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

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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 em suspensão Seixos a blocos são arrastados no leito Materiais dissolvidos vão em solução Areia e areão são transportados, geralmente por saltação

2 1 - Introdução 3 - Limiar de selecção Limiar de extracção 6 - Dinâmica das formas de fundo 5 - Transporte potencial em carga de fundo TEMA 6 - Movimento de sedimentos 4 - Extracção e tipos de transporte

3 Forças actuando sobre partículas num fluxo fluido: Forças inerciais, F I, induzem imobilidade F I = gravidade + fricção + electrostáticas Forças cinéticas, F m, induzem mobilidade de grãos F m = força de arraste + efeito de Bernoulli + flutuação 1 - Introdução

4 F I (forças inerciais) Gravidade como função do tamanho e densidade do grão ( ρ ) Equivalência hidráulica: ρ 1 * v 1 = ρ 2* v 2 [ρ=densidade do grão; v=volume do grão] ρ 1 > ρ 2 e v 2 > v 1 ; 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

5 F m (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

6 Numa situação em que um grão está quase a mover-se por acção de um fluxo: - O fluxo deve fornecer a energia suficiente para ultrapassar a inércia estática do grão - O início do movimento depende do balanço entre o esforço viscoso aplicado pelo fluido e a inércia do grão - Na inércia do grão influenciam o seu peso, o coeficiente de roçamento com o fundo e o ângulo de aplicação das forças Limiar de extracção

7 F m > F i 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 Limiar de extracção

8 - - O parâmetro de Shields (θ) δs – δ) g D Θ cr = η o,cr /(δs – δ) g D η o,cr = esforço viscoso no limiar de extracção δ = Densidade do fluido (g/cm 3 ) δs = Densidade do sedimento (g/cm 3 ) D = Mediana textural (mm) g = gravidade = 981 cm/s 2 Θ cr = esforço viscoso adimensional Esta equação mostra a como função do tamanho de grão, a partir da qual se derivou uma curva experimental Esta equação mostra a Θ cr como função do tamanho de grão, a partir da qual se derivou uma curva experimental Limiar de extracção

9 Para tamanhos inferiores a 63 micras, a coesão electrostática entre grãos aumenta o limiar requerido para iniciar o movimento Para dimensões de areia e areão o limiar aumenta com o tamanho do grão Limiar de extracção

10 3 - Limiar de selecção

11 V S = [(ρ g - ρ f )g/18 F]d 2 V S : velocidade de selecção ρ g = densidade do grão ρ f = densidade do fluido = viscosidade do fluido d = diâmetro do grão (mm ) Lei de Stokes de selecção 3 - Limiar de selecção

12 Lei de Stokes simplificada V S (cm/sec) = Cd 2 [C = (ρ g - ρ f )g/18 F] (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

13 Com tamanho de grão fixo e aumento da velocidade F m > F i ; inicia-se o movimento Suspensão (para tamanhos pequenos, geralmente <0,01mm) Quando F m > F i U (velocidade do fluxo) >>> V S (velocidade de selecção) Suspensão constante a U ( velocidade do fluxo) relativamente baixa 4 - Extracção e tipos de transporte

14 Con tamanho de grão fixo e aumento da velocidade F m > F i ; inicia-se o movimento Saltação : para grãos maiores (areia e areão) Quando F m > F i U > V S, mas no tempo e espaço U < V S Suspensão intermitente Transporte em carga de fondo 4 - Extracção e tipos de transporte

15 Com tamanho de grão fixo e aumento da velocidade F m < F i, 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

16 Extracção/Transporte Suspensão Saltação Tracção Selecção/Deposição 4 - Extracção e tipos de transporte

17 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

18 Parâmetros: Qb = Carga de fundo (Kg/metro de secção) U* = Velocidade no fundo (m/s) Uz = Velocidade à profundidade z (m/s) Z = distância ao fundo (m) D = Mediana textural (mm) D10 = Centil 10 Ks = Rugosidade de Nikuradse = 3 D10 δ = Densidade do fluido (g/cm 3 ) δ s = Densidade do sedimento (g/cm 3 ) g = gravidade = 981 cm/s 2 K = Constante 0,4 5 - Transporte potencial em carga de fundo

19 FÓRMULAS : Meyer-Peter & Müller (1948) Qb = δ U* 3 81-(0,047/ (δ U* 2 /(δs- δ )gD)) U* = (K Uz)/ln(30z/Ks). Bagnold ( ) Qb = (Ks δs U* 3 )/dg d = (δ s - δ) / δ Yalin ( ) Qb =0,635 δs DU*s(1-l (n(1+as)/as) Van Rijn ( ) Qb = 0,053 δs (T 2,1 /D 0,3 ) (δ g D 3 ) 5 - Transporte potencial em carga de fundo

20 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 fundo

21 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 fundo

22 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 fundo Formas unidirecionais

23 6 - Dinâmica das formas de fundo Formas unidirecionais

24 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 fundo Formas unidirecionais

25 Com variações no tamanho do grão e velocidade do fluxo Para areia <~0,2 mm:Sem dunas Para areia ~0,2 a 0,8 mmSequência ideal de morfologias Para areia > 0,8 mmSem ripples (rugas) 6 - Dinâmica das formas de fundo Formas unidirecionais

26 Macroformas unidirecionais 6 - Dinâmica das formas de fundo

27 Macroformas unidirecionais 6 - Dinâmica das formas de fundo

28 Formas de fundo geradas pela ondulação 6 - Dinâmica das formas de fundo


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