Sedymentologia (2).doc

SEDYMENTOLOGIA W II (3 i 4)

                                                                      TRANSPORT MATERIAŁU ZIARNOWEGO

Wyróżnia się dwa rodzaje transportu:

              1. transport hydrauliczny - zachodzący pod działaniem siły przepływu płynu:

-                  wody (transport wodny w ośrodku ciekłym: rzeki, prądy morskie, falowanie);

-                  powietrza (transport eoliczny w ośrodku gazowym: pustynie);

-              lub lodu (transport lodowcowy w ośrodku lepkosprężystym: lodowce).

Woda i powietrze są płynami jednofazowymi i należą, do tzw. prądów newtonowskich, których lepkość dynamiczna (=współczynnik miary lepkości) nie zależy od prędkości ruchu. Woda i/lub powietrze wprawiają w ruch transportowany materiał.

              2. transport grawitacyjny - zachodzący w polu grawitacyjnym Ziemi pod wpływem siły

ciężkości, np.:

-                  powierzchniowe ruchy masowe,

-                  spływy grawitacyjne.

              Powierzchniowe ruchy masowe (na lądzie i pod wodą):

-obrywy

-                        osuwiska

-                        osypiska (na lądzie)

-                        spełzywanie (na lądzie) i płynięcie mas plastycznych (pod wodą), -ześlizgi.

Spływy grawitacyjne (na lądzie i pod wodą) - są to w większości układy dwufazowe będące prądami cieczy nienewtonowskich, których lepkość dynamiczna zależy od prędkości ruchu (lepkość maleje w przypadku spływów pseudoplastycznych i tiksotropijnych, rośnie w przypadku substancji dylatacyjnych):

                   -spływy mułowe,

-       spływy ziarnowe (kolizyjne lub upłynnionego materiału),

-       spływy rumoszowe,

-       prądy zawiesinowe.

W przypadku cieczy nienewtonowskich to woda lub powietrze jest wprawiane w ruch przez zawarty w nich materiał.

Obrywy - gwałtowne obrywanie skał zwięzłych.

Osuwiska - gwałtowne osuwanie mieszanych typów skał (najczęściej naprzemianległych pakietów skał luźnych i/lub słabo zwięzłych i skał spoistych).

Osypiska - osypywanie luźnego materiału okruchowego.

Spełzywanie - powolny ruch przypowierzchniowych warstw zwietrzełiny.

Płyniecie mas plastycznych — przemieszczanie osadu, połączone z jego deformacją (synse-dymentacyjnym fałdowaniem).

Ześlizgi - przemieszczanie się skał, bez naruszenia ich budowy wewnętrznej.

Spływy mułowe (ang. mud flows) - hydroplastyczne, quasilaminarne przemieszczanie kohe­zyjnego mułu.

Spływy ziarnowe-(ang. grain flows) - lawinowe przemieszczanie niekohezyjnego materiału ziarnowego (piasku i/lub żwiru). Mechanizmem podtrzymującym spływ (utrzymującym ziarna w ruchu) jest kolizja między ziarnami (spływy kolizyjne) lub ciśnienie dysper­syjne wody porowej (spływy upłynnionego materiału).

Spływy ruraoszowe (ang. debris flows) — hydroplastyczne, quasilaminarne przemieszczanie kohezyjnego, zwykle „dojrzałego" materiału klastycznego (mieszaniny iłu, pyłu, piasku i żwiru).

Olistostromy - hydroplastyczne, quasilaminarne przemieszczanie kohezyjnego, „niedojrza­łego materiału klastycznego (olistołity - bloki skalne o średnicy >4m „zawieszone" w mułowo-piaskowym matriks.). Są to stosunkowo powolne (do 5m/1000 lat) spływy podmorskie o znacznej nieraz miąższości (200^3 OOm).

Prądy zawiesinowe — spływy turbulencyjne zawiesiny (materiału klastycznego przepojonego płynem: wodą lub gazem).

              Ruch płynów w transporcie hydraulicznym

Wyróżnia się dwa rodzaje ruchu płynów:

1. ruch uwarstwiony (łaminarny) - cząsteczki płynu można traktować w przybliżeniu jako poruszające się w niemieszających się warstwach (linie prądu pokrywają się z torami cząstek płynu, tzw. ruch ustalony).

           Ruch ustalony może być:

-     jednostajny,

-     niejednostajny.

R. jednostajny -jeżeli prędkości przepływu w różnych przekrojach są stałe. R. niejednostajny - jeżeli prędkości przepływu w różnych przekrojach nie są sta­łe.

2. ruch burzliwy (turbulentny, =turbulencyjny) - po przekroczeniu pewnej prędkości gra­nicznej (stałej w określonych warunkach) - cząstki płynu zaczynają poruszać się w spo­sób nieuporządkowany (chaotyczny) powodując mieszanie się warstw płynu (prędkość, przyspieszenie i kierunek poszczególnych cząstek są inne w różnych punktach prze­strzeni płynu i zmieniają się w czasie, tzw. ruch nieustalony).

Turbulencja - bezładne poruszanie się cząstek płynu (nakładające się na główny kie­runek przepływu), spowodowane rozpraszaniem wirów. Turbulencja (zawirowania) sprzyja erozji dennej oraz jeżeli składowa turbulencji skierowana pionowo ku górze jest większa od prędkości opadania ziaren powoduje unoszenie ziarn w zawiesinie.

Przejście ruchu laminamego w turbulentny zachodzi po przekroczeniu krytycznej war­tości zwanej liczbą Reynoldsa (Re). Liczba Re jest stałym, w określonych warunkach prze­pływu (temperatura / lepkość, typ ośrodka), bezwymiarowym parametrem. Liczba ta charak­teryzuje związek między siłami bezwładności płynu, a siłami jego lepkości. Re zależy od temp / lepkości i charakteru ośrodka.

[Jeżeli w przepływie dominują siły bezwładności liczba Re ma wysokie wartości (powyżej 500 do 2000, natomiast gdy przeważają siły lepkości Re ma wartości niskie (poniżej 500).

Wartość liczby Re zależy od temperatury (ze względu na zmiany lepkości) oraz od charakteru dna i ścian ośrod­ka. Dla strumieni w naturalnych korytach przejście od ruchu laminarnego do ruchu turbulentnego następuje (w zależności od warunków) przy wartościach liczby Re od 500 do 2000].

                          Stan (=ustrój)-płynów transporcie hydraulicznym

Wyróżnia się dwa rodzaje stanów płynów:

1.            stan spokojny (prąd spokojny)

2.            stan rwący (prąd rwący)

Stan prądu wyznacza bezwymiarowy parametr tzw. liczba Froude'a, będąca stosune-kiem prędkości przepływu płynu do prędkości rozchodzenia się fal grawitacyjnych na po­wierzchni tego płynu.

Przejście prądu spokojnego w rwący zachodzi po przekroczeniu wartości krytycznej liczby Freud'a. Liczba Fr jest stałym w określonych warunkach przepływu (m.in.: prędkość, głębokość), bezwymiarowym parametrem. Prąd spokojny (ruch podkrytyczny) posiada warto­ści liczby Fr < 1, natomiast prąd rwący (ruch nadkrytyczny) Fr > 1.

W prądzie spokojnym przeważają siły grawitacji nad siłami bezwładności płynu, natomiast w prądzie rwącym dominują siły bezwładności nad siłami grawitacji.

Przejście od prądu spokojnego do rwącego zaznacza się obniżeniem poziomu płynu w ośrodku (korycie). Przejście odwrotne, od prądu rwącego do prądu spokojnego jest gwałtow­ne i zaznacza się podniesieniem poziomu płynu w korycie oraz występowaniem tzw. odskoku hydraulicznego.

Typy przepływu

Wartości liczby Re i Fr, określające rodzaj ruchu i stan płynu (prądu) prowadzą do wy­dzielenia czterech typów przepływu

Na rodzaj ruch płynu (na Re) znaczący wpływ ma jego lepkość, która jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury.

Określenie warunków prądu spokojnego i prądu rwącego (Fr) ma duże znaczenie, ze względu na związane z nimi różne warunki transportu materiału ziarnowego.

RUCH MATERIAŁU ZIARNOWEGO

Zapoczątkowanie ruchu ziaren zwane progiem ruchu następuje wówczas gdy siły wy­wierane przez przepływ płynu stają się większe od sił utrzymujących ziarna na miejscu.

Transport materiału ziarnowego zależy zatem ogólnie od prędkości przepływu i średni­cy ziaren, ale także od gęstości płynu i ciężaru właściwego materiału.

Najłatwiej uruchomieniu ulegają ziarna frakcji piasku. Ziarna drobniejsze (pyłowe i iłowe) ze względu na ich spójność (własności kohezyjne) oraz gładkość powierzchni ulegają uruchomieniu znacznie trudniej. Do uruchomienia ziaren trakcji żwiru ze względu na ich znaczny ciężar właściwy także potrzebna jest znaczna energia przepływu płynu.

Maksymalny rozmiar ziaren, które mogą być poruszone w warunkach danego przepły­wu, jest miarą tzw. wydolności przepływu.

Mechanizm uruchamiania ziarn

Przepływ płynu wywiera na spoczywające ziarno siłę, która rozkłada się na dwie składowe:

1.              siłę wlekącą - skierowaną równolegle do kierunku ruchu, zmierzającą do przemieszczania

ziarna po dnie,

2.              siłę unoszącą - skierowaną prostopadle do kierunku ruchu i zmierzającą do oderwania

ziarna od dna.

Jeżeli siła unosząca jest mniejsza od wlekącej ziarno toczy się i/lub ślizga po dnie. Wpływ na zapoczątkowanie ruchu ziarna ma także jego kształt. Ziarna kuliste i wrzecionowa­te uruchamiane są łatwiej niż dyskoidalne. Często także szybciej uruchamiane są ziarna więk­sze tkwiące pośród mniejszych.

Rodzaje ruchu materiału ziarnowego

Sposób poruszania się ziaren zależy głównie od ich średnicy oraz od energii przepływu.

1. Trakcja - toczenie i/lub ślizganie ziaren po dnie.

2. Saltacja - skakanie ziaren po torach balistycznych na wysokość rzędu kilku średnic ziarna

(gfówne znaczenie w transporcie eolcznym). Jeżeli przeskokom ziaren towarzyszy ich chwilowe unoszenie ponad dnem to mamy wówczas do czynienia z tzw. unoszeniem przerywanym (unoszeniem nieciągłym).

3.              Suspensja - unoszenie ciągłe w zawiesinie,

Zróżnicowany sposób transportu powoduje generalnie sortowanie materiału ziarnowego i jego depozycję w różnych subśrodowiskach.

Formy dna przy transporcie wodnym materiału ziarnowego

Formy dna - są to formy morfologiczne powstające podczas hydraulicznego transportu materiału ziarnowego.

Z różnymi formami dna związane są określone typy struktur sedymentacyjnych. Rozpo­znanie rodzajów warstwowania ma duże znaczenie dla odtworzenia genezy osadów.

Rodzaj form dna zależy głównie od energii przepływu płynu oraz od średnicy ziaren

Występowanie form dna, a także mechanizm transportu materiału oraz struktury sedyymentacyjne gromadzących się osadów zależą od zaspołu warunków opisowo nazwanych jako tzw. Reżim Przepływu

Wyróżniamy:              ...