Procesy sedymentacyjne - są to procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne prowadzące do nagromadzenia osadu/powstania skały osadowej. Musimy zastanowić się skąd bierze się energia tych procesów. Są trzy zasadnicze przyczyny:

• endogeniczne: energia Ziemi, diastrofizm (pole grawitacyjne Ziemi) – obszary różnie elewowane różnią się energią potencjalną. Gradienty wysokości warunkują zachodzenie wszystkich procesów gradacji. Wzór na przyspieszenie grawitacyjne:

• energia promieniowania słonecznego prowadzi do wytworzenia gradientów temperatur i ciśnienia w hydrosferze i atmosferze. Jest też ważne ze względu na rozwój biosfery, która wpływa na procesy sedymentacyjne.

• Energia wiązań chemicznych ma znaczenie przy tworzeniu osadów hydrogenicznych i diagenetycznych

Procesy te mogą zachodzić czasami w sposób nieprzewidywalny. W taki że energia tych procesów jest bardzo duża w stosunku do impulsu, który go wywołał. To są takie układy spustowe. Skutek tego procesu będzie niewspółmierny do impulsu. Są to np. lawiny śnieżne czy lawiny błotne. Energia potencjalna jaka jest zgromadzona na stoku jest na tyle duża, że wystarczy niewielki impuls do zainicjowania procesu o poważnych skutkach.

Ośrodki w jakich odbywa się transport materiału ziarnowego:

• woda

• powietrze

• lód

• różne mieszaniny osadu i wody

Transporty te różnią się między sobą, bo i ośrodki mają różne własności. Sposób transportu jest też różny. Mamy dwa główne rodzaje transportu: hydrauliczny i grawitacyjny. Transport hydrauliczny zachodzi pod działaniem siły przepływu płynu, wiatru czy wody, kosztem energii kinetycznej płynu, np. rzeki, prądy morskie. Mamy taką sytuację że ośrodek porusza się i napędza nam ziarna. Działa siłą, zabiera te ziarna i włącza do transportu.

Materiał ziarnowy transportowany hydraulicznie tworzy różne formy dna czy też formy powierzchni (w środowisku lądowym). Te różne formy dna i powierzchni będą charakteryzowały się różnymi strukturami osadu. Transport hydrauliczny może różnie się zapisywać w osadzie.

Transport grawitacyjny zachodzi pod działaniem siły ciężkości kosztem energii potencjalnej przemieszczanego materiału, np. ruchy masowe, prądy zawiesinowe. O ile w transporcie hydraulicznym mieliśmy poruszający się ośrodek, to tu mamy sytuację, że ośrodek stoi, ale materiał zgromadzony na stoku zawiera energię potencjalną i gdy zostanie jakoś uruchomiony, włącza w ruch ośrodek. Może utworzyć zatem mieszaninę osadu z powietrzem albo z wodą. Przykładem są osuwiska czy spływy rumoszu.

My w tej chwili zajmiemy się transportem hydraulicznym. Ośrodki w których dochodzi do transportu hydraulicznego to płyny. Płyny to nie tylko ciecze, ale również gazy. To każda substancja, która może dowolnie zmieniać swój kształt w zależności od naczynia, w którym się znajduje oraz przemieszcza się swobodnie.

Najważniejsze własności płynów to gęstość i lepkość. Gęstość to stosunek masy do objętości. Poniżej podano przykładowe gęstości typowych ośrodków transportu hydraulicznego:

• wody morskiej 1,03

• wody słodkiej 1,000

• lodu lodowcowego 0,90

• powietrza 0,001 g/cm³

Dla porównania :

• kwarcu 2,63

• minerałów ciężkich 2,9

W wodzie morskiej gęstość zależy od:

• zasolenia – im większe tym większa gęstość, bo rozpuszczone substancje mineralne są cięższe od wody. Im jest ich więcej w jednostce V, tym masa wody jest większa. Wzrost zasolenia o 1 promil powoduje wzrost gęstości o 0,0008 g/cm

• Temperatura – powoduje obniżenie gęstości, bo T określa nam rozszerzalność objętościową wody. Im T jest wyższa, tym ta sama masa ma większą objętość. Wyjątkiem jest woda poniżej 4° C, która do tej granicy zmniejsza swoją objętość, czyli zwiększa gęstość.

• Ciśnienie – wzrost ciśnienia powoduje wzrost gęstości. Określa nam stopień ściśnięcia wody. Im woda poddana zostaje większemu ciśnieniu tym upakowanie cząstek w jednostce v jest większe. Wzrost odpowiadający przejściu wody od powierzchni do głębokości 1000 m powoduje wzrost gęstości 0,0045 g/cm³_.

Druga ważna własność płynów to lepkość. Jest to podstawowa mierzalna cecha płynów. Jest miarą oporu wewnętrznego, jaki stawia płyn poddawany naprężeniom ścinającym, zmuszającym go do przepływu. Inaczej jest to własność, która charakteryzuje zdolność do przeciwstawiania się odkształceniom. Jeżeli jest duża lepkość to musimy użyć większej siły, by dokonać takiego samego przemieszczenia. Lepkość zależy od :

• rodzaju płynu –

• temperatury

  • w cieczach wzrost temperatury powoduje znaczne obniżenie lepkości

  • W gazach wzrost temperatury powoduje niewielki wzrost lepkości

Jednostki lepkości to paskalosekundy czyli Ns/m². Gliceryna ma lepkość 149, woda 0,1, miód 176, powietrze 0,0018, krew 0,4, a olej 11 Pa s.

Ściśliwość – zdolność do zmiany objętości pod wpływem zmiany ciśnienia zewnętrznego.

Płyny newtonowskie i nienewtonowskie

Biorąc po uwagę te dwie ostanie własności możemy wyróżnić płyny idealne - nielepkie i nieściśliwe. Nawet jeśli zmusimy go do przepływu, to nie powstają żadne siły tarcia. Płyn rzeczywisty jest lepki i ściśliwy. W przyrodzie istnieją tylko rzeczywiste (one nazywają się inaczej płynami newtonowskimi, np. woda i powietrze mają określone lepkości i ściśliwości).

Wyobraźmy sobie przepływ wody nad płytką nieruchomą, a na powierzchni wody płytkę ruchomą (v > 0). Na wysokości dy zmienia się dv. Wyrazem odkształcenia płynu rzeczywistego jest powstający w nim gradient prędkości dv/dy określany jako zmiana prędkości na jednostkę długości (ryc. 2 + Gradziński ryc. 2-1)

Jeżeli każda z kolejnych warstwa porusza się z większą prędkością to powstaje między nimi siła oporu.

Naprężenie ścinające to naprężenie styczne – jest to siła powierzchniowa występująca w każdym płynie rzeczywistym, w którym istnieje ruch względny miedzy cząsteczkami płynu lub między płynem a ciałem stałym.

Jeżeli zależność między tempem odkształcenia i siłą ścinająca przypadająca na jednostkową powierzchnię jest liniowa ciecze newtonowskie

μ – lepkość dynamiczna – stała proporcja między przyłożoną siłą i wynikającym niej przepływem/odkształceniem.

τ = μ(dv/dy)

Płyn rzeczywisty to każdy płyn, w których lepkość dynamiczna nie zależy od prędkości ruchu. To znaczy że ta lepkość jest stała w stałych warunkach T i P i nie zależy od naprężenia ścinającego τ lub okresu trwania tego ścinania. Niezależnie od tego jak szybko i jak długo mieszamy wodę lepkość się nie zmienia. Inne przykłady to mleko, roztwór cukru i olej mineralny.

Płyny nienewtonowskie czyli nierzeczywiste. Są to płyny, w których lepkość dynamiczna (μ) zależy od gradientu prędkości ruchu lub od długości trwania ścinania. Z nimi będziemy mieli do czynienia przy transporcie grawitacyjnym.

Pierwsza grupa to taka, gdzie lepkość zależna jest od gradientu prędkości ruchu dv/dy (4). Wyróżniamy:

• płyny pseudoplastyczne, gdzie n > 1. Jeżeli gradient prędkości rośnie (szybciej niż ścinanie; por. krzywa na wykresie poniżej wypłaszcza się), to lepkość dynamiczna maleje. Obserwujemy w lodzie lodowcowym i potokach błotnych.

• Gdy n<1. To substancje dylatacyjne. Jeżeli gradient prędkości rośnie (wolniej niż ścinanie), to rośnie lepkość. Jest to przepływ zagęszczonej mieszaniny piasku i wody – dlatego właśnie podlega spękaniom.

Druga grupa to zależna od czasu trwania ścinania t. Mamy tu substancje tiksotropowe. Im czas jest większy tym lepkość mniejsza. Zluźnianie szkieletu ziarnowego mieszaniny- upłynnianie: nawodnione piaski szybko deponowane.

Są też substancje zagęszczane ścinaniem. Jak wydłużamy czas, to lepkość rośnie. Tu mamy wzmacnianie szkieletu ziarnowego, np. zaprawa gipsowa.

Ruch laminarny i turbulentny (Liczba Reynoldsa)

Wracamy teraz do płynów rzeczywistych. Najpierw trochę o sposobach ruchu. Wyróżniamy ruch laminarny i turbulentny. Ruch laminarny jest to taki, w którym tory ruchu cząsteczek są liniami równoległymi, nie krzyżują się ze sobą. Kierunek ruchu jest zgodny z kierunkiem przepływu. Ten przepływ jest przepływem ustalonym. Plik wektorów prędkości nie zmienia się w czasie. Tory ruchu cząsteczek wyznaczają nam linie prądu. Jeżeli mamy przeszkodę, to ta przeszkoda jest opływana, przy czym nie następuje przerwanie czy krzyżowanie, a jedynie zgęszczenie torów ruchu.

W ruchu turbulentnym tory ruchu się krzyżują, a nawet mogą się cofać. Mówimy że przepływ jest nieustalony. Tor ruchu pojedynczej cząsteczki nie wyznacza nam linii prądu, a dopiero ich wypadkowa.

Jeżeli sobie popatrzymy na rozkład prędkości przy przepływie wody przez rurę (5) to prędkość średnia przepływu będzie równa połowie prędkości maksymalnej mierzonej w osiowej części rury.

W ruchu turbulentnym v_śr = 0,83 v_max. Średnia prędkość przepływu w ruchu turbulentnym jest relatywnie wyższa (w stosunku do prędkości maksymalnej) niż średnia prędkość przepływu w ruchu laminarnym.

Lepkość w ruchu turbulentnym jest większa niż w laminarnym, bo dochodzi lepkość wirowa ‘ni’, która jest dużo większa niż lepkość dynamiczna μ.

Z tego wynika, że przy tej samej wartości dv/dy przepływ turbulentny wywiera na dno o wiele większe naprężenia ścinające niż przepływ laminarny.

Lepkość wirowa osiąga największe wartości w strefach wysokiego gradientu, a więc w pobliżu dna (ryc. 6) Dlatego przepływy turbulentne powodują zawsze większą erozję niż przy laminarnym.

Jeżeli powierzchnie będziemy bardziej nachylać, to przepływ stanie się bardziej turbulentny. Moment przejścia od ruchu laminarnego do ruchu turbulentnego definiuje nam liczba Reynoldsa. Ona określa nam stosunek sił bezwładności występujących w płynie do sił lepkości. (7)

•  is the mean velocity of the object relative to the fluid (SI units: m/s)

• L is a characteristic linear dimension, (travelled length of the fluid; hydraulic diameter when dealing with river systems) (m)

• μ is the dynamic viscosity of the fluid (Pa·s or N·s/m² or kg/(m·s))

• ν is the kinematic viscosity (ν = μ / ρ) (m²/s)

•  is the density of the fluid (kg/m³)

Charakterystyczny parametr liniowy. Jeżeli mamy przepływ w korycie to parametr liniowy to promień hydrauliczny koryta. Jest to R=A/P

• A to powierzchnia przekroju poprzecznego koryta zajętego przez przepływ

• P – obwód zwilżony= a + b + c (ryc. 8 + Gradziński 2-2)

W rurze o średnicy d całkowicie wypełnionej wodą ma parametr l = ¼ d (ryc. 8b)

Gdy dominują siły lepkości to liczba Reynoldsa ma małe wartości i przepływ jest laminarny (np. upłynniony muł, lawa).

Gdy dominują siły bezwładności to mamy duże wartości Re i przepływ jest turbulentny (np. wiatr, bo ma małą lepkość, czyli prądy atmosferyczne. Wiatr praktycznie zawsze jest turbulentny)

Dla przepływów doświadczalnych w rurach i korytach liczba Re zawiera się między 500 a 2000. Wartość Re, przy której następuje przejście do stanu burzliwego zależy od

• temperatury (wpływa na lepkość)

• szorstkości dna i ścian koryta, przy gładkim jest wyższa, przy chropowatym niższa i przepływ jest burzliwy.

Prąd spokojny i rwący (liczba Froud’a)

Drugi parametr definiujący stan prądu to liczba Froud’a. Bada ona relację sił bezwładności do sił grawitacji działających na płyn (9).

Parametrem bezwładności jest prędkość przepływu, a parametrem grawitacji prędkość rozchodzenia się fal grawitacyjnych na powierzchni płynu (c = $\sqrt{\text{gh}}$ gdzie, g – przyspieszenie ziemskie, h – głębokość wody). Kryterium to określa zatem wpływ przyspieszenia siły ciężkości na ruch płynu.

Gdy mamy prąd spokojny (ruch podkrytyczny) to Fr < 1 to znaczy, że siły grawitacyjne przeważają nad siłami bezwładności. Jeżeli wrzucimy kamień w taki przepływ gdzie mamy prąd spokojny, to spowoduje on powstanie kółek (fale grawitacyjne na powierzchni wody. Jeżeli wrzucimy przeszkody w korycie oddziałują na przepływ powyżej spiętrzając płyn).

Jeżeli liczba Fr = 1 mówimy że przepływ jest krytyczny, niestabilny (0,9<Fr<1,2). Powstają fale stojące. (kiedy? przy wrzuceniu kamienia? To byłoby najlogiczniejsze)

Fr > 1 to prąd rwący. Poziom płynu nad przeszkodą jest niższy niż w otoczeniu przeszkody (11). Zaburzenia w przepływie nie są przenoszone przez prąd (po wrzuceniu kamienia nie tworzą na powierzchni wody kółek).

Przejście od prądu spokojnego w rwący, zaznacza się obniżeniem poziomu płynu w korycie. W sytuacji odwrotnej mamy podniesienie poziomu w korycie i powstaniu tak zwanego odskoku hydraulicznego (ryc.12 + Gradziński 2-3). To można za tamami obserwować. Na wylewie z tamy ruch rwący, a zaraz dalej mamy spiętrzenie.

Na podstawie liczby Froud’a i Reynoldsa definiujemy cztery zasadnicze rodzaje przepływu (13 + Gradziński tabela 2-1, rycina 2-4).

Warstwa przyścienna

Na kontakcie płynu z ciałem stałym tworzy się warstwa przyścienna graniczna – strefa płynu sąsiadujące z powierzchnią ciała stałego, w której występują gradienty prędkości dv/dy (zorientowane prostopadle do kierunku przepływu) i τ (ryc. 14 + Gradziński 2-5). Wyróżnia się warstwę przyścienną laminarną i turbulentną.

W pełni rozwinięta warstwa turbulentna składa się z trzech części:

• warstwa lepka – bardzo cienka, a przy chropowatych brak. Dominują siły lepkości, więc ruch jest laminarny

• warstwa buforowa – silne wiry o małej skali, znaczny gradient prędkości

• obszar zewnętrzny – wiry mają większą skalę, a gradient prędkości jest łagodny (ryc. 15 + Gradziński 2-6)

Warstwa przyścienna nie zawsze jest styczna z podłożem. Występuje to gdy mamy nierówności (16 + Gradziński 2-7). W powierzchni rozdziału powstają kolosalne naprężenia ścinające. To ma znaczenie dla struktur sedymentacyjnych. Z reguły gruby piasek osypuje się po tej powierzchni, a drobniejsze ziarna są transportowane po powierzchni rozdziału i opadają (im mniejsze tym dalej). Tak też jest z ripplemarkami zawietrznymi.

Przykład poprzecznego rowu. Tworzą się komórki cyrkulacji wstecznej¹. Inny przykład poprzeczna przegroda.²

Dalej kula- pokazane jak liczba Re wpływa na to …- jak się wydłuża strefa cienia przy większej liczbie Re. (Gradziński 2-8)

Ruch materiału ziarnowego (osady kohezyjne i niekohezyjne)

Nie każdy przepływ uruchamia nam materiał. Jeżeli v rośnie to τ rośnie także. τ może w końcu osiągnąć wartość graniczną (graniczne naprężenie ścinające), przy której możliwe będzie oderwanie ziarna od dna. To tak zwany próg ruchu.

Prędkość ścinająca, przy której następuje oderwanie, to prędkość przy której naprężenie ścinające osiąga właśnie tę wartość progową(17).

Oczywiście wartości progowe prędkości i naprężenia zależą od materiału występującego w podłożu. Bardzo ważne znaczenie ma tutaj kohezja czyli spójność osadu – jest to zdolność osadu do przeciwstawiania się jego rozdzieleniu na pojedyncze ziarna. Ona spowodowana jest:

• przyciąganiem międzycząsteczkowym

• oddziaływaniem elektrochemicznym

• obecnością koloidów w porach osadu

Wyróżniamy zatem osady niekohezyjne (niespoiste, luźne) – ziarna osadu nie są powiązane ze sobą w żaden sposób siłami powierzchniowymi lub elektrochemicznymi np. piasek, żwir. Ściany koryta poziome.

Osady kohezyjne (spoiste) – ziarna osadu powiązane są z sobą silniej lub słabiej siłami powierzchniowymi lub elektrochemicznymi. Są to osad drobnoziarnisty stanowiący mieszaninę iłu pyłu i materii nieorganicznej, np. ił, muł. Tutaj ściany koryta są prawie że pionowe, co wynika właśnie z kohezji.

Uruchamiania materiału luźnego (niespoistego) – Shields (lata 30-te) – zapoczątkowanie ruchu ziaren zależy od:

• kohezji osadu

• średnicy ziaren (innych cech teksturalnych, np. kształt obtoczenie, wysortowanie)

• ciężaru właściwego ziarna zanurzonego

• ciężaru właściwego płynu

• lepkości płynu

Stwierdzono, że główne znaczenie ma prędkość przepływu i średnica ziarna.

Chciano zdefiniować jaka prędkość jest potrzebna, by uruchomić ziarno a jaka by opadło. To jest diagram Hjulstroma zmodyfikowany przez Sundborga (18 + Gradziński 2-11). Inicjacja ruchu wymaga prędkości większej niż jego utrzymanie. Przy piasku i żwirze zależność jest bardzo regularna. Przy frakcjach ilastych sedymentacja jest podobna, ale kohezja powoduje że prędkość przepływu która spowoduje erozję dna musi być większa niż w przypadku materiałów luźnych. W przypadku erozji materiału kohezyjnego wyrywane są całe fragmenty bryły tego osadu. Diagram z 1956.

O oderwaniu ziarna od podłoża decyduje prawo Bernoullego (ryc. 19 + Gradziński 2-12).

Prawo Bernoullego mówi że suma energii kinetycznej i potencjalnej jest w danym przepływie taka sama. Jeżeli jedna składowa się zmienia to druga też musi się zmienić żeby była taka sama wartość całego równania.

za masę m przyjmujemy m = ρV i dzielimy równanie przez V

Czyli jeżeli prędkość wzrośnie to musi maleć ciśnienie.

---

1. Fizyczne procesy sedymentacji ryc. 1.8 a↩

2. Fizyczne procesy sedymentacji ryc. 1.8 c↩