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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
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
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
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
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
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
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
- - 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
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
3 - Limiar de selecção
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
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
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
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
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
Extracção/Transporte
Suspensão
Saltação
Tracção
Selecção/Deposição
4 - Extracção e tipos de transporte
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
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
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
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
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
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
6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo
Formas unidirecionaisFormas unidirecionais
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
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
Macroformas unidirecionaisMacroformas unidirecionais6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo
Macroformas unidirecionaisMacroformas unidirecionais6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo
Formas de fundo geradas pela ondulaçãoFormas de fundo geradas pela ondulação
6 - Dinâmica das formas de fundo6 - Dinâmica das formas de fundo