autor:

Historia

Laboratorium Sedymentologiczne działa przy Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska. Znajduje się w budynku głównym A-0 Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Jest to jedyne w Polsce laboratorium sedymentologiczne, zajmujące się reprodukowaniem struktur sedymentacyjnych. Jego historia sięga roku 1973, kiedy to dzięki inicjatywie prof. Janusza Kotlarczyka, a w wyniku prac dr Krzysztofa Pasierbiewicza i mgr Jana Kępińskiego wykonany został prototyp modelu koryta aluwialnego. Początkowo badania dotyczyły genezy struktur sedymentacyjnych w zależności od warunków przepływu i morfologii dna, natomiast w ostatnim dziesięcioleciu Laboratorium Sedymentologiczne zostało zmodernizowane, a tematyka badawcza została ukierunkowana na badania eksperymentalne nad sedymentacją osadów mułowo – solnych. Najważniejszym krokiem było uruchomienie prototypowego miernika izotopowego do bezinwazyjnego, ciągłego pomiaru prędkości przepływu cieczy oraz koncentracji zawiesiny ilastej przepływającej w korycie doświadczalnym przy wykorzystaniu promieniowania γ. Wcześniej pomiar był pracochłonny i czasochłonny. Dzięki badaniom laboratoryjnym powstało kilka prac magisterskich i doktorskich, a także kilkadziesiąt publikacji naukowych. W laboratorium prowadzone są też ćwiczenia dla studentów. Celem tych ćwiczeń jest zapoznanie się ze standardowymi procedurami przeprowadzania eksperymentalnych badań modelowych, które są niezbędne w pracy badawczej geologa.

Metodyka badawcza

Prace badawcze geologa powinny polegać na przeprowadzeniu logicznej analizy badanego procesu, która prowadziłaby do poznania zależności przyczynowo-skutkowych między przyczyną, przebiegiem i skutkiem procesu geologicznego. Pomagają mu w tym ściśle określone reguły metodyczne. Oto kilka typowych etapów metodycznych:

1. obserwacja cech badanego materiału geologicznego

2. próba wyjaśnienia przyczyn powstania danej struktury sedymentacyjnej, czyli hipoteza (lub kilka hipotez)

3. udowodnienie hipotezy (przeprowadzenie eksperymentalnych badań modelowych)

4. zmodyfikowanie lub odrzucenie hipotezy

5. po serii badań i doświadczeń hipoteza zostaje udowodniona, a więc staje się teorią powszechnie uznawaną przez naukę

Eksperymentalne badania modelowe służą do doświadczalnego poznawania, w jaki sposób na badane zjawisko lub proces geologiczny wpływa jakiś czynnik, a wszystko to odbywa się w kontrolowanych ilościowo warunkach laboratoryjnych.

Istnieją 3 podstawowe typy modeli stosowanych w geologii:

1. Modele pojęciowe (konstruowane bez użycia narzędzi, np. przedstawione w podręczniku w formie graficznej)

2. Modele matematyczne (odpowiednio skonstruowane programy komputerowe)

3. Modele fizyczne (odtwarzające naturalne procesy sedymentacyjne w warunkach laboratoryjnych, jeśli zachodzą one w dużej skali stosuje się modele redukcyjne)

Konstrukcja modelu koryta aluwialnego i cel badań

W laboratorium Sedymentologicznym znajduje się model fizyczny kanału aluwialnego. W rzeczywistości wygląda to tak, że w naturalnym cieku wodnym mieszanina wody i materiału osadowego przepływa nad nieskonsolidowanym dnem z materiału ziarnistego, w efekcie czego materiał ten jest w określony sposób transportowany. Głównym elementem w modelu jest kanał doświadczalny. Jest on wypełniony wodą, a na dnie są takie materiały ziarniste jak ił, piasek, czy żwir. Recyrkulacyjny obieg wody sprawia, że przy zastosowaniu pompy wirowej wbudowanej w rurociąg, w systemie modelowym krąży stała ilość wody. W kanale przepływowym można zmieniać różne parametry: prędkość przepływu mieszaniny woda-osad, natężenie przepływu, głębokość przepływu, spadek hydrauliczny, oraz gęstość mieszaniny woda-osad. Zewnętrzne urządzenie zasilające system materiałem osadowym pozwala na równomierne i kontrolowane dodawanie do przepływającej modelu strugi cieczy nowych porcji materiału osadowego o określonej ilości i granulometrii. Miernik izotopowy służy do pomiaru gęstości zawiesiny przepływającej w korycie. Działa na zasadzie absorpcji promieniowania γ. Przez strugę przechodzi wiązka protonów emitowanych ze źródła promieniotwórczego, a wartości wyświetlają się na ekranie komputera.

Badania modelowe wykonywane w Laboratorium Sedymentologicznym są badaniami ilościowymi, mającymi na celu określenie:

• związku pomiędzy typem reprodukowanej struktury sedymentacyjnej a charakterystyką hydrodynamiczną środowiska sedymentacji;

• określenie mechanizmu tworzenia się tych struktur;

• wyznaczenie granicznych limitów hydraulicznych inicjujących powstawanie poszczególnych odmian strukturalnych;

• określenie charakteru przepływu wytwarzającego dany typ struktury sedymentacyjnej.

Ostatecznym celem badań jest ustalenie matematycznych zależności funkcyjnych pomiędzy typem struktury a hydrodynamiką przepływu i charakterystyką materiału osadowego. Większość obliczeń opartych jest na zasadach i wzorach hydrauliki i hydromechaniki klasycznej.

Formy dna

Formy dna zmieniają się wraz ze wzrastającą siłą strumienia. Kolejność ich występowania jest następująca:

1. płaskie dno bez poruszającego się nad nim materiału osadowego;

2. riplemarki;

3. riplemarki na wydmach podwodnych;

4. wydmy podwodne;

5. płaskie dno z poruszającym się nad nim materiałem osadowym (przesłoną trakcyjną);

6. wydmy wsteczne;

7. rynny i baseny erozyjne.

Wpływ na powstanie konkretnej formy ma też reżim przepływu kształtującego te formy. 2 zespoły warunków transportu określamy jako reżim dolny i górny przepływu.

W dolnym reżimie przepływu natężenie transportu jest małe, a opór przepływu duży. Prąd jest spokojny. Tutaj transport ziaren jest nieciągły, a podprądowe zbocza wypukłych form ulegają erozji. Nie wszystkie ziarna budujące dno koryta aluwialnego są transportowane. Depozycja materiału ziarnowego następuje na zboczach zaprądowych. Charakterystycznymi formami dna są:

1. dolne płaskie dno,

2. małe i duże riplemarki,

3. fale piaskowe.

Dolne płaskie dno (dno płaskie z ruchem ziaren) powstaje przy niewielkich prędkościach przepływu i tylko w materiale o średnicy ziarna > 0,6mm. Na dnie powstaje płaska, pozioma laminacja.

Małe riplemarki są formowane z materiału o stosunkowo drobnym ziarnie, mają łagodnie nachylone zbocza podprądowe i strome zaprądowe . Wysokość tych form jest nieznaczna i dochodzi od kilku milimetrów do kilku centymetrów. Kształt małych riplemarków jest różny. Najczęściej są językowate, których grzbiety są wypukłe patrząc pod prąd. W ustabilizowanym przepływie riplemarki występują w postaci dość regularnych ciągów.

Fale piaskowe są formami dużymi, wybitnie asymetrycznymi, o prostym lub lekko falistym długim grzbiecie. Wysokość ich stoków zaprądowych jest rzędu decymetrów i może przekraczać 2m, zaś długość stoków podprądowych mierzy dziesiątki metrów. Stok zaprądowy mniejszych fal piaskowych jest stromy i ma charakter stoku osypiskowego. W przypadku większych fal bywa słabiej nachylony. Poniżej stoków zaprądowych nie są rozwinięte większe zagłębienia erozyjne. Stoki podprądowe są płaskie lub pokryte riplemarkami.

Duże riplemarki są formami dużymi powstającymi z materiału o średnicy ziarn >0,2mm. Mają grzbiety mniej lub bardziej regularnie kręte lub wygięte półksiężycowo. Wysokość stoków zaprądowych tych form jest rzędu decymetrów, zaś stosunek wysokości do rozstępu między grzbietami jest stosunkowo mniejszy niż w przypadku fal piaskowych. Stok podprądowy jest bardziej stromy niż u fal piaskowych, często pokryty małymi riplemarkami. Stok zaprądowy ma charakter stoku osypiskowego i jest na ogół stromy. Charakterystyczne są wyraźne zagłębienia erozyjne formowane na przedpolu stoków zaprądowych.

W górnym reżimie przepływu natężenie transportu jest duże, a opór przepływu mały wskutek ciągłego ruchu ziarn. Prąd jest rwący. Energia przepływu jest rozpraszana wskutek tworzenia się fal na powierzchni wody. Transport materiału odbywa się na całej powierzchni dna koryta aluwialnego. Ziarna transportowane są w sposób ciągły, a grubość poruszającej się warstwy ziarn jest wielokrotnie większa od średnicy ziarna. Formami dna są tu:

1. dno zrównane,

2. antydiuny.

Górne płaskie dno (dno zrównane) określa fazę transportu, w której warstwa ciągle transportowanego materiału jest płaska (laminacja pozioma), a nierówności dna nie przekraczają maksymalnej średnicy transportowanych ziarn. Natężenie transportu w tej formie jest dość duże.

Antydiuny występują przy wysokich wartościach mocy przepływu i prądzie rwącym. Materiał piaszczysty transportowany w sposób ciągły i masowy tworzy wypukłe nierówności, zgodne w fazie z falami powierzchniowymi. Antydiuny mogą być stacjonarne albo przemieszczać się pod lub z prądem. Natężenie transportu materiału w fazie antydiun jest duże i może przybierać różne wartości w zależności od wielkości transportowanego ziarna. Podczas transportu materiału powstaje osad niewarstwowany lub tworzy się niskokątowe warstwowanie przekątne nachylone pod lub z prądem, w zależności od tego czy antydiuna przemieszcza się w górę czy w dół strumienia.

Warto wspomnieć o dwóch ważnych parametrach. Są to liczby Reynoldsa i Froude'a. Ta pierwsza określa siły oporu wywierane na opadające ziarno. Parametr ten zależny jest od

średnicy ziarna, jego prędkości i lepkości płynu. Wyróżniamy typy przepływu:

• ruch laminarny Re › 2100 (uporządkowany),

• ruch przejściowy 2100 ‹ Re ‹ 3000 (częściowo uporządkowany),

• ruch turbulentny 3000 ‹ Re ‹ 500000 (burzliwy).

W korytach aluwialnych liczba Reynoldsa ma bardzo dużą wartość, więc przepływy są zazwyczaj turbulentne.

Z kolei liczba Froude'a określa stosunek prędkości przepływu do prędkości rozchodzenia się fal grawitacyjnych. Jest ona o tyle ważna, że znając ją można stwierdzić, jaki typ formy dna powstanie.

0,00 < Fr < 0,15 płaskie dno bez ruchu osadu

0,15 < Fr < 0,30 riplemarki

0,30 < Fr < 0,60 wydmy podwodne

0,60 < Fr < 1,00 formy przejściowe

1,00 < Fr < 1,30 płaskie dno z przesłoną trakcyjną

Fr < 1,30 wydmy wsteczne

Procesy modelowe

Ćwiczenia, które odbywają studenci wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska w Laboratorium Sedymentologicznym mają na celu zaprezentowanie mechanizmu powstawania

laminacji przekątnej. Jest to struktura depozycyjna, w której laminy ułożone są skośnie względem powierzchni granicznych jednostek wyższego rzędu. Na początku ćwiczenia trzeba wyrównać dno koryta doświadczalnego pokrytego piaskiem kwarcowym. Potem następuje przepływ cieczy, do której wsypuje się z urządzenia zasilającego taki sam piasek, jak na dnie. Po pewnym czasie usypuje się z niego pryzma. Wzrasta ona dopóki nie wystąpi nad jej grzbietem krytyczna wartość głębokości przepływu, bo wtedy zaczyna się transport materiału osadowego z grzbietu pryzmy. Ziarna piasku są gromadzone na skłonie zaprądowym pryzmy, po czym zaczynają się po tym stoku grawitacyjnie osypywać. Osypywanie następuje lawinowo i okresowo. Cykliczne osuwanie się kolejnych lawin powoduje powstawanie kolejnych lamin warstwowania przekątnego oraz poziomy przyrost pryzmy w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu. W ten sposób tworzy się zestaw warstwowania przekątnego. Następnie zwiększa się głębokość przepływu. Na pryzmie zaczyna się usypywać nowy stożek materiału osadowego. Nowa pryzma pokrywa starą i powstaje nowy zestaw laminacji przekątnej. 2 powstałe zestawy tworzą wspólnie wielo-zestaw warstwowania przekątnego.

Studenci przychodzący na zajęcia w Laboratorium Sedymentacyjnym mogą obserwować także różne rodzaje transportu ziaren materiału osadowego. W zależności od frakcji materiału wyróżnia się 3 rodzaje transportu:

1. transport suspensyjny (ziarna o frakcjach najdrobniejszych) – ziarna materiału osadowego nie kontaktują się z dnem;

2. transport saltacyjny (ziarna drobno i średnio-ziarniste) – kontakt ziaren materiału osadowego jest przerywany, a ziarna wykonują skoki odbijając się od dna koryta doświadczalnego;

3. transport wleczony lub trakcyjny (transport ziaren przez wleczenie po dnie) – transportowane ziarna wykazują ciągły kontakt z dnem koryta.

Zakończenie

Z posiadania na uczelni Laboratorium Sedymentologicznego płynie wiele korzyści. Studenci Akademii Górniczo-Hutniczej mają możliwość na własne oczy zobaczyć model fizyczny kanału aluwialnego, dowiedzieć się, jak jest on skonstruowany i jak działa, co ułatwia zrozumienie istoty transportu hydraulicznego. Jest to jedyne takie laboratorium w Polsce, więc badania w nim prowadzone są unikalne w skali kraju. Ich wynikiem są wydane liczne publikacje naukowe. Wiedza ta jest także przydatna w pisaniu prac magisterskich i doktorskich. Konieczna jest zatem modernizacja, aby poszerzyć zakres badać i zwiększyć potencjał laboratorium.

Bibliografia

Gradziński R., Kostecka A., Radomski A. & Unrug R., „Zarys Sedymentologii”, Wyd.Geol., Warszawa 1986

http://www.kgos.agh.edu.pl/download/Laboratorium_sedymentologiczne.pdf

http://www.kgos.agh.edu.pl/index.php?action=problematyka&subaction=sedymentologia_eksperymentalna

http://www.uci.agh.edu.pl/laboratoria/laboratorium.php?a=497

http://brasil.cel.agh.edu.pl/~10skmolfa/page/transport_hydrauliczny