Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença...

28
Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila em suspensão Seixos a blocos são arrastados no leito Materiais dissolvidos vão em solução Areia e areão são transportados, geralmente por saltação

Transcript of Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença...

Page 1: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC)

TEMA 6 - Movimento de sedimentos

Pedro Proença CunhaDep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra

Silte e argila em suspensão

Seixos a blocos são arrastados no leito

Materiais dissolvidos vão em solução

Areia e areão são transportados, geralmente por saltação

Page 2: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

1 - Introdução

3 - Limiar de selecção

2 - 2 - Limiar de extracção

6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

5 - Transporte potencial em carga de fundo

TEMA 6 - Movimento de sedimentos

4 - Extracção e tipos de transporte

Page 3: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Forças actuando sobre partículas num fluxo fluido:

Forças inerciais, FI, induzem imobilidade

FI = gravidade + fricção + electrostáticas

Forças cinéticas, Fm, induzem mobilidade de grãos

Fm= força de arraste + efeito de Bernoulli + flutuação

1 - Introdução

Page 4: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

FI (forças inerciais) Gravidade como função do tamanho e densidade do grão ( ρ )

Equivalência hidráulica: ρ1 *v1= ρ2*v2 [ρ=densidade do grão; v=volume do grão]

ρ1 > ρ2 e v2> v1 ;

“Placers” e concentrados de minerais pesados

Electrostáticas: área superficial relativamente ao volume

As partículas finas têm grandes superfícies electrostáticas, com propriedades atractivas ou repulsivas.

Fricção

1 - Introdução

Page 5: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Fm (forças cinéticas) Componente de arraste: vector

de fricção paralelo ao fluxo São componentes maiores nos

fluxos turbulentos.

Efeito Bernoulli: alta velocidade=baixa pressão

Flutuação:

A força de extracção por flutuação depende do contraste de densidades entre grão e fluido.

A alta densidade do sedimento saturado em água apresenta pouco contraste e gera maior mobilidade dos grãos.

1 - Introdução

Page 6: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Numa situação em que um grão está quase a mover-se Numa situação em que um grão está quase a mover-se por acção de um fluxo:por acção de um fluxo:

- O fluxo deve fornecer a energia - O fluxo deve fornecer a energia suficiente para ultrapassar a suficiente para ultrapassar a inércia estática do grãoinércia estática do grão

- O início do movimento depende - O início do movimento depende do balanço entre o esforço do balanço entre o esforço viscoso aplicado pelo fluido e a viscoso aplicado pelo fluido e a inércia do grãoinércia do grão

- Na inércia do grão influenciam o seu peso, o coeficiente - Na inércia do grão influenciam o seu peso, o coeficiente de roçamento com o fundo e o ângulo de aplicação das de roçamento com o fundo e o ângulo de aplicação das forçasforças

2 - 2 - Limiar de extracção

Page 7: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Fm     >    Fi

Diagrama de Hjulström

Relação empírica entre o tamanho do grão (para grãos de quartzo) e a velocidade da corrente (em água clara a 25ºC)

Define o limiar de velocidade crítica, a partir do qual as partículas saltam

Para areias e areão, o limiar mínimo incrementa com o tamanho

Para partículas finas, a electrostática incrementa a velocidade de extracção.

2 - 2 - Limiar de extracção

Page 8: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

- - O parâmetro de Shields (θ)

Θcr = ηo,cr/(δδss – – δδ) g D) g D

ηo,cr = esforço viscoso no limiar de extracção

δδ = Densidade do fluido (g/cm = Densidade do fluido (g/cm33))

δδss = Densidade do sedimento (g/cm = Densidade do sedimento (g/cm33))

D = Mediana textural (mm)D = Mediana textural (mm)

gg = gravidade = 981 cm/s = gravidade = 981 cm/s22

Θcr = esforço viscoso adimensional

Esta equação mostra a Esta equação mostra a Θcr como função do tamanho de grão, a partir da qual se derivou uma curva experimentalcomo função do tamanho de grão, a partir da qual se derivou uma curva experimental

2 - 2 - Limiar de extracção

Page 9: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Para tamanhos inferiores a 63 micras, a coesão electrostática Para tamanhos inferiores a 63 micras, a coesão electrostática entre grãos aumenta o limiar requerido para iniciar o entre grãos aumenta o limiar requerido para iniciar o movimentomovimento

Para dimensões de areia e areão o limiar aumenta com o tamanho do grãoPara dimensões de areia e areão o limiar aumenta com o tamanho do grão

2 - 2 - Limiar de extracção

Page 10: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

3 - Limiar de selecção

Page 11: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

VS  =  [(ρg - ρf)g/18 ]d2

VS : velocidade de selecção

ρg = densidade do grão

ρf = densidade do fluido

= viscosidade do fluido d = diâmetro do grão (mm)

Lei de Stokes de selecção

3 - Limiar de selecção

Page 12: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Lei de Stokes simplificada

VS (cm/sec) =  Cd2  [C = (ρg - ρf)g/18 ] (para grãos de quarzo na água)

Curva de Ruby: Stokes  +  Newton A curva de Newton considera só arraste turbulento dos grãos A selecção de Stokes é inválida

para areias > 1 phi (5mm); e considera só fluxo laminar

3 - Limiar de selecção

Page 13: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Com tamanho de grão fixo e aumento da velocidade

Fm   >  Fi ; inicia-se o movimento

Suspensão (para tamanhos pequenos, geralmente <0,01mm) Quando Fm  >  Fi

U (velocidade do fluxo) >>> VS (velocidade de selecção)

Suspensão constante a U (velocidade do fluxo) relativamente baixa

4 - Extracção e tipos de transporte

Page 14: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Con tamanho de grão fixo e aumento da velocidade

Fm    >   Fi ; inicia-se o movimento

Saltação : para grãos maiores (areia e areão) Quando Fm  >  Fi

 U   > VS  , mas no tempo e espaço U < VS

Suspensão intermitente Transporte em carga de fondo

4 - Extracção e tipos de transporte

Page 15: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Com tamanho de grão fixo e aumento da velocidadeFm     <    Fi, mas a componente de arraste causa rolamento.

Tracção : para grãos muito grosseiros (seixos e maiores)

Superfície normal (da água) as correntes têm U demasiado baixa para a extracção do grão

Transporte em carga de fundo

4 - Extracção e tipos de transporte

Page 16: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Extracção/Transporte

Suspensão

Saltação

Tracção

Selecção/Deposição

4 - Extracção e tipos de transporte

Page 17: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

A variação no tempo de “U” e “d” no meio sedimentar tem como resultado a Laminação

Sedimento acumulado sob condições físicas e químicas constantes.

4 - Extracção e tipos de transporte

Page 18: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Parâmetros:Parâmetros:

Qb = Carga de fundo (Kg/metro de secção)Qb = Carga de fundo (Kg/metro de secção)

U* = Velocidade no fundo (m/s)U* = Velocidade no fundo (m/s)

Uz = Velocidade à profundidade z (m/s)Uz = Velocidade à profundidade z (m/s)

Z = distância ao fundo (m)Z = distância ao fundo (m)

D = Mediana textural (mm)D = Mediana textural (mm)

D10 = Centil 10D10 = Centil 10

Ks = Rugosidade de Nikuradse = 3 D10Ks = Rugosidade de Nikuradse = 3 D10

δδ = Densidade do fluido (g/cm = Densidade do fluido (g/cm33))

δδ s s = Densidade do sedimento (g/cm = Densidade do sedimento (g/cm33))

gg = gravidade = 981 cm/s = gravidade = 981 cm/s22

K = Constante 0,4K = Constante 0,4

5 - Transporte potencial em carga de fundo

Page 19: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

FÓRMULAS :FÓRMULAS :

Meyer-Peter & Müller (1948)Meyer-Peter & Müller (1948)

Qb = Qb = δδ U* U*33 8√1-(0,047/ ( 8√1-(0,047/ (δδ U* U*22/(/(δδs- s- δδ )gD)) )gD))

U* = (K Uz)/ln(30z/Ks).U* = (K Uz)/ln(30z/Ks).

Bagnold (1956-1963)Bagnold (1956-1963)

Qb = (Ks Qb = (Ks δδs U*s U*33 )/dg )/dg

d = (d = (δδ s - s - δδ)) / / δδ

Yalin (1963-1972)Yalin (1963-1972)

Qb =0,635 Qb =0,635 δδs DU*s(1-l (n(1+as)/as)s DU*s(1-l (n(1+as)/as)

Van Rijn (1981-1984)Van Rijn (1981-1984)Qb = 0,053 Qb = 0,053 δδs (Ts (T2,12,1/D/D0,30,3) √() √(δδ g D g D33))

5 - Transporte potencial em carga de fundo

Page 20: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

CONCEITO DE REGIME DE FLUXO Variações na Velocidade de fluxo -

experiências em Flumes (areia média e 20 cm de profundidade)

Uma velocidade de fluxo concreta (> que o limiar de extracção) produz uma configuração particular do fundo (bedform) que, em consequência, gera uma estrutura sedimentar particular

6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

Page 21: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Formas de fondo comunes debidas al flujo fluido (en fondos no consolidados)

Flujos Unidireccionales Flujo transverso, formas asimétricas

ripples y dunas 2D y 3D Flujos Bi-directionales (oscillatorios)

Ripples simétricos de cresta recta Flujos combinados

Hummockies

6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

Page 22: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Regime baixo Sem movimento: velocidade inferior ao limiar crítico de extracção Ripples: de crista rectilínea (2d) a sinuosos e linguóides (3d) com o

aumento da velocidade do fluxo Dunas: (2d) sand waves com crista rectilínea a (3d) megarripples com

cristas e sulcos sinuosos ou semilunares

6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

Formas unidirecionaisFormas unidirecionais

Page 23: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

Formas unidirecionaisFormas unidirecionais

Page 24: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Regime alto Fundo plano: as partículas movem-se de forma contínua num

fundo arrasado e sem releve Antidunas: formas de fondo com baixo releve; movimentos de

grãos constantes e as formas de fondo movem-se contra-corrente ou são estáticas (geram upstream lamination)

6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

Formas unidirecionaisFormas unidirecionais

Page 25: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Com variações no tamanho do grão e velocidade do fluxo Para areia <~0,2 mm: Sem dunas Para areia ~0,2 a 0,8 mm Sequência ideal de morfologias Para areia > 0,8 mm Sem ripples (rugas)

6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

Formas unidirecionaisFormas unidirecionais

Page 26: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Macroformas unidirecionaisMacroformas unidirecionais6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

Page 27: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Macroformas unidirecionaisMacroformas unidirecionais6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo

Page 28: Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC) TEMA 6 - Movimento de sedimentos Pedro Proença Cunha Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra Silte e argila.

Formas de fundo geradas pela ondulaçãoFormas de fundo geradas pela ondulação

6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo