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Física dos processos sedimentares (Transporte de sedimentos) Isaac D. Rudnitzki Sedimentologia GEO 153 (21-23) Transporte de sedimentos Elementos do transporte de sedimentos: • Grão; • Agente de transporte; – Tipo de fluxo; – Tipo de transporte; Forças que movem o grão ➢ Forças de corpo – relacionado diretamente com o volume ou massa da partícula; • Força Peso X Empuxo = Força resultante Forças que movem o grão • Densidade efetiva – diferença entre densidade do grão e do fluido; • DE negativa = flutua; • DE positiva = afunda Forças que movem o grão: ➢ Forças de superfícies – agem sobre a superfície da partícula • Coesão • Fricção • Esforço tangencial (ação e reação) • Ascendente Forças que movem o grão Coesão • Atração eletrostática; • Micas e Argilominerias • Ligação de van der Wall, estruturas cristalinas unidas por cargas residuais na superfície do mineral de caráter fraco; • Formam clivagens e lamelas; Esforço tangencial e Ascendente • Fricção - Atrito entre os grãos; Esforço tangencial – processo de ação e reação entre o fluxo do fluido e a partícula; Ascendente – produzida pela turbulêcia devido a um obstáculo do leito; Efeito Bernoulli • Redução da pressão proporcional ao aumento de velocidade do fluxo quando fluxo encontra um obstáculo; • Forças de arrasto e forças de ascensão atuam juntas para transportar os grãos de sedimentos; Característica dos flúido • Em canais abertos destacam-se dois tipos de fluxos: • Fluxo laminar - As partículas movimentam-se em linhas de fluxo retas ou levemente curvas paralelas umas as outras com velocidade uniforme. • Velocidade do fluxo relativamente lenta; • Fluidos com maior viscosidade; • Vazão abaixo do limite superior; • Não ocorre evidencia Tipo de fluxo Movimento e energia da água corrente • Em canais abertos destacam-se dois tipos de fluxos: • Fluxo turbulento – As partículas movimentam-se em linhas de fluxos que se cruzam (misturam) e formam espirais e turbilhões. • Ocorrem em leitos com irregularidades ou rugosos; • Velocidade excede o limite “força viscosa”; • Vazão acima do limite superior; • Turbulência – é a medida das irregularidades e turbilhonamento do fluxo. Pode ser baixa ou alta. O tipo de fluxo depende de três fatores: - Velocidade (taxa de movimento) - Geometria (profundidade e rugosidade do leito) - Viscosidade (resistência ao movimento) Maior viscosidade, tendência ao fluxo laminar Número de Reynolds (fluxo laminar vs. fluxo turbulento) V= velocidade do fluxo; D= profundidade; = viscosidade cinemática (viscosidade dinâmica/densidade do fluido) • A turbulência é produzida pela alta velocidade do fluxo, profundidade e baixa viscosidade(Re>2000); • Fluxo laminar ocorre quando o inverso acontece (Re<500). • O ar e a água são quase sempre turbulentos. v DV =Re Tipo de fluxo Modificado de Sundborg (1956) Número de Froude (fluxo subcrítico vs. fluxo supercrítico) V= velocidade do fluxo; d= profundidade; gd= celeridade (velocidade da onda) • Regime de Fluxo Superior (RFS) - Quando a velocidade do fluxo excede a velocidade da propagação das ondas (Fr>1) se tem um fluxo supercrítico • Regime de Fluxo Inferior (RFI) – quando a velocidade de propagação das ondas é maior do que a do fluxo (Fr<1) se tem um fluxo subcrítico • Alguns autores admitem uma região de transição entre o fluxo subcrítico para um fluxo supercrítico (ou vise versa) é caracterizado por um “salto hidráulico” gd V Fr = vídeo Grãos X fluídos: > Competência: tamanho máximo da partícula que o fluido é capaz de transportar; > Capacidade: medido do volume total de partículas que o fluido é capaz de transformar; > Viscosidade: resistência do fluido ao escoamento (movimentação); Tipos de transporte em um fluido turbulento • Arrasto (empurrado sobre a superfície do leito) • Tração (rolando sobre a superfície do leito) • Saltação (saltando sobre a superfície do leito) • Suspensão (transporte permanente junto com o fluido) • Solução (transporte químico) ➢ Essas partículas constituem a: – Carga de fundo (bed load) – Carga de suspensão (suspended load) – Carga em soluçaõ (dissolded load) Gráfico de Hjulström: velocidade necessária para erodir, transportar e depositar sedimentos em função da granulometria. Velocidade crítica Grão finos (<0,01mm) transportados em carga de suspensão (suspensed load), erosão de leitos finos inconsolidados Velocidade crítica Transporte de grãos tamanho areia por saltação (intermitente suspensão), como carga de fundo (bedload) Velocidade crítica Predomina tração de grãos em carga de fundo, transporte de partículas grossas Velocidade crítica Limite para deposição Velocidade crítica Zona de erosão do leito consolidado = leitos de pelito necessitam de alta energia de fluxo para ser erodido. Velocidade crítica Gráfico de regime de fluxo x forma de leito Sedimentação em água parada Lei de Stokes (ajuste da velocidade em um fluido não dinâmico) vg= ajuste da velocidade; D= diâmetro do grão; g= densidade do grão; f= densidade do fluido; = viscosidade dinâmica • A lei de Stokes é aplica apenas para os finos (<100 m). μ 18 )ρ(ρgD v fg 2 g − = Agentes transportadores Agentes de transportes – COMPETÊNCIA X VISCOSIDADE ➢ TRANSPORTE DE GRÃOS LIVRES: fluidos de baixa viscosidade e a interação dos grãos adjacentes não comprometem a trajetória do movimento; • Água • Ar ➢ TRANSPORTE GRAVITACIONAL: fluidos alta viscosidade devido a alta concentração e maior interação entre as partículas transportadas; • Gravidade • Gelo Água • 4 tipos de fluxo: • Corrente; • Oscilatório ou ondas; • Marés; • Correntes oceanicas; • Fluxo unidirecional e bidirecional; • Turbulento ou laminar (difícil observar na natureza); • Regime de fluxo inferior ou superior; • Todos os sistemas deposicionais subaquosos continentais e marinhos Corrente Oscilatório Maré Correntes oceânicas Vento • Fluxo eólico (vento); • Unidirecional; • Transporte por tração, saltação e suspensão; • Marcas onduladas e dunas; • Desertos e zonas costeiras (Backshore e foreshore); Gravidade • Fluxo gravitacional (ou movimento de massa): transporte de sedimentos por efeito ocorre da gravidade, partículas dispersas paralelamente ao substrato; • Três regimes: – Regime rúptil: – Regime dúctil: – Regime fluidal: Gravidade • Regime rúptil: deslizamento/cisalhamento ao longo de fraturas em taludes, com deslocamento de blocos homogêneos e incoesos; Gravidade • Regime dúctil regime plástico com contribuição de água, representado por fluxo granular (dunas eólicas), fluxo de detritos (leques aluviais) e fluidificação; Fluidal - Turbiditos • Regime fluidal fluxo turbulento subaquoso de alta densidade (Turbiditos), com elevada relação fluido grão o que leva o transporte por tração e suspensão, associados a leques submarinos; Gelo Exercício EaES 350-9 54 Leituras complementares: - Suguio, K. 2003 Geologia Sedimentar – Cap. 8 itens 2.4.3 a 2.4.8 - Press, F. et al. 2006 Para entender a Terra – Cap. 14 páginas 341 a 345 - Teixeira, W. et al 2000 Decifrando a Terra – Cap. 9 itens 9.2 e 9.5