Grawitacyjne ruchy masowe

Transkrypt

1 Grawitacyjne ruchy masowe Potencjalna energia grawitacyjna osadów w zmieniana jest na energię kinetyczną ruchu tych osadów Mechanizm spustowy To masy przemieszczających się osadów i/lub mieszanin osadu i płynów powodują ruch ośrodka (wody lub powietrza). Co więcej ich lepkość maleje wraz ze wzrostem prędkości (zachowują się jak płyny nienewtonowskie)

2 Grawitacyjne ruchy masowe lądowe podwodne IlstMarrMain_cam2 obrywy skalne lawiny osuwiska ześlizgi płynięcie mas plastycznych grawitacyjne spływy osadu prądy gęstościowe

3 Typy upakowania ziaren kulistych a romboedryczne sześcienne b Czynniki kontrolujące geometrię upakowania ziaren oraz inne właściwow ciwości deponowanego osadu: - Porowatość jest niezależna od frakcji ale zmienia się w zależności od stopnia wysortowania - Nieregularny kształt ziaren wpływa na zwiększenie porowatości (przed kompakcją) - Zwiększenie tempa depozycji powoduje zwiększenie porowatości - Wzrost prędkości opadania ziaren zmniejsza porowatość Porowatość piasku jako funkcja tempa depozycji (a) oraz prędkości opadania ziaren (b) wg. Gray, 1968

4 Naprężenie ścinające vs szybkośćścinania płyny newtonowskie płyny plastycznolepkie płyny pseudoplastyczne (rozrzedzane ścinaniem) płyny tiksotropowe (zagęszczane ścinaniem) Klasyfikacja spływ ywów grawitacyjnych

5 Przepływ płynu Model idealny: przepływ wody POWIETRZE Spływ kolizyjny POWIETRZE Model idealny: spływ ziarnowy Spływ kohezyjny Model idealny: spływ mułowy POWIETRZE Podwodny spływ kohezyjny OTACZAJĄCA WODA Wg. UNIS, course AG328, 2006 Liczba Froude a miara siły przepływu: u Fr = gd Fr = siły bezwładności/grawitacja Liczba Reynoldsa miara intensywności turbulencji: ρud Re = η Re = siły bezwładności/lepkość Liczba Binghama miara intensywności naprężenia ścinającego B = kh U η Warunki przepływ ywów: w: Płyny lepkie (newtonowskie) Fr < 1 to prąd spokojny (ruch podkrytyczny) Fr > 1 to prąd rwący (ruch nadkrytyczny) Re < 500 to przepływ laminarny Re > 500* to przepływ turbulentny w prądach zawiesinowych Płyny plastycznolepkie (nienewtonowskie) lepkość maleje wraz ze wzrostem prędkości Re < 1000 x B to przepływ laminarny Re > 1000 x B to przepływ turbulentny w pozostałych spływach grawitacyjnych

6 Naprężenie ścinające vs szybkośćścinania płyny newtonowskie płyny plastycznolepkie płyny pseudoplastyczne (rozrzedzane ścinaniem) płyny tiksotropowe (zagęszczane ścinaniem) Klasyfikacja spływ ywów grawitacyjnych

7 Spływy kolizyjne grainflow Mechanizmem podtrzymującym ruch ziaren jest ciśnienie dyspersyjne, będące b rezultatem zderzeń ziaren Osady piaszczysto-żwirowe Nachylenie stoku 30 o Składowa ścinająca przewyższa siły ciężkości Grube ławice ograniczone ostrymi, płaskimi powierzchniami Brak wewnętrznych struktur depozycyjnych, tj. warstwowania czy zmarszczki W dolnych częściach ławic może występować odwrócone uziarnienie frakcjonalne Otoczaki żwirowe mogą wykazywać doprądowe ułożenie dachówkowe Gradziński i in., 1986

8 Spływy kohezyjne - debrisflow

9 J.G.Marr i in., 2001

10 Barbeau & Kendall z

11 Typy uziarnienia odwróconego występuj pującego w utworach spływ ywów w grawitacyjnych MATERIAŁ GRADIENT PRĘDKOŚCI MECHANIZM SEGREGACJI ZIAREN TYP UZIARNIENIA ODWRÓCONEGO Bezkohezyjny Mało matrix Duży Duże tempo kolizji międzyziarnowych; wypychanie ku górze ziarn przez ciśnienie dyspersyjne i/lub odsiewanie drobnych ziaren ku dołowi Typ 1 s. kolizyjny Bezkohezyjny Dużo matrix Częściowo jw., upłynnione matrix piaszczyste przemieszcza się ku górze Typ 2 Duży Kohezyjny Dużo matrix Brak Niski Kohezyjność fazy rozpraszającej (matrix) powoduje selektywne osadzanie grubszych ziarn ze spływu Typ 3 Duży Wg. UNIS, course AG328, 2006

12 Typy uziarnienia odwróconego występuj pującego w utworach spływ ywów w grawitacyjnych MATERIAŁ GRADIENT PRĘDKOŚCI MECHANIZM SEGREGACJI ZIAREN TYP UZIARNIENIA ODWRÓCONEGO Bezkohezyjny Mało matrix Duży Duże tempo kolizji międzyziarnowych; wypychanie ku górze ziarn przez ciśnienie dyspersyjne i/lub odsiewanie drobnych ziaren ku dołowi Typ 1 Bezkohezyjny Dużo matrix Częściowo jw., upłynnione matrix piaszczyste przemieszcza się ku górze Typ 2 Duży Kohezyjny Dużo matrix Brak Niski s. kohezyjny Kohezyjność fazy rozpraszającej (matrix) powoduje selektywne osadzanie grubszych ziarn ze spływu Typ 3 Duży Wg. UNIS, course AG328, 2006

13 Spływ kolizyjny MATERIAŁ GRADIENT PRĘDKOŚCI ścinanie Uziarnienie odwrócone - typ 1 1. Ścinanie 2. Dyspersja ziaren 3. Kolizje ziaren CIŚNIENIE DYSPERSYJNE* KINEMATYCZNE ROZSIEWANIE** * Model wg. Bagnolda (1956), Lowe (1976) oraz Sallengera (1979) * * Model wg. Middletona (1970) oraz Scotta & Bridgwatwera (1975)

14 MATERIAŁ GRADIENT PRĘDKOŚCI Brak ścinania ścinanie Uziarnienie odwrócone - typ 2 MATRIX (%) 1. Ścinanie ZAWARTOŚĆ MATRIX (%) ZAWARTOŚĆ MATRIX (%) WYSOKOŚĆ (cm) 2. Upłynnienie piaszczystego matrix 3. Przyśpieszenie przepływu 4. Przemieszczanie matrix ku górze 5. Kolizje ziaren w niższej części, zwiększenie zawartości matrix w górnej części WYSOKOŚĆ (cm) WYSOKOŚĆ (cm) MATRIX (%) WYSOKOŚĆ (cm) Wg. Clifton, 1984 Wg. Nemec i in., 1980

15 MATERIAŁ GRADIENT PRĘDKOŚCI Brak ścinania Słabe ścinanie ścinanie Spływ kohezyjny Uziarnienie odwrócone - typ 3 1. Ścinanie 2. Zmiana stopnia obciążenia w wyniku zmieniającego się stopnia kohezji matrix 3. Selektywne osiadanie ziaren w zależności od stopnia kohezji fazy rozpraszającej Wg. Naylor, 1980 Wheeler Gorge, California (R. Slatt) from

16 Spływy kohezyjne debrisflow zawiesina jako faza rozpraszająca materiał gruboziarnisty jako faza rozproszona Rozproszony szkielet ziarnowy Zmienny stosunek ilościowy ziaren fazy rozproszonej w stosunku do fazy rozpraszającej Ziarna i okruchy ostrokrawędziste lub słabo obtoczone Najczęściej chaotyczne rozmieszczenie w masie podstawowej Gradziński i in., 1986 Płyną niemal bez tarcia wewnętrznego Nachylenie stoku 1-2 o Składowa ścinająca siły ciężkości przewyższa siły oporu wywołane lepkością masy spływu Gdy siły te równoważą się, to spływ ulega zamrożeniu i cały niesiony materiał zostaje osadzony Bimodalność składu granulometrycznego Zazwyczaj masywne, bez wewnętrznych struktur depozycyjnych Odwrócone uziarnienie

17 Spływy kohezyjne gdzie ich szukać? StatoilHydro Ormen Lange Offshore Project Osuwisko Storegga, Morze Norweskie, 6200B.C.

18 Spływy upłynnionego osadu fluidized sediment flow Mechanizmem podtrzymującym ruch ziaren jest ciśnienie dyspersyjne wody porowej i turbulencja Dobrze wysortowane piaski i pyły Nachylenie stoku od 2 do 30 o (w zależności od wysortowania, wielkości ziaren i zawartości iłu) Depozycja wskutek utraty wody porowej, która jest wyciskana z dolnych do coraz wyższych partii spływu Obecność struktur ucieczkowych Ostre górne i dolne powierzchnie warstw Słabo zaznaczona gradacja ziaren najgrubszych frakcji Gradziński i in., 1986

19 Struktury związane zane z upłynnieniem i odwodnieniem osadów Warstwowania konwolutne Struktury ucieczkowe water escape structures - struktury miseczkowe - kanały ucieczkowe - ball and pillow structures - wulkany piaszczyste

20 Prądy gęstog stościowe density currents Wg. Leeder, 1999 Strumień cieczy powstający na skutek różnicy gęstości strumienia i otaczającej cieczy Prąd d zawiesinowy - różnica gęstości wynika z obecności osadu a przepływ odbywa się pod wodą; głównym mechanizmem utrzymującym osad w zawieszeniu jest turbulencja

21 przepływ Prądy zawiesinowe (turbidytowe( turbidytowe) turbidity currents mar15a_j1pwww.physics.utoronto.ca czas Video: G. Parker, Department of Civil & Environmental Engineering and Department of Geology,University of Illinois August, 2006

22 Schemat czoła prądu zawiesinowego (a) powstawanie poprzecznych wałów (Kelvin- Helmholtz waves) (b) czoło prądu o charakterze powierzchni mózgu (brain-like lobes and clefts) Linia największej prędkości Wg. Simpson, 1987 (c) przekrój przez czoło prądu oraz różne parametry opisujące czoło prądu oraz przepływ: h1 całkowita głębokość otaczającego płynu h2 głębokość płynu powyżej czoła prądu h3 grubość strefy mieszania h4 wysokość zasadniczego ciała prądu h5 wysokość najdalej wysuniętego punktu prądu

23 Prąd d zawiesinowy - różnica gęstości wynika z obecności osadu a przepływ odbywa się pod wodą; głównym mechanizmem utrzymującym osad w zawieszeniu jest turbulencja W prądzie zawiesinowym siły bezwładności odgrywają większą rolę niż w przepływach innego rodzaju Prąd zawiesinowy jest ograniczony ze wszystkich stron przez powierzchnie tarcia, na których jego energia jest rozpraszana Prąd ulega rozcieńczeniu od czoła, jego prędkość spada co umożliwia szybszą sedymentację Dzięki swej bezwładności prądy zawiesinowe poruszają się na duże odległości, nawet po dnie o spadku rzędu 1

24 Mechanizm spustowy (impuls początkowy) Skłon kontynentalny Osuwanie luźnych osadów wywołane impulsem początkowym Dno oceaniczne poziom morza Osady spływów kohezyjnych zatrzymane w wyniku małego nachylenia podstawy skłonu Prąd turbidytowy (uformowany z górnej warstwy spływu grawitacyjnego) poruszający się w dół zbocza Wg. UNIS, course AG328, 2006

25 Nowa Funlandia km Osuwisko i lawina podmorska The Grand Banks wywołały prąd zawiesinowy który zerwał kable podmorskie. Google Earth

26 1929 rok Silne trzęsienie ziemi w rejonie Grand Banks Sukcesywne przerywanie trans-atlantyskiego kabla telegraficznego przesunięte w czasie z N ku S 1952 rok wyjaśnienie przez Kuenena tego zjawiska Wg. Hsu, 2004 Miejsca przerwania kabla; czas przerwania względem trzęsienia ziemi 1:20 Nachylenie dna G osady frakcji żwirowej, u podstały skłonu; T osady turbidytowe na równi abysalnej Przewyższenie x 60 SPŁYW KOHEZYJNY PRĄD ZAWIESINOWY Wg. Hsu, 2004

27 Samounoszenie - Autosuspensja Turbulencja STRATY ENERGII Materiał unoszony Przepływ w kierunku basenu sedymentacyjnego PRZYROST ENERGII KINETYCZNEJ NA NACHYLONYM STOKU Różnica gęstości otaczającej wody i prądu zawiesinowego Kryterium Bagnolda energia grawitacyjna prądu jest wystarczająca do wytwarzania turbulencji i do pokonania oporów tarcia przy dolnej i górnej granicy prądu, nie powodując jednak ani erozji, ani depozycji materiału podczas przemieszczania się prądu

28 Zdolność prądu do unoszenia osadów w jest ograniczona przez energię kinetyczną przepływu, która wywołuje turbulencję Liczba Reynoldsa miara intensywności turbulencji: Re = ρud η Re = siły bezwładności/lepkość Liczba Reynoldsa osiąga wartość maksymalną przy koncentracji osadu równej 7 % objętościowym Re(s)/Re(w) Relative Zmienność Re Re versus w zależności fractional od koncentracji concentration osadów, for przy equal założeniu slopes stałego kąta nachylenia and flow zbocza thicknesses i grubości przepływu Re curve taking account of momentum increase and consequent velocity increase 0.4 Turbulencja ulega zdławieniu przy koncentracji osadu ok. 18 % objętościowych Koncentracja osadu (% wagowe) Wg. Kneller (2005)

29 Powstawanie przesłony trakcyjnej non-entraining entraining FLOW HEIGHT Prędkości przepływu Zawartość osadu Przesłona trakcyjna i osadzanie warstwowanych osadów Spadek prędkości przepływu umożliwia wzrost koncentracji osadu w bazalnej części VELOCITY/DENSITY VELOCITY/DENSITY Normalised velocity and density/concentration Wykresy zmian prędkości i gęstości w przekroju prądu zawiesinowego Wg. UNIS, course AG328, 2006

30 Sekwencja Boumy model osadów prądów zawiesinowych o małej gęstości interpretacja pelit Masywne lub uz. frakcjonalne Sedymentacja pelagiczna Depozycja materiału drobnoziarnistego z prądu o bardzo małej gęstości Laminacja pozioma Laminacja zmarszczkowa lub w-nie konwolutne dolny reżim przepływu Laminacja pozioma górny reżim przepływu Masywne i/lub Uziarnienie frakcjonalne górny reżim przepływu gwałtowna depozycja Wg. Bouma 1962

31 Wzrastająca odległość od źródła materiału Wg. Gradziński i in., 1986 Zapis następstwa struktur sedymentacyjnych w utworach turbidytowych w miarę oddalania od źródła materiału prąd Iły Skala basenowa Laminowane iły i pyły Przekątnie laminowane gruboziarniste pyły i piaski bardzo drobnoziarniste Horyzontalnie laminowane piaski drobno-do średnioziarnistych Uziarnione piaski średniodo gruboziarnistych Hieroglify organiczne i mechaniczne Powszechne Powszechne hieroglify hieroglify mechaniczne organiczne Spadek średnicy ziaren w dół prądu Hipotetyczna zmienność utworów turbidytowych deponowanych przez prąd zanikający, w kierunku przemieszczania prądu Wg. Allen, 1985

32 Prądy zawiesinowe turbidite current Mechanizmem podtrzymującym ruch ziaren jest autosuspensja Prądy gęste: Często kompletne ławice odpowiadające sekwencji Boumy Erozyjny spąg Uziarnienie w dolnej części ławicy nieuporządkowane Uziarnienie frakcjonalne obejmuje jedynie grubsze frakcje Gradziński i in., 1986 Prądy o małej gęstości: Głównie frakcja pyłowa i ilasta Uziarnienie frakcjonalne obejmuje wszystkie ziarna; ku górze ławicy malej średnia średnica ziarna Obecność delikatnej laminacji Trudne do odróżnienia od mułów hemipelagicznych

33 Zasięg g transportu oraz układ osadów w prądów zawiesinowych zależy y od: ZASILANIA CZOŁA PRĄDU zasilanie czoła prądu w wyniku szybszego dopływu ze strefy położonej w górze prądu ukształtowanie podłoża GĘSTOŚCI PRĄDU spadek gęstości prądu zawiesinowego w wyniku mieszania z otaczającą cieczą spadek gęstości prądu w wyniku sedymentacji

34 cd. istnieje ciągła zmienność charakteru przepływu, nawet w obrębie tego samego prądu zawiesinowego, zależna od dominującego typu transportu osadów (proporcja pomiędzy wleczeniem, saltacją a suspensją) oraz od mechanizmu transportu ziaren (turbulencja, kolizje międzyziarnowe) prędkość przemieszczania prądu zawiesinowego zależy od kąta nachylenia zbocza, gęstości i grubości prądu prądy zawiesinowe mogą przemieszczać się na bardzo duże odległości po płaskim dnie basenu ze względu na różnice ciśnień i znaczne siły bezwładności czoło prądu zawiesinowego porusza się wolniej niż płyn w obrębie ciała prądu, w efekcie powoduje to wewnętrzną cyrkulacje i mieszanie płynu kierunki strug prądowych w czole prądu i spowodowane nimi struktury erozyjne (hieroglify prądowe), mogą wykazywać duże zróżnicowanie, nawet do w pojedynczym prądzie

35 fot. J. Rubinkiewicz

36 Flisz zespół osadów terygenicznych powstający w stosunkowo głębokich basenach morskich, przy znacznym udziale prądów zawiesinowych i innych spływów grawitacyjnych (Gradziński i in., 1986) Wg. Gradziński i in., 1986