la structure imbriquée des matériaux granulaires est perturbée lors de l'agitation ou du cisaillement1,4,5,6,7. Malgré la simplicité de ce principe, le BNE dépend de manière étonnamment complexe de la manière dont la structure locale des matériaux granulaires est perturbée, de la cohésion du matériau et de la densité relative des constituants8.

Le BNE se produit également dans les processus de transport géologique : par exemple, les lits des rivières sont stabilisés par l'accumulation de surface ou de gros cailloux lors du transport de charriage9. La dynamique rapide des flux de masse géophysiques présente de nombreuses similitudes avec les processus de mélange granulaire industriel bien étudiés10,11. Des phénomènes beaucoup plus lents, tels que le soulèvement naturel d'artefacts archéologiques enfouis12, la migration de débris grossiers vers la surface des sédiments13 et l'accumulation de nodules de ferromanganèse (FN) sur le fond marin14, restent essentiellement inexpliqués, bien qu'ils aient été attribués à une forme de bioturbation -drived BNE, dans lequel les organismes fouisseurs repoussent les particules trop grosses pour être ingérées13. L'extrême lenteur de cette machine de « pompage biologique » empêche une observation directe de la BNE, de sorte que son existence est généralement déduite par exclusion d'explications alternatives, comme c'est le cas pour la rareté relative des FN enfouies15,16,17. Alors que les noyaux FN18 sont suffisamment gros pour rester à la surface des sédiments et se développer, il reste à se demander si des objets de la taille de microfossiles seraient également affectés par le BNE. Il s'agit d'un enjeu important pour la datation au radiocarbone, car un décalage vers le haut les rendrait plus vieux que les sédiments environnants, comme on l'observe d'ailleurs parfois19,20, contrairement au décalage d'âge négatif provoqué par la dissolution préférentielle des coquilles les plus faibles, connu sous le nom d'effet Barker21.

Ici, nous documentons, pour la première fois, la présence de BNE sur des fragments de microtektite submillimétriques (Fig. 1) qui ont été déposés il y a environ 788 ka22 dans un sédiment pélagique de l'océan Indien. Parce qu'il s'agissait d'un événement instantané sur l'échelle de temps géologique, des distributions de profondeur distinctes pour différentes classes de taille de microtektite représentent la réponse impulsionnelle générée par l'action combinée du mélange des sédiments et de la ségrégation de taille dans la couche mixte de surface (SML). Les réponses impulsionnelles observées ont été modélisées avec un mécanisme de ségrégation de taille basé sur le BNE induit par le cisaillement. Notre modèle prédit la taille minimale correcte des noyaux FM et les décalages d'âge des microfossiles nécessaires pour concilier les écarts observés.

Exemples de fragments de microtektite trouvés dans la carotte de l'océan Indien MD90-0961.

Le mélange de sédiments dans le SML est causé par la bioturbation (Fig. 2a). Le mélange est représenté mathématiquement par un processus stochastique dans lequel les particules de sédiments individuelles effectuent une marche aléatoire biaisée23, jusqu'à ce qu'elles atteignent le fond du SML, où l'action randomisante de la bioturbation cesse (Fig. 2b). Dans le cas de marches aléatoires avec des temps d'attente finis et des distributions de longueur de saut23, la concentration C d'un traceur conservatif (dans notre cas, des microtektites) à l'intérieur d'un SML où chaque élément de volume subit suffisamment (c'est-à-dire ~ 25) événements de bioturbation24 avant d'être définitivement enfoui, est gouverné par une version simplifiée de l'équation de diffusion-advection obtenue en négligeant le gradient de porosité25,26 :

où t et z sont respectivement le temps et la profondeur sous l'interface sédiment-eau, \({D}_{\mathrm{t}}\) est le coefficient de diffusion des particules traceurs, \({v}_{ \mathrm{b}}\) la vitesse d'enfouissement en masse, et \({v}_{\mathrm{t}}\) une vitesse ascendante supplémentaire des particules traceurs, due par exemple à la bio-advection ou à la ségrégation par taille (Fig .2c). La condition limite supérieure \(\left({v}_{\mathrm{b}}-{v}_{\mathrm{t}}\right)C-{D}_{\mathrm{t}}{\ partiel }_{z}C={F}_{\mathrm{t}}/{\varphi }_{\mathrm{s}}{\rho }_{\mathrm{s}}\) à z = 0 , où \({\varphi }_{\mathrm{s}}\) est la fraction volumique des solides et \({\rho }_{\mathrm{s}}\) leur densité, est contrôlée par le traceur entrant flux \({F}_{\mathrm{t}}\). Un événement d'entrée de microtektite est alors décrit par \({F}_{\mathrm{t}}={\Phi }_{\mathrm{t}}\delta (t)\) où \(\delta (t)\ ) est l'impulsion de Dirac, et \({\Phi }_{\mathrm{t}}\) la fluence de la microtektite.

Transport de particules au sein du SML. (a) Creusement et remaniement par les organismes benthiques. (b) Les particules individuelles (par exemple, un fragment de microtectite) effectuent une marche aléatoire biaisée à partir de la surface du sédiment, jusqu'à ce que les perturbations cessent en dessous de la SML. (c) Sous certaines conditions, la marche aléatoire en (b) est régie par une équation de diffusion-advection, où la vitesse d'advection est la somme des vitesses d'enfouissement, de bioadvection et de ségrégation par taille. ( d ) Concentration dépendante de la profondeur C de particules traceurs suffisamment petites pour être enterrées (par exemple, fragments de microtektite, ligne continue) et de nodules de ferromanganèse suffisamment gros pour rester indéfiniment dans la partie supérieure ou le SML (ligne pointillée). La courbe sous le SML indique la distribution des microtektites à l'intérieur de la couche historique résultant d'un processus de dépôt instantané.

L'intensité de la bioturbation diminue avec la profondeur, de sorte que \({D}_{\mathrm{t}}\) et \({v}_{\mathrm{t}}\) sont des fonctions inconnues de z. En pratique, différents modèles de diffusion dépendant de la profondeur donnent des ajustements similaires aux données expérimentales25,27, ce qui signifie que le SML peut être représenté par une couche homogène équivalente d'épaisseur L et constante \({D}_{\mathrm{t}}\ ), \({v}_{\mathrm{b}}\) et \({v}_{\mathrm{t}}\). Solution de l'éq. (1) avec \(C\left(0,z\right)=\delta (z)\) donne la réponse impulsionnelle \(\mathcal{I}\left(t\right)=C(t,L)\ ) du système, qui peut être converti en un profil de concentration dépendant de la profondeur sur \(z>L\) en utilisant le modèle d'âge du sédiment (Fig. 2d). L'équivalent microscopique de la réponse impulsionnelle est un processus de Wiener à dérive constante, commençant à \(\left(t,z\right)=(\mathrm{0,0})\) et se terminant à \(\left(t, z\right)=({t}_{L},L)\), où \({t}_{L}\) est le temps de transit (ou d'échappement)28 avec la fonction de densité de probabilité \(\mathcal{I} \gauche(t\droite)\). L'âge T des particules trouvées à la profondeur \(z>L\) est une variable stochastique liée à \({t}_{L}\) par \(T={t}_{L}+{t}_{ \mathrm{b}}\), où \({t}_{\mathrm{b}}\) est l'heure d'enfouissement depuis le bas de la SML dérivée du modèle d'âge. La stochasticité de T est un facteur important affectant la datation d'un seul spécimen29.

Des exemples de solutions (Fig. 3a) montrent comment \({v}_{\mathrm{t}}\) augmente le temps nécessaire pour traverser le SML, en raison de la vitesse réduite ou inversée du traceur \({v}_{\mathrm {b}}-{v}_{\mathrm{t}}\). Le temps de transit moyen \(\langle {t}_{L}\rangle\), défini comme l'espérance de \(\mathcal{I}\left(t\right)\), diverge au-dessus d'un seuil critique \({v }_{\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}}\) seuil (Fig. 3b). Ce seuil est proche de 1 lorsque l'advection est le mécanisme de transport dominant des particules traceurs à travers le SML. La diffusion assure une probabilité non négligeable d'échapper au SML même si \({v}_{\mathrm{t}}>{v}_{\mathrm{b}}\), donnant un \({v}_ {\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}}\) seuil qui dépend du nombre de Péclet inverse \(G={D}_{\text{s}}/L{v}_ {\mathrm{b}}\) du sédiment en vrac, où \({D}_{\mathrm{s}}\) est le coefficient de diffusion en vrac. Dans tous les cas, \(\mathcal{I}\left(t\right)\) devient considérablement biaisé à l'approche du seuil, convergeant vers une distribution uniforme sur t > 0. Cela signifie que la ségrégation par taille tend à redistribuer les grosses particules au-dessus la profondeur stratigraphique correspondant à leur âge de dépôt. La dépendance à la taille des grains de \(\mathcal{I}\left(t\right)\) a des conséquences évidentes pour la datation. Alors que G affecte l'asymétrie de \(\mathcal{I}\left(t\right)\), et donc l'âge stratigraphique des particules individuelles, mais pas l'âge moyen26, puisque \(\langle {t}_{L} \rangle =L/{v}_{\mathrm{b}}\) pour \({v}_{\mathrm{t}}=0\) : la ségrégation de taille augmente l'âge apparent des particules plus grosses par rapport à la en vrac, individuellement et en moyenne, jusqu'à ce qu'une relation stratigraphique significative soit perdue.

Effet de l'advection sur la distribution et l'âge des particules sédimentaires. (a) Réponse impulsionnelle modélisée des particules traceurs, \({t}_{0}=L/{v}_{\mathrm{b}}\) étant le temps de transit moyen des particules de sédiments régulières à travers le SML, pour rapports sélectionnés entre la vitesse de ségrégation du traceur \({v}_{\mathrm{t}}\) et la vitesse d'enfouissement \({v}_{\mathrm{b}}\). (b) Amélioration du temps de transit en fonction de \({v}_{\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}}\) pour des valeurs sélectionnées du nombre de Péclet inverse \({G} _{\mathrm{s}}\) du sédiment en vrac.

La concentration attendue de microtektites appartenant à un intervalle de taille donné \([{s}_{1},{s}_{2}]\) est régie par la fonction modèle

où \({g}_{\mathrm{t}}\) est la distribution granulométrique empirique déterminée à partir des comptages de microtektites sur toutes les profondeurs (Figure supplémentaire S1), \({z}_{0}\) la profondeur dans les sédiments correspondant au moment de l'événement de dépôt, et \(\mathcal{I}\) la réponse impulsionnelle obtenue à partir de la solution de l'Eq. (1). Alors que \({v}_{\mathrm{b}}\) est dérivé du modèle d'âge de la carotte sédimentaire, \({\Phi }_{\mathrm{t}}\), \({D}_ {\mathrm{t}}\), \(L\) et \({v}_{\mathrm{t}}\) doivent être déterminés en ajustant les profils de microtektite pour différentes classes de taille. Étant donné que les modèles de diffusion-advection conventionnels basés sur \({v}_{\mathrm{t}}=0\) fournissent de bons ajustements de profils de concentration de traceurs stables30, les estimations de paramètres obtenues avec l'Eq. (2) ne peut pas être entièrement significatif, de sorte que des contraintes supplémentaires doivent être appliquées aux dépendances de taille de \({D}_{\mathrm{t}}\) et \({v}_{\mathrm{t}} \).

La ségrégation des grosses particules dans le SML peut être entraînée soit directement par le BNE, soit indirectement par une litière graduée biogénique résultant du transport sélectif de particules plus fines par ingestion31,32,33, revêtement de terrier34, remplissages35 et remise en suspension36. Bien qu'une litière graduée ait été observée dans les sédiments dominés par des organismes benthiques uniques, ce n'est pas une caractéristique typique des sédiments déposés régulièrement37,38. De plus, la ségrégation granulométrique résultant de la litière graduée ne devrait pas dépendre de la taille des particules au-dessus de la dimension maximale des particules ingérables, alors que, comme indiqué plus loin, cette dépendance est nécessaire pour expliquer la formation de FN. La déformation plastique des sédiments autour des organismes benthiques fouisseurs39,40 est un mécanisme d'entraînement possible du BNE, car le champ de déformation comprend un gradient vertical de déplacement horizontal autour des extrémités des terriers, qui est analogue au cisaillement horizontal utilisé dans de nombreuses expériences BNE6,41. Dans ce cas, la diffusivité et la vitesse de ségrégation sont proportionnelles au taux de cisaillement6,42. La ségrégation par taille pourrait également être entraînée par la formation de bulles induite par les microbes dans les sédiments riches en matières organiques43.

Des expériences avec des billes de verre triées44, qui partagent avec les microtectites l'absence d'ingestion préférentielle par l'organisme nourricier31, indiquent que la dépendance à la taille de la diffusivité du traceur est régie par une loi de puissance de la forme \({D}_{\mathrm{t}}\ propto {s}^{-q}\) avec q ≈ 0,52. La percolation de particules plus petites à travers des milieux aléatoires affiche également une dépendance de la loi de puissance sur la taille des particules45. En conséquence, nous supposons que la diffusion de grosses particules traceurs de taille \(s\) dans un sédiment de taille moyenne de grain \({s}_{0}\) est donnée par \({D}_{\mathrm{t }}={{D}_{\mathrm{s}}(s/{s}_{0})}^{-q}\). Des expériences de mélange granulaire montrent que la vitesse d'advection des gros grains est proportionnelle à \(s/{s}_{0}-{\psi }_{\mathrm{c}}\), où \({\psi }_{ \mathrm{c}}\approx\) 2,8 est un seuil de rapport de taille critique dans les mélanges binaires4,8. Par conséquent, nous modélisons la vitesse de ségrégation comme \({v}_{\mathrm{t}}=(s/{s}_{0}-{\psi }_{\mathrm{c}}){\beta } _{0}{D}_{\mathrm{s}}\), avec \({\beta }_{0}\) étant un coefficient inconnu qui exprime l'efficacité de ségrégation de la bioturbation. La plupart des études de mélange granulaire ont été réalisées avec des particules sans cohésion, qui sont un mauvais analogue aux sédiments à grains fins. Des expériences avec des grains mouillés montrent que la cohésion tend à réduire la ségrégation de taille46, tant qu'une agglutination est évitée, bien que cet effet soit beaucoup moins prononcé dans le cas de particules non sphériques47. Les forces de cohésion ont tendance à supprimer la capacité des petites particules à s'infiltrer dans les vides, car elles ne peuvent pas tomber librement. Cependant, l'effet de polarisation de la gravité, qui est la principale cause de ségrégation de taille, ne cesse pas. Un effet similaire a été observé pour le couple subi par les particules magnétiques dans un sédiment cohésif et bioturbé, en présence d'un champ magnétique faible48,49. Dans ce cas, l'alignement magnétique résultant s'est avéré proportionnel au rapport entre le couple magnétique et les couples qui résistent à la rotation des particules. Avec ces considérations à l'esprit, les effets de la cohésion des sédiments sont entièrement pris en compte par \({\beta }_{0}\).

Un modèle de régression de Poisson a été utilisé pour ajuster le nombre de microtektites (Fig. 4) pour trois classes de taille, en utilisant les modèles ci-dessus pour \({D}_{\mathrm{t}}(s)\) et \({v} _{\mathrm{t}}(s)\). Les résidus du modèle sont généralement compatibles avec les incertitudes de comptage estimées par bootstrap, à quelques exceptions près qui pourraient s'expliquer par l'hétérogénéité des sédiments. Les paramètres de ségrégation de taille \({\beta }_{0}\) et q sont tous deux significativement différents de zéro à un niveau de confiance > 99,4 % (tableau 1). Les estimations de \({D}_{\mathrm{s}}\) et L sont comprises dans les plages typiques obtenues à partir de traceurs radioactifs pour des sédiments similaires50. L'exposant de la loi de puissance q ≈ 0,25 pour la dépendance à la taille de \({D}_{\mathrm{s}}\) (tableau 1) est inférieur à la valeur obtenue par Wheatcroft44 pour des billes de verre de 10 à 300 µm, peut-être parce que la plupart des microtektites sont trop grosses pour être ingérées.

La distribution de la microtektite s'adapte. ( a ) Concentration de trois classes de taille de microtektite dans le noyau MD90-0961 (points) et ajustement de Poisson avec Eq. (2) (traits pleins). Les lignes en pointillés représentent la réponse impulsionnelle (remise à l'échelle à la même valeur maximale des ajustements) pour les particules de sédiments de taille moyenne, comme prédit par le même modèle. Remarquez le décalage des grandes microtektites par rapport à la réponse impulsionnelle. ( b ) Résidus du modèle correspondant aux ajustements en ( a ) (points) et intervalles de confiance à 90% obtenus à partir d'une simulation d'amorçage du nombre de microtektites (barres d'erreur).

Les profils tektite illustrent comment la ségrégation par taille compense la répartition par âge des objets enfouis (lignes pleines sur la figure 4a), par rapport à celle des particules de sédiments régulières (lignes pointillées sur la figure 4a). Les décalages d'âge moyens prévus pour les trois classes de taille de la Fig. 4 (~ 0,16 kyr pour 0,05–0,2 mm, ~ 0,87 kyr pour 0,2–0,45 mm et ~ 2,9 kyr pour 0,45–0,9 mm) sont comparables aux décalages positifs maximaux rapportées pour les âges radiocarbone20,21. Le rôle de la ségrégation par taille dans la génération d'écarts d'âge positifs augmente avec le nombre de Péclet, produisant un effet « d'emballement » lorsque la vitesse nette d'enfouissement \({v}_{\mathrm{b}}-{v}_{\mathrm {t}}\) dans le SML disparaît (Fig. 3). Pour cette raison, les sédiments à faible taux de dépôt devraient être particulièrement sujets aux décalages d'âge causés par la ségrégation par taille. Par exemple, réduire \({v}_{\mathrm{b}}\) à 1,5 cm/kyr pour un sédiment ayant les mêmes propriétés que MD90-0961 augmenterait le décalage d'âge d'un objet de 0,5 mm de ~ 0,73 à ~ 10 kyr. Les importantes compensations positives causées par le BNE peuvent expliquer les différences d'âge des foraminifères qui ne peuvent pas résulter de la seule dissolution sélective21,51,52. D'autre part, la ségrégation de taille est moins sensible aux changements du coefficient de diffusion : par exemple, doubler \({D}_{\mathrm{s}}\) augmente le décalage d'âge de l'objet de 0,5 mm de l'exemple ci-dessus à ~ 1,7 kyr, car l'augmentation résultante de \({v}_{\mathrm{t}}\) est partiellement compensée par une diminution de Pe.

Dans le cas d'un flux stationnaire de grosses particules traceurs, le BNE produit un gradient de concentration dans le SML avec une dépendance similaire à \({v}_{\mathrm{t}}/{v}_{\mathrm{b}} \) as \(\langle {t}_{L}\rangle\) (Figure supplémentaire S2) : c'est parce que la conservation du flux vertical de traceur nécessite qu'une diminution de la vitesse nette d'enfouissement soit compensée par une concentration plus élevée. Ainsi, l'interprétation des variations de concentration des foraminifères au sein de la SML pourrait être biaisée par le BNE. Par exemple, la concentration des tests de G. bulloides dans les sédiments de la marge d'Oman53,54, qui ont été utilisés pour reconstituer la mousson d'été indienne au cours des ~ 2000 dernières années, pourrait augmenter de 9 à 40 % dans les ~ 6 cm supérieurs, si les mêmes paramètres de ségrégation du tableau 1 sont supposés avec des données de bioturbation représentatives de la zone minimale d'oxygène dans le nord-ouest de la mer d'Oman (c'est-à-dire \({D}_{\mathrm{s}}\approx\) 150 cm2/kyr, L ≈ 6 cm et \({v}_{\mathrm{b}}=\) 3–20 cm/kyr54,55).

La ségrégation granulométrique aux échelles submillimétriques a des implications paléomagnétiques importantes car elle nécessite une réorganisation de la microstructure sédimentaire assimilable à un véritable processus diffusif, qui provoque une réorientation des porteurs magnétiques. Alors que le transport non local dans le SML est difficilement distinguable de la véritable diffusion23, les deux processus affectent les enregistrements sédimentaires du champ magnétique terrestre d'une manière radicalement différente. Le transport par bande transporteuse ascendante enlève la matière en profondeur et la redépose à la surface du sédiment, où une aimantation rémanente détritique (DRM) est acquise par alignement partiel des particules en suspension dans le champ magnétique. Les sédiments enfouis, qui ne sont pas affectés par la bioturbation dans ce modèle, porteraient une DRM intacte contemporaine de l'âge du dépôt56. La perturbation locale de la structure sédimentaire, en revanche, efface le DRM existant et le remplace par une aimantation post-dépôt (PDRM) plus jeune que l'âge du dépôt. Les modèles PDRM conventionnels supposent que cette aimantation est acquise en dessous du SML au début de la diagenèse57 ; cependant, des expériences en laboratoire ont montré que l'acquisition de PDRM peut être entraînée par la bioturbation à travers la composante rotationnelle de la diffusion48,49. Le mélange diffusif des sédiments introduit un retard de l'ordre de \(L/{v}_{\text{b}}\) dans les enregistrements magnétostratigraphiques non affectés par la diagenèse. Ce retard est compatible avec les décalages observés entre les enregistrements de minéraux magnétiques et 10Be de l'inversion du champ Matuyama-Brunhes58, si des estimations appropriées de L pour les sédiments marins50 sont utilisées.

Si la nucléation FN et la ségrégation des microtektites ont la même origine, les paramètres de ségrégation estimés à partir des profils de microtektites peuvent être utilisés pour prédire la taille minimale des noyaux FN, qui est de 1 à 5 mm18. Un modèle de croissance simple suppose que la taille \(s\left(T\right)={s}_{\mathrm{n}}+\gamma T\) d'un FN d'âge \(T\) augmente linéairement dans le temps à partir de la taille initiale du noyau \({s}_{\mathrm{n}}\) à un taux de croissance constant \(\gamma \approx\) 1–5 mm/Myr59. Dans le cas d'un flux stationnaire \({F}_{0}\) de graines avec distribution granulométrique initiale \({n}_{0}(s)\), la distribution granulométrique \(n(s)\) de croissance des graines à l'interface sédiment-eau est donnée par

où \(r(s)\) est le rapport entre les concentrations de traceur à z = L et z = 0, respectivement, obtenues à partir de la solution à l'état d'équilibre de l'Eq. (1). Solutions de l'éq. (3) avec les paramètres de ségrégation de taille du tableau 1 et les propriétés SML typiques des champs FN à une profondeur d'eau de ~ 4000 m50,60 prédisent des tailles minimales de graines de ~ 2–3 mm (Fig. 5), qui sont comparables à celles observées18 . Dans ces conditions, une augmentation de \({v}_{\mathrm{b}}\) de 0,5 à 0,8 cm/kyr, une diminution de \({D}_{\mathrm{s}}\) de 22 à 8 cm2/kyr, ou une diminution de \({\beta }_{0}\) de 0,075 à 0,064 m−1 sont suffisantes pour supprimer la croissance de graines d'environ 2,3 mm, confirmant qu'un degré minimum de bioturbation et une un taux de sédimentation suffisamment faible sont des conditions physiques nécessaires à la croissance des FN17. Enfin, une dépendance linéaire de \({v}_{\mathrm{t}}\) sur la taille jusqu'à au moins ~ 4 mm, bien au-dessus de la limite de transport sélectif par les organismes benthiques, est nécessaire pour réduire la probabilité de naufrage de croissance des noyaux FN afin qu'ils puissent croître de plusieurs cm (ligne pointillée sur la Fig. 5). Cela démontre que les FN sont maintenus à la surface des sédiments par les BNE, plutôt que par d'autres mécanismes comme l'élimination sélective des sédiments fins par les courants de fond17.

Distribution à l'état d'équilibre des graines de nodules de ferromanganèse en croissance prédite par l'éq. (3) avec les paramètres de ségrégation de taille des ajustements de microtektite du noyau MD90-0961 (tableau 1), un taux de croissance des nodules de 5 mm/Myr et L = 6 cm, \({D}_{\mathrm{s}}\ ) = 22 cm2/kyr et \({v}_{\mathrm{b}}\) = 0,5 cm/kyr comme propriétés SML représentatives à une profondeur d'eau d'environ 4000 m. Les résultats sont présentés pour les distributions de taille log-normales des graines en dépôt (lignes pleines) avec σ = 0,1 et trois valeurs de µ (nombres en mm). La ligne pointillée représente le cas de µ = 2,3 mm lorsque l'augmentation linéaire de \({v}_{\mathrm{t}}(s)\) s'arrête à s = ​​4 mm.

Nous rapportons, pour la première fois, la ségrégation granulométrique de fragments de microtektite de 0,05 à 0,9 mm dans un sédiment pélagique de l'océan Indien. La distribution en profondeur de ces fragments peut être expliquée par une BNE induite par la bioturbation dans le SML. En conséquence, les grosses particules subissent une vitesse de ségrégation dirigée vers le haut \({v}_{\mathrm{t}}\) par rapport au sédiment en vrac, qui augmente linéairement avec la taille des particules. Au-dessus d'un seuil de taille dépendant des sédiments (par exemple, ~ 1 mm dans le noyau MD90-0961), \({v}_{\mathrm{t}}\) dépasse la vitesse d'enfouissement et la probabilité d'enfouissement en dessous de la SML devient faible . Cela a deux conséquences importantes : (1) les objets enfouis qui sont beaucoup plus grands que la taille moyenne des grains de sédiments, tels que les microfossiles, sont significativement plus âgés que leur âge stratigraphique et ont tendance à perdre toute relation avec la stratigraphie pour les tailles supérieures à \({v }_{\mathrm{t}}={v}_{\mathrm{b}}\) seuil, et (2) les particules > 1 mm ont tendance à rester à la surface du sédiment pendant de longues périodes, servant de graines pour la croissance du FN dans des conditions favorables. Dans ce dernier cas, la croissance continue diminue encore la probabilité d'enfouissement, expliquant la rareté des nodules enfouis. Un modèle empirique unique pour la dépendance à la taille de la vitesse de ségrégation et de la diffusivité, dérivé d'expériences sur le mélange granulaire, explique nos résultats de comptage de microtektite et prédit correctement la taille minimale des graines de FN, malgré la différence > 10 ordres de grandeur entre la bioturbation et les échelles de temps de laboratoire . La déformation plastique des sédiments associée à l'enfouissement est le mécanisme moteur le plus probable de la BNE.

Le BNE a des implications importantes pour la compréhension fondamentale des phénomènes qui dépendent de la micromécanique des sédiments, tels que la croissance des FN et les enregistrements paléomagnétiques, et pour l'interprétation des âges des foraminifères et des variations de concentration. De grandes compensations d'âge positives causées par le BNE peuvent expliquer les différences d'âge des foraminifères qui ne peuvent pas résulter de la seule dissolution sélective. De plus, la BNE produit un gradient de concentration au sein de la SML, qui pourrait affecter l'interprétation des variations climatiques récentes. L'effet des propriétés physiques des sédiments comme la cohésion sur la ségrégation par taille doit être étudié pour évaluer le rôle joué par le BNE dans la redistribution des grosses particules dans les sédiments, au-delà du seul exemple présenté ici.

La carotte MD90-0961 (5°03.71′ N, 73°52.57′ E) a été prélevée lors de la campagne de recherche SEYMAMA du N/R Marion Dufresne en 1990. La carotte de 45 m de long a été récupérée sur la marge est des Chagos- Maldive-Laccadive Ridge à une profondeur d'eau de 2450 m et est composé de limon calcaire nannofossile avec d'abondants foraminifères. Les concentrations typiques de microtektite s'élèvent à quelques coups par échantillon (~ 3 g); par conséquent, les comptages de trois campagnes d'échantillonnage (tableaux supplémentaires S1, S2, S3) ont été regroupés en trois classes de taille avec un total de 137, 287 et 49 comptages, respectivement (tableau 2). Les détails de la préparation des sédiments sont donnés dans les informations supplémentaires.

L'équation de diffusion-advection n'a pas de solution analytique simple en cas de ségrégation de taille. Un développement en série de \(\mathcal{I}\left(t\right)\) a été obtenu avec l'approche de résolution de Guinasso et Schink26, en tenant compte des conditions aux limites modifiées (méthodes supplémentaires).

La signification des paramètres de ségrégation de taille \({\beta }_{0}\) et \(q\) a été testée en utilisant le rapport \(\Lambda\) entre les vraisemblances de l'hypothèse nulle \({H}_ {0}\) que la ségrégation ne se produit pas (\({\beta }_{0}\) = 0 ou \({\beta }_{0}\) = q = 0), et du modèle complet \ ({H}_{1}\), en supposant que le nombre de microtektites est régi par les statistiques de Poisson (méthodes supplémentaires).

Toutes les données à l'appui de nos conclusions sont présentées dans les tableaux supplémentaires.

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Cette étude a été soutenue par l'ERC advanced grant 339899 "EDIFICE". Nous remercions S. van de Velde pour son avis constructif.

Tatiana Savranskaïa

Adresse actuelle : Helmholtz Center Potsdam German Research Center for Geosciences GFZ, Telegrafenberg, 14473, Potsdam, Allemagne

Institut de Physique Du Globe de Paris, CNRS, Université de Paris, 75005, Paris, France

Tatiana Savranskaia, Ramon Egli & Jean-Pierre Valet

Institut central de météorologie et de géodynamique (ZAMG), 1190, Vienne, Autriche

Ramon Il

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TS, RE et J.-PV ont conçu et planifié les expériences. TS et RE ont rédigé le projet original. TS a effectué la préparation des échantillons et les expériences. RE a conçu le modèle mathématique et effectué des calculs numériques. J.-PV a supervisé le projet. Tous les auteurs ont révisé le manuscrit de manière critique, acceptent d'être pleinement responsables de l'intégrité et de l'exactitude du travail, et ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Tatiana Savranskaia ou Ramon Egli.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Savranskaia, T., Egli, R. & Valet, JP. Effets multi-échelles de la noix du Brésil dans les sédiments bioturbés. Sci Rep 12, 11450 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14276-w

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Reçu : 03 avril 2022

Accepté : 03 juin 2022

Publié: 06 juillet 2022

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

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