Dziś omówimy jeden z rodzajów transportu hydraulicznego. Transport hydrauliczny pod działaniem przepływu płynów kosztem ich energii kinetycznej. Są różne typy:

• Jednokierunkowy

  • transport w korytach rzecznych i tym się dziś zajmiemy. Na kolejnych wykładach będą inne.

  • transport eoliczny, mimo że kierunki wiatru ulegają pewnym zmianom i to się zapisuje w osadzie.

  • prądy morskie, związane z:

    • cyrkulacją oceaniczną. Będzie przy okazji o prądach konturowych.

    • cyrkulacją przybrzeżną.

• Drugi rodzaj to transport w warunkach zmiennego kierunku, rytmicznie powtarzający się.

  • To ma miejsce np. w strefie pływów. Np. na wybrzeżu Morza północnego w Niemczech. W czasie odpływu forma jest odsłonięta. Ripplemarki powstały w przypływie, inne z kolei w odpływie.

• Inne jeszcze warunki panują przy przepływie oscylacyjnym , w tą i z powrotem

  • To mam miejsce przy falowaniu

• Jeszcze jeden to warunki przepływu złożonego. To jest połączenie przepływu jednokierunkowego i oscylacyjnego

  • sztormy np.

Dziś transport w korytach rzecznych. Widzimy, że jest tu rzeka roztokowa. Materiał ziarnowy transportowany hydraulicznie tworzy różne formy dna/powierzchni i daje zatem różne struktury osadu. Struktura osadu jest dla nas diagnozą środowiska. Po strukturze osadu możemy odtworzyć z jakimi formami mieliśmy do czynienia, w którą stronę był przepływ.

Wyniki doświadczeń i obserwacji terenowych pozwalają wydzielić w procesach transportu materiału ziarnowego przez wodę dwa szeroko pojęte zespoły warunków, od których uzależnione są mechanizm transportu oraz powstawanie i rodzaj form dna: górny i dolny reżim przepływu

Środowiska można wyróżnić na podstawie poniższego diagramu. Na poziomej osi średnia średnica ziaren w milimetrach. Na pionowej średnia prędkość przepływu w cm/s. Są tu zakreślone pola występowania określonych form dna. Najpierw przy niewielkim przepływie poniżej 10 cm/s drobne ziarna się nie ruszają. Gruby materiał nawet do 30 cm/s nie jest uruchamiany. Piasek drobnoziarnisty powoduje powstawanie małych ripplemarków. Grubszy daje dolne płaskie dno, a potem fale piaskowe i duże ripplemarki w kolejności. I dopiero potem oba dają górne płaskie dno, powyżej czerwonej granicy. Ona oddziela dwa zespoły warunków. Te wszystkie ripplemarki to dolny reżim przepływu, a antydiuny i górne płaskie dno to górny reżim przepływu. Będziemy mieli zmianę warunków przejście od górnego do dolnego reżimu przepływu. Pow. 60 cm/s. To zostało w obserwacjach terenowych ustalone.

Reżimy różnią się:

• Natężeniem transportu czyli masy materiału przetransportowanego przez jednostkę szerokości koryta w jednostce czasu. W górnym będzie większe. Dolny reżim przepływu cechuje małe natężenie transportu.

• Druga cecha: dolny reżim przepływu transport nieciągły. On podlega erodowaniu stoków podprądowych i depozycji na stoku zaprądowym (1). W górnym ciągły, przy czym grubość poruszającej się warstwy jest wielokrotnie większa od średnicy transportowanych ziaren.

• formy dna. W reżimie dolnym mamy trzy odmiany: dolne płaskie dno (płaskie dno dolnego reżimy przepływu), małe i duże ripplemarki oraz fale piaskowe. Górny reżim to górne płaskie dno i wsteczne fale piaskowe (antydiuny).

• opór przepływu. Jest to suma oporu wywołanego ziarnową szorstkością dna (T_sz) i oporu kształtu form dna (T_fd). W dolnym mamy bardziej pofalowane więc opór przepływu jest duży i spowodowany formami dna. W górnym reżimie formy dna dają zerowy opór, bo jest ono płaskie. W górnym wywołany tylko szorstkością dna, ale jest minimalna.

• Powierzchnia wody. W dolnym reżimie przepływu nad grzbietami mamy ugięcie. Jest w fazie przeciwnej do pofalowanej powierzchni dna, a Vg > Vr. W górnym reżimie powierzchnia wody płaska lub pofalowana zgodnie z powierzchnią dna.

Kolejność tworzenia form dna – widzieliśmy z diagramu, że kolejność tworzenia form dna zależy nam przede wszystkim od prędkości przepływu, która jest ważną składową parametru noszącego nazwę mocy strumienia (3).

W warunkach doświadczalnych zakłada się, że moc strumienia jest zależna od średniej prędkości przepływu, przy pozostałych parametrach (składowych τ_{0 –} ciężar właściwy płynu, promień hydrauliczny, spadek koryta) ustalonych.

Jeżeli średnia prędkość rośnie to mamy zwiększenie mocy strumienia.

Formy dolnego reżimu przepływu

Dolne płaskie dno

W dolnym reżimie przepływu pierwszy wyjściowy stan to dolne płaskie dno bez ruchu ziaren, mamy w czasie zero to jest wyjściowy stan, nie ma transportu.

Dalej zaczyna się transport – powstaje pierwsza forma dolne płaskie dno. Struktura osadu powstająca w tych warunkach to pozioma laminacja. Początkowo ten materiał zanim zaczną migrować ripplemarki Ta forma dna nie zawsze występuje przy drobniejszych frakcjach. Generalnie ruch materiału ziarnowego pod działaniem strumienia jest ruchem ścinającym, w którym poszczególne warstwy ziaren przesuwają się jedna po drugiej.

Małe ripplemarki

Następnie zaczynają po dnie migrować nam małe ripplemarki. Zaczyna warstwa osadu uzyskiwać falisty przebieg i materiał przemieszcza się w sposób nieciągły. Kolejna forma dna może wystąpić, ale nie musi. To jest model w wersji full. To zależy głównie od średnicy ziaren czy powstanie. Fale piaskowe to duże formy, które mają wyraźnie asymetryczny przekrój. Posiadają przekątne laminy. Następne formy to duże ripplemarki prądowe. One powstają przy przepływie jednokierunkowym. Te trzy ostatnie to warstwowania przekątne.

Króciutko o małych ripplemarkach. Mają wysokość zwykle 3-4 cm, nigdy nie więcej niż 6 cm i mniej niż 0,3 cm. Dlatego taka była granica między małą i dużą skalą. Rozstępy to odległości między grzbietami, zwykle poniżej 30 cm, ale przedział to 4 – 60 cm.

Kształt generalnie zmienia się w zależności od prędkości przepływu. W przypadku małych ripplemarków są prostogrzbietowe niskoenergetyczne, potem i te są najczęstsze kręto grzbietowe, zwykle nie w fazie. Potem językowe, które są uznawane za wysokoenergetyczne, tak jak widać na zdjęciach.

Duże ripplemarki

Duże ripplermarki prądowe. Po prawej prostogrzbietowe. Widać, że to duże formy. wysokość ok. 30 cm (6-150 cm). Długość od 60 cm do 30 m, zwykle kilka metrów. Mają ripplemarki małe na swoich grzbietach.

Tutaj możemy sobie odnotować, że tak jak w przypadku małych ripplemarków ostatnią ich fazą są językowate, to u dużych ripplemarków wysokoenergetycznych mają grzbiety półksiężycowe.

U podnóża większych form mogą nam się zdarzyć u stóp pojedyncze zestawy małych ripplemarków, laminowane pod prąd. Te ripplemarki noszą nazwę ripplemarków powrotnych inaczej wstecznych. Poniżej rycina przykładzie osadów holoceńskich Renu. Cały spąg sukcesji osadowej dzielił się na warstwowania przekątne w dużej skali wskazujące na kierunek ku wschodowi. Dolna część natomiast kierunki przepływu w drugą stronę. To zostało zinterpretowane tak, że gdzie mamy komórkę wirową, tam mamy pierwotny kierunek przepływu.

Przykład – na początku wydarzeń panowały warunki hydrauliczne dla dużych form. Musi też być spełnione, że mediana jest większa niż 0,6 mm. Potem zmniejszyła się prędkość przepływu lub głębokość wody i duże ripplemarki przestają migrować. Na nieaktywnych dużych ripplemarkach zaczynają migrować małe ripplemarki.. I one są głównie na stokach doprądowych.

Fale piaskowe

Jeszcze raz rysuneczek (lower plane Bed > ripples > Dune). najpierw 2d i to są fale piaskowe, mają proste grzbiety i dlatego tak się nazywają 2D. One mogą się nazywać sand wawes. Zasięg ich powstawania jest niewielki. Powstają, gdy głębokość wody wynosi kilka m, bo wysokość tych form to aż 1,5 do 15 m. Minimalna prędkość przepływu to 30 cm/s i co ważne powstają w piasku co najmniej 0,25 mm. Rozstępy powyżej 30 m, a nawet do kilometra. Zwykle prostogrzbietowe asymetryczne.

Przykład przekroju przez falę piaskową. Miąższość zestawu około 3 m. Warstwowanie przekątne w dużej skali. Fale piaskowe mają często widoczne powierzchnie reaktywacyjne. Widać że zmienia się kąt. Są one częste w wielkoskalowych warstwowaniach przekątnych.

Formy górnego reżimu przepływu

Górne płaskie dno, lineacja oddzielnościowa

W górnym reżimie przepływu w stadium przejściowym przy wzroście prędkości przepływu formy z dolnego reżimu zaczynają być erodowane. To jest górne płaskie dno (faza miecenia). Tu znowuż mamy transport w postaci całych warstw, dywanowy możemy powiedzieć, przy czym w określonych warunkach w stosunkowo płytkiej wodzie tworzą się smugi, może dojść do powstania struktury depozycyjnej – lineacji oddzielnościowej.

Jest to struktura częsta, lecz słabo poznania. Spotykamy się z nią w zlityfikowanych piaskowcach. Przyjmuje się, że jest związana z płaską laminacją równoległą tworzoną w fazie zrównanego dna górnego reżimu przepływu. Przepływ przyjmuje wtedy charakter helikoidalny. Woda porusza się w postaci spiral prądowych. Sąsiednie spirale kręcą się jak gdyby w sąsiednich komórkach. One krążą w przeciwnych kierunkach.

Tam gdzie mamy spirale zbieżne – zwiększona depozycja, powstają grzbieciki prądowe. Materiał jest grubszy i lepiej wysortowany. Tam gdzie spirale są rozbieżne powstają nam subtelne bruzdy prądowe materiał jest wynoszony. Widać powierzchnie oddzielności. Piasek jest poziomo laminowany. Natomiast jeżeli go przetniemy, spróbujemy rozłupać skałę wzdłuż powierzchni rozdzielności, to spotkamy się z nierównościami.

Czasami w piaskowcach rozłupanych wzdłuż powierzchni laminacji zaznaczają się równolegle do siebie biegnące pasma. Są wypukłości i zagłębienia na przemian. Na podstawie ich układu możemy określać kierunek przepływu (bez zwrotu oczywiście). Nazywa się oddzielnościową, bo możemy obserwować na powierzchniach oddzielności. One są w szczegółach nieregularne, ale w ogólnym obrazie widać, że są zorientowane równolegle.

Formy pośrednie i antydiuny

Mamy ideogram pokazujący całą sekwencję form dna powstających w górnym reżimie przepływu. Najpierw faza przejściowa, wszystko rozmywane (washed out) i mamy zastępowanie przez upper plane bed with horizontal lamination. Dalej prędkość cały czas rośnie. Woda zaczyna nam falować. Faluje zgodnie z nierównościami jakie tworzą się na dnie. Tutaj mamy to wyidealizowane ze wszystkimi formami przejściowymi, ale dopiero antydiunę można rozpoznać w osadzie. To jest faza skrajna powstająca przy bardzo wysokich prędkościach przepływu. Przepływ jest w jedną stronę, ale powstają fale wsteczne odpowiedzialne za transport materiału w kierunku przeciwnym do przepływu laminacja zapada pod prąd.

Pośrednia jest faza fal stojących i dopiero potem się załamują. Szczególnie takie warunki powstają przy wysokoenergetycznych przepływach, generalnie w płytkich wodach o niewielkiej głębokości Widać na zdjęciu. Cała masa wody przemieszcza sie w prawo, ale fale załamują się w lewo.

Formy te są najsłabiej rozpoznane i opisane w stanie kopalnym. Trudno znaleźć przykłady tego typu form. Tutaj mamy zdjęcie z równi pływowej w czasie odpływu. Stromy stok zapada do kierunku transportu. Są prawie symetryczne, prostogrzbietowe, rozstęp od 1 cm do 6 m, wysokość od 1 cm do 45 cm, generalnie bardzo małe nachylenie stoków czyli niski relief. I ta struktura wewnętrzna słabo rozwinięta w zapisie kopalnym. Przykład z Georgia USA.

Podsumowując mamy następujące formy dna przy jednokierunkowym przepływie: najpierw w dolnym reżimie bez ruchu, dolne płaskie dno, małe ripplemarki, fale piaskowe duże ripplemarki, górne płaskie dno i potem fale stojące i antydiuny. Antydiuny mają skłonność do migracji pod prąd w górnym reżimie przepływu.