Dziś o grawitacyjnych spływach osadów. Te spływy grawitacyjne to spływy cieczy nienewtonowskich¹. W newtonowskich mechanizmem podtrzymującym jest turbulencja. W przypadku nienewtonowskich są cztery podstawowe mechanizmy, kohezja, siła tarcia wewnętrznego, wypławianie² i ciśnienie dyspersyjne. W zależności od koncentracji mamy różne rodzaje spływów wyróżnione: niskogęstościowe, wysokogęstościowe prądy zawiesinowe, przeciążone osadem spływy, mułowe i piaszczyste spływy rumoszu, spływy kolizyjne i pomiędzy nimi wiele faz przejściowych. Oprócz tego mamy wiele faz przejściowych. My omówimy cztery podstawowe. Będziemy mówić o kolizyjnych, spływach upłynnionego materiału, spływach kohezyjnych i prądach zawiesinowych.

Poniższa rycina przedstawia mechanizmy odpowiadające za poszczególne spływy.

Najpowszechniejszy to kohezyjny. Tu mechanizmem podtrzymującym ziarna grube jest kohezja frakcji najdrobniejszej. One zachodzą w osadach które stanowią mieszaninę wszystkich frakcji. Wyróżniamy fazę rozproszoną (żwir i piasek) oraz rozpraszającą (ił, muł). Ich kohezja powoduje, że są utrzymywane w zawiesinie.

To jest model odkształcenia plastycznego Binghama. Tu odkształcenie jest liniowe. Jeżeli spojrzymy na rysunek tu jest rozkład prędkości. Na początku przy powierzchni mamy gradient prędkości, ale w pewnym momencie one się nie zmieniają ku powierzchni. On jest nazywany przepływem tłokowym ten górny. To jest tak, że w obrębie miodu mamy gradient prędkości a w korku przepływ tłokowy. Czyli w tej części górnej nie mamy żadnej segregacji materiału. To jest bardzo ważne jeżeli chodzi o strukturę osadów spływów kohezyjnych. Wytrzymałość na ścinanie jest bardzo niska. Przepływ tłokowy nic się nie rusza, nie ma tarcia wewnętrznego. To dotyczy części z gradientami ruchu i trwa dopóki składowa ścinająca siły ciężkości jest większa od sił oporu wywołanych lepkością masy spływu.³

Na powietrzu przepływ tłokowy zajmuje najwyższą część tego spływu. W środowisku wodnym zajmuje środkową część przepływu, bo na górnej granicy także mamy gradient prędkości.

Gdy siły działające na przepływ równoważą się, to mamy zamrożenie spływu. Z reguły to następuje dosyć gwałtownie. Jeżeli gdzieś u podnóża następuje gwałtowne zrównoważenie sił, to mamy gwałtowne zrzucenie materiału.

One zachodzą w warunkach podwodnych na stokach od 1 – 2°.

Na lądzie te stoki muszą być bardzo strome i z reguły są obciążone rumoszem lub pokryte grubą warstwą gleby.

Przyczynami są najczęściej trzęsienia ziemi, erupcje wulkanów i dodatkowo na lądzie ulewne deszcze, lub gwałtowne roztopy, a w warunkach podwodnych to gwałtowna depozycja, sztormy, uwolnienie gazu.

W zależności od materiału wyróżniamy mułowe bądź błotne (mud flow) gdy matriksu jest > 70% oraz rumoszu/gruzowe (debris flow⁴) gdy matriksu < 70%. Są jeszcze piaszczyste spływy rumoszu, które są ich odmianą.

Jeżeli spływ rumoszu jest zdominowany przez materiał gruboziarnisty to mówimy o olistostromach. To może być materiał przetransportowany z poza basenu. Jeżeli mamy materiał piroklastyczny na stokach wulkanów, to mówimy o laharach. One często mają miejsce, bo erupcjom często towarzyszą opady.

Olistostromy zazębiające się z osadami fliszowymi

Widać przykład spływu mułowego. Szybko 1 – 100 km/h

Małoskalowy spływ kohezyjny

Typowy spływ rumoszu po zboczu skalnym do 1 m /rok do 100 m/h

Spływ rumoszu na stożkach aluwialnych u podnóża krawędzi morfologicznych.

materiał piroklastyczny + opady dają lahary

Kopalny spływ rumoszu

Osady spływów rumoszu to debryty. Ich ławice z reguły mają miąższość do kilku m. Strop jest często uzbrojony. Duże ziarna występują ponad powierzchnią stropu. Spąg najczęściej nie erozyjny. Bardzo złe wysortowanie osadu, często bimodalny rozkład uziarnienia. Jedno to faza rozproszona, a druga rozpraszająca drobnoziarnista. Szkielet ziarnowy jest rozproszony. Osady masywne, bezstrukturalne, rzadko uziarnione frakcjonalnie odwrotnie w najniższej części ławicy. Na granicy z osadami podścielającymi mogą występować struktury obciążeniowe.

Przykład osadu spływu rumoszu. Zlepieniec, para zlepieniec. Spływ rumoszu porusza się generalnie laminarnie. Nie mamy tu turbulencji i dlatego w większości nie powodują erozji zbocza! Ewentualnie to mogą być ślady typu narzędziowych. Bo z reguły w przepływach erozję powoduje turbulencja, a tutaj tego nie mamy.

Inny przykład zawsze mamy takie matriks, - nie jest to nigdy ortozlepieniec.

Przy małych spływach są często jęzory loby o zaokrąglonym froncie

ławice kopalnych debrytów

Duże nieraz ziarna

Przykład olistostrom, które niosą dużo większe głazy (olistolity⁵) niż dominujące medium.

Fragment z uziarnieniem odwróconym.

Kolejny rodzaj to spływy kolizyjne – jest tu ciśnienie dyspersyjne będące wynikiem kolizji międzyziarnowych. To też jest przykład cieczy nienewtonowskiej mieszaniny piasku i wody lub powietrza. Kat nachylenia stoku powinien osiągać tu 30° – jest to w przybliżeniu kąt naturalnego zsypu. Dlatego nie mają miejsca w środowisku morskim One zachodzą wyłącznie w osadach piaszczystych. To jest kąt naturalnego zsypu. One najczęściej zachodzą na zawietrznych bądź zaprądowych stokach. Zawiesina jest utrzymywana w wyniku kolizji międzyziarnowych.

Cechą tekstualno-strukturalną takich osadów jest to, że są one luźne piaszczyste bądź drobnego żwiru. Strop jest zawsze płaski. Ławice są grube bezstrukturalne, masywne.

Jeżeli znajdą się czasem otoczaki to są zorientowane długimi osiami równolegle do kierunku transportu. To jest jednak bardziej teoria niż praktyka. W dolnej części ławic mamy uziarnienie frakcjonalne odwrócone. W spągu hieroglify wleczeniowe , pogrązy.

Spływy upłynnionego materiału⁶

Tu mechanizmem podtrzymującym jest ciśnienie wody porowej i turbulencja. Depozycja zachodzi wskutek utraty wody porowej, która wyciskana jest z dolnych partii spływu ku stropowi.

Te spływy zachodzą na stokach 2 – 30° w zależności od stopnia wysortowania materiału, uziarnienia i zawartości iłu. Tu musi być domieszka materiału ilastego, by taki spływ mógł powstać. Czyli ten oiąt jest tutaj determinowany przez zawartość iłu w osadzie.

Te spływy zachodzą w dobrze wysortowanych piaskach i pyłach. Troszkę tego drobiazgu musi być. Osady grubsze są zbyt przepuszczalne. Z kolei zbyt duża ilość iłu powoduje że upłynnienie uniemożliwione jest przez siły kohezji iłu.

Ławice są odgraniczone od otoczenia. Struktury w obrębie ławicy to struktury ucieczkowe wody (struktury miseczkowe) i wulkany piaszczyste. Może powstawać również laminacja konwolutna związana z ucieczką wody. Czasami może słabo zaznaczać się gradacja najgrubszych ziaren frakcji. Nie występuje tu natomiast typowe uziarnienie frakcjonalne. W spągu mogą być struktury obciążeniowe (również płomieniowe) oraz nieliczne erozyjne.

I tutaj mamy typowy osad, widać struktury miseczkowe

Także inny przykład takiej ławicy, gdzie mamy zaburzoną laminację. Robi się konwolutna laminacja.

Prądy zawiesinowe

To jest odmiana prądów gęstościowych. Prądy gęstościowe w środowiskach wodnych mogą być wywołane wzrostem zasolenia, spadkiem temperatury i poprzez zawartość zawiesiny. I tak naprawdę to jedyny rodzaj spływów grawitacyjnych, który zachodzi wyłącznie w środowisku wodnym. Tutaj pokazano jak to wygląda w oceanie. Jeżeli gęsta woda nam tonie, to się tworzy taki prąd zimny. Prąd powierzchniowy słodki lub brakiczny u ujścia rzek. Dalej prąd śródwarstwowy (zawiesinowy, temperaturowy, zasoleniowy). Najczęściej jednak prądy zawiesinowy występują przy dnie i na jakiś stokach (przydenny).

W prądach zawiesinowych różnica gęstości wynika tylko i wyłącznie z zawartości osadu.

Kąt nachylenie stoku nie ma tu znaczenia, bo jest tu potrzebny impuls początkowy, np. wstrząs sejsmiczny, osuwisko czy ześlizg, inaczej się nie wygeneruje.

Mechanizm podtrzymujący te ziarna w zawiesinie to turbulencja. On jest charakterystyczny i został nazwany autosuspensją (samounoszeniem). Jeżeli zawiesina spływa w dół stoku pod działaniem F_g, to ruch zawiesinowy powoduje powstanie turbulencji. Ona przeciwdziała opadaniu ziaren. Prąd płynie aż do utraty (wskutek oporów tarcia) uzyskanej na stoku energii (Bagnold, 1962).

Jak wygląda czoło prądu zawiesinowego. Tworzą się wały poprzeczne, które migrują w górę prądu (1), bądź takie nieregularne.

Tutaj mamy przykłady nieregularnych czół, a potem fale migrujące w górę tego prądu zawiesinowego.

Teraz jak następuje jego rozpraszanie. Mamy stok i schodzą po nim prądy. Przy falach migrujących w górę prądu, czoło ciągle musi być zasilane przez zawiesinę. Prędkości przepływu w środkowej części są większe niż u czoła, gdzie część migruje pod prąd i zmniejsza prędkość wypadkową.

Czoło pochłania część wody z otoczenia. Następuje zmniejszenie koncentracji i tym samym osłabieniu ulega siła napędowa tego prądu. W końcu, gdy zmniejsza się ta siła napędowa, zagęszczenie spada, zdolność transportowa prądu spada i następuje depozycja niesionego przezeń materiału. Jeżeli założylibyśmy, że mamy nieskończone źródło zasilające to on płynąłby w nieskończoność, ale tak nie jest.

Osad prądu zawiesinowego to turbidyt. Gdy utrata prędkości następuje powoli, to tworzą się 5 - członowe sekwencje osadów o określonych strukturach, tzw. sekwencje Boumy (1962), który to zaobserwował jako pierwszy. Najwięcej takich prądów zawiesinowych rozwija się, tworząc stożki głębokomorskie. To na ich podstawe stwierdzono je po raz pierwszy i potem zinterpretowano w ten sposób.

Taka kompletna sekwencja Boumy składa się z pięciu członów:

• Człon Ta – osady masywne lub uziarnione frakjonalnie. Z reguły piaski gruboziarniste i żwiry. Ten człon powstaje w momencie, gdy zaczyna się sedymentacja. On jest wyrzucany na początku

• Kolejny człon Tb – płaska laminacja pozioma wiązana jeszcze z górnym reżimem przepływu.

• Energia dalej spada, powstaje człon Tc. Strukturą charakterystyczna jest laminacja przekątna riplemarkowa falista lub konwolutna. Jeżeli wchodzimy do dolnego reżimu przepływu i zawiesiny jest mało tworzą się ripplemarki laminowane przekątnie. Jeżeli zawiesiny jest dużo to tworzą się ripplemarki wstępujące i stąd laminacja falista. Ponieważ to ma miejsce nas stoku to powstaje wtórna laminacja konwolutna. Ona powstaje po zdeponowaniu warstwy.

• Laminacja płaska pozioma (td) – jej geneza nie jest do końca wyjaśniona – być może generuje ją ostatnie wypadanie materiału drobnoziarnistego z zawiesiny.

• Te to bezstrukturalne muły.

Tb i a to piaszczysto żwirowe, tc i td to piaszczysto pyłowy. Najdrobniejszy e to muły. W środowisku głębokomorskim ten człon Te jest bardzo trudno rozróżnialny od osadów sedymentacji pelagicznej czy hemipelagicznej, które są równie drobnoziarniste.

Bardzo często w spągu mamy tu różne hieroglify prądowe i narzędziowe. Przy kolejno schodzących prądach sytuacja do tego jest bardzo dogodna. Piasek czy żwir transportowany jest po kohezyjnym lekkim dnie. Wówczas powstają te hieroglify.

Takie pełne sekwencje Boumy są bardzo rzadkie. Częściej występują sekwencje pozbawione niektórych członów. Kompletność tej sekwencji zależy od :

• początkowej gęstości prądu zawiesinowego (wiadomo że jak jest mało gruboziarnistych to nie będzie pierwszego członu)

• osiągniętej prędkości (szybko – dobrze rozwinięty człon Ta, powoli – możliwość wykształcenia wszystkich członów)

• szybkości hamowania prądu – pełniejsza sekwencja jeżeli wolno hamuje

• odległość miejsca depozycji od obszar źródłowego – jeżeli mamy stromy stok i nagłe wypłaszczenie u podnóża to mamy nagłe hamowanie. Sekwencja jest niekompletna. Lepiej przy łagodnych stokach.

Przykład widać człony miąższe a

Tu w przybliżeniu człon a. Bardzo często te prądy schodzą impulsami wówczas w obrębie dochodzi do amalgamacji członów a.

po lewej również bardziej masywny człon a

Tu mamy człony ce i e. laminacja riplemarkowa i ten człon szary najwyższy.

Inny przykład Tbce – laminacja pozioma, ripplemarki i najdrobniejszy e.

Rozkład prędkości i koncentracja materiału ma tez duży wpływ na elementy znajdujące się tam. Największa gęstość materiału jest tuż przy dnie, gdzie dominuje transport trakcyjny i w pewnej odległości gwałtownie maleje. Przy dole prędkość jest bardzo niska, zdominowana przez przepływ laminarny i dopiero potem mamy osiągnięte największe prędkości w centralnych częściach. Czyli możemy podzielić na trzy. Środkowa to gęsta zawiesina. Transportowane są tu często nawet bardzo duże ziarna. Mamy tu strefę unoszenia ponadwymiarowych klastów o średnicy kilkadziesiąt razy większej niż ta masa podstawowa.

W efekcie w członie A w sekwencji Boumy mogą się znajdować bardzo duże klasty, nie nawiązujące do normalnego uziarnienia frakcjonalnego. Mogą tworzyć całe poziomy bądź występować jako pojedyncze włożone gdzieś tam klasty. (postam 1988).

Wyróżniamy turbidyty proksymalne i dystalne w zależności od tego jak daleko od źródła wygenerowania prądów materiał został złożony. Turbidyty proksymalne znajdują się bliżej źródła. Ten model funkcjonuje jak ten Boumy, że źródło jest punktowe. Ale jest też drugi model, gdzie pojecie jest odniesione do gałęzi (2). Mogą się zaziębiać jedne z drugimi trochę.

	Proksymalne	Dystalne
Warstwy	grube, miąższość różna, częsta amalgamacja warstw piaszczystych	cienkie, miąższość podobna, rzadka amalgamacja warstw piaszczystych
Stosunek piasek : muł	Wysoki	Niski
Sekwencja	Przewaga Tae	Rzadko Tae
Struktura wewnętrzna	Masywne, Tb, Tc, Td rzadkie	Uziarnione frakcjonalne, laminacja pozioma i riplemarkowa częsta
Spąg ławicy	Częste rozmycia^7 i kanały, jamki wirowe częstsze niż ślady wleczenie	Sporadyczne rozmycia, ślad wleczenia częstsze niż jamki wirowe
Strop ławicy	Ostry	Gradacyjny, stopniowe przejście w osady nie turbidytowe

Turbidyty dystalne powstają z prądów zawiesinowych o malej gęstości

	Gęste prądy zawiesinowe	Prądy zawiesinowe o małej gęstości
Gęstość	1,5 – 2,0 g/cm^3	pon. 1,5 g/cm^3
Niesiony materiał	Ił żwir	Ił – pył
Prędkość	Kilka kilkadziesiąt km/h	< 2km /h
Generowana przez	Początkowy impuls	fale sztormowe na szelfie, zawiesina dostarczana rzekami (por. 18. wykład), rozcieńczenie gęstego prądu zawiesinowego

Na skłonie kontynentalnym często jest tak, że mamy najpierw osuwanie osadów, potem mamy spływ rumoszu, i dopiero potem nasz spływ kohezyjny przekształca się w prąd zawiesinowy.

Prądy zawiesinowe o małej gęstości dają takie sekwencje jak sekwencje turbidytów dystalnych.

Fale sztormowe na szelfie. Część zawiesiny generowanej przez sztormy jest odprowadzana poniżej sztormowej podstawy falowania. Cechy tego osadu deponowanego są takie jak cechy turbidytów dystalnych. Ona jest niesiona przez niskogęstościowe prądy zawiesinowe i deponowana poniżej SPF i tak naprawdę jest to osad sztormowy natomiast ma cechy turbidytu dystalnego. Tempestyt dystalny to pojęcie generalnie węższe, bo oznacza wygenerowanie przez sztormy.

Fluksoturbidyty

Mechanizm jest skomplikowany i nie do końca wyjaśniony. Sekwencja jest dwudzielna. Dół to osad gęstego spływu grawitacyjnego (ciśnienie dyspersyjne wody porowej + kolizje międzyziarnowe). Górna część to już typowa sekwencja Boumy osad prądu zawiesinowego.

Często w najniższej części fluksoturbidytu mamy ortozlepieńce masywne lub uziarnione frakcjonalnie odwrotnie, wyżej zlepieńce uziarnione frakcjonalnie normalnie, piaskowce zlepieńcowate, masywne lub uziarnione frakcjonalnie normalnie. Powyżej mamy już osad typowej sekwencji Boumy. Czyli prawdopodobnie mamy tu najpierw bardzo gęstą zawiesinę, a potem to co jest u góry.

Inne cechy ławic fluksoturbidytów to zmienna miąższość. Często wyklinowują się i tworzą soczewkowate ciała. Częsta jest amalgamacja dolnych części ławic. Dlatego trudno jest powiedzieć czy uziarnienie jest normalne czy odwrotne.

Spąg może być erozyjny, mogą być na nim pogrązy i hieroglify wleczeniowe. Miąższość górnej części ławicy jest dużo mniejsza od dolnej części ławicy.

Na zakończenie co to jest flisz – pierwotna definicja Studera z 1827 mówiła, że to grube serie osadowe składające się z na przemian leżących piaskowców, mułowców i łupków w Appalachach – pierwotnie termin miał znaczenie ściśle litologiczne.

Współcześnie rozumie się przez flisz zespół osadów terygenicznych powstający w stosunkowo głębokich basenach morskich przy znacznym o ile nie dominującym udziale prądów zawiesinowych oraz innych spływów grawitacyjnych. Czyli flisz to nie równa się osady prądów zawiesinowych.

Mamy wiele rodzajów pośrednich. My widzieliśmy tylko skrajne przypadki, ale tego wyróżniamy teraz o wiele więcej.

---

1. ich lepkość maleje ze wzrostem prędkości↩

2. to generalnie siły wyporu związane z prawem Archimedesa↩

3. „Procesy kształtujące powierzchnię Ziemi” , ryc. 6.10↩

4. Gradziński nazywa Derbis flow wszystkie spływy kohezyjne↩

5. fragmenty powyżej 4 m [Słownik geologii dynamicznej]↩

6. fluidized sedyment flow↩

7. więcej o rozmyciach w Gradzińskim, s. 160↩