1
4. Hydrodynamik,Transport und -formen,SedimentstrukturenSedimentstrukturen
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Stoke´s Gesetz
Partikel-Sinkgeschwindigkeit instationären Fluiden, z.B. stehen-des Gewässer:
u =2 r2(ρ1-ρ2)g
9 η
mit: r = Partikelradiusρ1,ρ2 = Dichte von Partikel und Fluidg = Erdbeschleunigungη = Viskosität des Fluids in
kges
chw
indi
gkei
t
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Degens 1989
→ gilt nur für Partikel <~100µm(bei ρ1 ≈ 2.65 und ρ2 ≈ 1.0 g/cm3 u
Si
2
laminaresFli ß
Strömungsverhältnisse
Fließen
HvE / Prakt.-Sedimentologie Jacobshagen et al. 2000
turbulentesFließen
Reynolds-Zahl
Re = ρdu / η
1
2d
u = Fließgeschwindigkeit
2
3
ρ = Dichte des Fluidsη = Viskosität
→ drückt das Verhältnis von Trägheitskräften zur Zähigkeit (bzw. Zähigkeitskräften) aus
HvE / Prakt.-Sedimentologie
4
Leeder 1999
Der Übergang von laminaren zu turbulenten Strömungs-verhältnissen liegt beiRe = 500 - 2000
3
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Hsü 2004
Strömungs-Regime
Die dimensionslose Froude-Zahl (F) kennzeichnet das Strömungs-Regime.Sie beschreibt das Verhältnis von Trägheitskräften zur Schwerkraft:
F = u / (gh)1/2
(gh)1/2
mit: u = Fließgeschwindigkeitg = Erdbeschleunigungh = Strömungstiefe
F>1 ⇒ schießende, überkritische Strömung
HvE / Prakt.-Sedimentologie
u
F<1 ⇒ ruhige, subkritische Strömung
4
that means, streams a few meters deep (e.g. 1 to 10 m) flowing at speeds less than 3 to 10 m/s (respectively) are mostly turbulent subcriticalmostly turbulent subcritical flows.
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Hsü 2004
Transport
Schubspannung τ(shear stress)
τ = η * du/dy
mit η = Viskosität unddu/dy = Geschwindigkeits-gradient ( = strain rate)
HvE / Prakt.-Sedimentologie Leeder 1999
5
)
τ = η * du/dy
shear stress(Schubspannung)
rmun
gsra
te (s
train
rate
mit η = Viskosität unddu/dy = Geschwindigkeits-gradient ( = strain rate)
Wasser ?Luft ?
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Verfo
r
Schubspannung (shear stress) τ
Luft ?Eis ?Zahnpasta, Harz ?Wasser+Sand, „Treibsand“?
Transport
Krafteinwirkung auf einzelnePartikel:
- Auftriebskraft (lift force)Auftriebskraft (lift force)- Strömungswiderstand
(drag force)
vs. Gravitationskraft
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Allen 1997g
entscheidende Größen:• Partikelgröße und -dichte• Fließgeschwindigkeit.• Viskosität
+ (Geometrie/ Wassertiefe)+ (Partikelform)
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Transportformen
HvE / Prakt.-SedimentologieLeeder 1999
Erosion - Transport - Ablagerung Hjulstrøm – Diagramm
HvE / Prakt.-Sedimentologie Bah
lbur
g &
Bre
itkre
uz 1
998
für 1m Wassertiefe !
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(turbulentes) Fließen Sediment - Transport
Bodenform, Sohlform(Geometrie der Sediment – Fluid – Grenzfläche)
u = velocity
HvE / Prakt.-Sedimentologie
τ = µ * du/dy
τ ist je größer, je kleiner y, d.h. je näher an der Basisfläche (y=0)Allen 1997
τ und u sind größer bei turbulentem Fließen nahe der Basisfläche
HvE / Prakt.-SedimentologieAllen 1997
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SedimentstrukturenStrömungsrippeln vs Wellenrippeln (Oszillationsrippeln)
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Press & Siever 2001
Oszillations-rippeln
HvE / Prakt.-Sedimentologie Leeder 1999
9
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Leeder 1999
HCS – hummocky cross stratification („Beulenschichtung“)
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Graham 1988 (in Tucker, Ed.)
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HvE / Prakt.-SedimentologieAllen 1997
Antidünen
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Leeder 1999
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Kletterrippeln
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Leeder 1999
Fig. 7.7 Experimentally produced climbing-ripple cross-lamination seen in vertical profile parrallel with flow. The increasing angle of climb from bottom to top is caused by the increasing rate of net vertical deposition relative to the speed of advance of ripples (after Allen, 1972).
Trübeströme und Turbidite
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Press & Siever 2001
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HvE / Prakt.-Sedimentologie
Press & Siever 2001
Trübeströme
HvE / Prakt.-SedimentologieAllen 1997
13
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Leeder 1999
Gradierung
normal bzw. positiv
invers bzw. negativ
i h
Walker 1984
symmetrisch
HvE / Prakt.-Sedimentologie
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Debris Flows
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Leeder 1999
Bioturbation
HvE / Prakt.-Sedimentologie aus Press & Siever (1997)
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5. Porosität und Permeabilität
Komponenten („Sandkörner“)
Porenraum
authigene Bildungen („Zement“)
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Porenraum
200 µm
water, petroleum (crude oil), gases(CO2, CH4, H2S, H2O, N2, O2 ... )
Füchtbauer (1988)Porosität
D fi iti
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Definitionen :
Gesamtporosität Pt = (Gesamtvolumen - Feststoffvolumen) x 100
Gesamtvolumen
Effektive Porosität Pe = (kommunizierendes Porenvolumen) x 100
Gesamtvolumen
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Permeabilität/Durchlässigkeit
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Udluft 1974
Permeabilität
Die Permeabilität (Durchlässigkeit s.str.) ist eine gesteinspezifische Konstante, die die Beschaffenheit eines Porensystems unabhängig von den Fluideigenschaften
Udluft 1974
g g g(Viskosität!) beschreibt.
Hölting 1989
Eine poröses Gestein hat die Permeabilität
HvE / Prakt.-Sedimentologie
pK = 1 Darcy (1D = 1000mD) wenn 1cm3
einer Flüssigkeit mit der Viskosität 1 Pa*s in 1 s ein Gesteinstück von 1 cm Länge und 1cm2 Querschnitt bei einem Druck-unterschied von 0.98067 bar (= 1 at) und bei T = 0°C durchfliesst.
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HvE / Prakt.-Sedimentologie
Füchtbauer (1988)
HvE / Prakt.-Sedimentologie
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Porosität vs. Permeabilität
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Füchtbauer (1988)
HvE / Prakt.-Sedimentologie
Füchtbauer (1988)
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HvE / Prakt.-Sedimentologie
Porosity decrease during compaction
HvE / Prakt.-SedimentologieEinsele (2000)
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Principles of Sediment Compaction
φ [%]
mostly mechanical compaction(70-100°C)[f of effective stress]
mostly chemical compaction
2-3
HvE / Prakt.-Sedimentologie
d [km]
compaction(T, x)[f of temperature]
Bjorlykke (1999)
secondary porosity
0 1
Houseknecht diagram
2a
1a
HvE / Prakt.-Sedimentologie
2