Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11450(2022) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
입상 물질의 크기 분리는 브라질 너트 효과(BNE)로 널리 알려진 보편적인 현상으로, 흔들린 용기의 상단에 더 큰 너트가 올라가는 경향이 있습니다. 본질적으로 빠른 입상 흐름은 잘 연구된 혼합 프로세스와 많은 유사점을 가지고 있습니다. 대신, 해저에 철망간 단괴(FN)가 축적되는 것과 같은 훨씬 느린 현상은 BNE에 기인한 것으로 여겨져 왔지만 본질적으로 설명할 수 없는 상태로 남아 있습니다. 여기서 우리는 처음으로 원양 퇴적물의 밀리미터 미만 입자에 대한 BNE를 문서화하고 생체 교란 퇴적물의 표면 혼합층에 대한 크기 분리 모델을 제안합니다. 우리 모델은 FN 종자의 크기 분포를 설명하며, 유기체를 먹이는 선택적 섭취에 의존하지 않는 < 1mm에서 > 1cm 범위의 크기에 걸쳐 균일한 분리 메커니즘을 나타냅니다. FN 핵생성을 설명하는 것 외에도, 우리 모델은 미세화석 연대측정과 지구 자기장의 퇴적 기록을 뒷받침하는 메커니즘에 중요한 영향을 미칩니다.
혼합 견과류를 담은 용기를 흔들면 크기 분리가 발생하고 큰 브라질 견과류가 맨 위에서 끝나게 됩니다1,2. 이러한 반직관적인 현상은 브라질 너트 효과(BNE)로 알려져 있습니다. BNE는 과립형 혼합 또는 흐름과 관련된 프로세스에서 나타납니다3. 간단히 말해서, 이는 흔들림 또는 전단 동안 입상 물질의 맞물림 구조가 파괴될 때 큰 입자 아래에 우선적으로 발생하는 공극에 작은 입자가 침투하는 능력으로 인해 발생합니다1,4,5,6,7. 이 원리의 단순성에도 불구하고 BNE는 입상 재료의 국지적 구조가 어떻게 파괴되는지, 재료 응집력 및 구성 요소의 상대 밀도에 놀라울 정도로 복잡한 방식으로 의존합니다8.
BNE는 지질 수송 과정에서도 발생합니다. 예를 들어 강바닥은 바닥 수송 중 표면 축적이나 큰 자갈에 의해 안정화됩니다9. 지구물리학적 질량 흐름의 빠른 역학은 잘 연구된 산업 입상 혼합 공정과 많은 유사점을 가지고 있습니다10,11. 묻혀 있는 고고학 유물이 자연적으로 떠오르는 현상12, 거친 잔해가 퇴적물 표면으로 이동하는 현상13, 해저에 철망간 단괴(FN)가 축적되는 현상14 등 훨씬 느린 현상은 생물교란의 한 형태로 여겨졌음에도 불구하고 본질적으로 설명할 수 없는 상태로 남아 있습니다. 굴을 파고 있는 유기체가 너무 커서 섭취할 수 없는 입자를 밀어내는 BNE 구동13. 이 '생물학적 펌핑' 기계의 극도로 느린 속도로 인해 BNE를 직접 관찰할 수 없으므로 일반적으로 매장된 FN이 상대적으로 부족한 경우와 같이 대체 설명을 배제하여 BNE의 존재를 추론합니다. FN 핵18은 퇴적물 표면에 남아 성장할 만큼 충분히 크지만, 미세화석 크기의 물체도 BNE의 영향을 받을지 여부에 대한 의문이 남습니다. 이는 방사성탄소 연대측정에서 중요한 문제입니다. 바커 효과(Barker effect)로 알려진 약한 껍질의 우선적 용해로 인한 음의 연대 상쇄와는 반대로, 실제로 때때로 관찰되는 것처럼 위쪽으로 상쇄되면 주변 퇴적물보다 나이가 많아지기 때문입니다.
여기에서 우리는 인도양의 원양 퇴적물에서 약 788ka 전22까지 퇴적된 밀리미터 미만의 마이크로텍타이트 파편(그림 1)에서 BNE 발생을 처음으로 문서화했습니다. 이는 지질학적 시간 척도에서 순간적인 사건이었기 때문에 서로 다른 마이크로텍타이트 크기 클래스에 대한 뚜렷한 깊이 분포는 표면 혼합층(SML)에서 퇴적물 혼합과 크기 분리의 결합된 작용에 의해 생성된 충격 응답을 나타냅니다. 관찰된 임펄스 응답은 전단 유발 BNE를 기반으로 한 크기 분리 메커니즘으로 모델링되었습니다. 우리 모델은 관찰된 불일치를 조정하는 데 필요한 FM 핵의 정확한 최소 크기와 미세화석 연령 오프셋을 예측합니다.
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>
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