Depozycja (geologia) - Deposition (geology)

Szersze omówienie tego tematu zawiera sekcja Transport osadów .
Mapa Cape Cod przedstawiająca wybrzeża podlegające erozji (odcinki klifowe) oraz wybrzeża charakteryzujące się depozycją morską (bariery).
Mapa Cape Cod przedstawiająca wybrzeże podlegające erozji (odcinki klifowe) na żółto, a wybrzeże z osadami morskimi (bariery) na niebiesko.

Osadzanie to proces geologiczny, w którym osady , gleba i skały są dodawane do ukształtowania terenu lub masy lądu . Transport wiatru, lodu, wody i grawitacji wcześniej wietrzył materiał powierzchniowy, który przy utracie wystarczającej energii kinetycznej w płynie osadza się, tworząc warstwy osadu.

Osadzanie następuje, gdy siły odpowiedzialne za transport osadów nie są już wystarczające do pokonania sił grawitacji i tarcia , tworząc opór ruchu; jest to znane jako hipoteza punktu zerowego. Osadzanie może również odnosić się do gromadzenia się osadu z materii pochodzenia organicznego lub procesów chemicznych . Na przykład kreda składa się częściowo z mikroskopijnych szkieletów z węglanu wapnia planktonu morskiego , którego osadzanie wywołało procesy chemiczne ( diageneza ) prowadzące do dalszego osadzania węglanu wapnia. Podobnie powstawanie węgla rozpoczyna się od depozycji materiału organicznego, głównie roślinnego, w warunkach beztlenowych .

Hipoteza punktu zerowego

Hipoteza punktu zerowego wyjaśnia, w jaki sposób osady osadzają się w profilu wybrzeża w zależności od wielkości ziarna. Wynika to z wpływu energii hydraulicznej, co powoduje klarowanie cząstek osadu w kierunku morza lub gdzie wymuszanie płynu jest równe grawitacji dla każdego rozmiaru ziarna. Koncepcję tę można również wyjaśnić jako „osad o określonej wielkości może przemieszczać się w poprzek profilu do pozycji, w której znajduje się w równowadze z falą i przepływy działające na to ziarno osadu”. Ten mechanizm sortujący łączy w sobie wpływ siły grawitacyjnej profilu i sił wynikających z asymetrii przepływu; pozycja, w której transport netto jest zerowy, znana jest jako punkt zerowy i została po raz pierwszy zaproponowana przez Cornaglia w 1889 roku. Rysunek 1 ilustruje tę zależność między wielkością ziarna osadu a głębokością środowiska morskiego.

Rysunek 1. Przedstawienie rozkładu wielkości osadów w profilu linii brzegowej, gdzie drobniejsze osady są transportowane z dala od środowisk o wysokiej energii i osadzają się w zawiesinie lub osadzają się w spokojniejszych środowiskach. Grube osady są utrzymywane w profilu górnej linii brzegowej i są sortowane według systemu hydraulicznego generowanego przez fale

Pierwsza zasada leżąca u podstaw teorii punktu zerowego wynika z siły grawitacyjnej; drobniejsze osady pozostają w słupie wody przez dłuższy czas, co pozwala na transport poza strefę surfingu do osadzania się w spokojniejszych warunkach. Wpływ grawitacji lub prędkość osiadania determinuje miejsce odkładania drobniejszych osadów, natomiast kąt tarcia wewnętrznego ziarna determinuje odkładanie większych ziaren na profilu brzegowym. Druga zasada tworzenia klarowania osadów w kierunku morza jest znana jako hipoteza asymetrycznych progów pod wpływem fal; opisuje to interakcję między oscylacyjnym przepływem fal a pływami przepływającymi przez formy łoża falowania w sposób asymetryczny. „Stosunkowo silne uderzenie fal na lądzie tworzy wir lub wir po zawietrznej stronie tętnienia, pod warunkiem, że przepływ na lądzie utrzymuje się, wir ten pozostaje uwięziony pod zawietrzną falą. Kiedy przepływ się odwraca, wir jest wyrzucany w górę z dno i mała chmura zawieszonego osadu generowanego przez wir jest wyrzucana do kolumny wody powyżej fali, a chmura osadu jest następnie przesuwana w stronę morza przez uderzenie fali na morzu. Tam, gdzie występuje symetria w kształcie fali, wir jest neutralizowany, wir i związana z nim chmura osadów rozwija się po obu stronach fali. To tworzy mętny słup wody, który przemieszcza się pod wpływem pływów, gdy ruch orbitalny fal jest w równowadze.

Hipoteza punktu zerowego została ilościowo potwierdzona w porcie Akaroa w Nowej Zelandii, The Wash w Wielkiej Brytanii, Zatoce Bohai i West Huang Sera w Chinach kontynentalnych oraz w wielu innych badaniach; Ippen i Eagleson (1955), Eagleson i Dean (1959, 1961) oraz Miller i Zeigler (1958, 1964).

Depozycja osadów niespoistych

Wielkoziarniste osady transportowane przez wsad lub ładunek zawieszony zatrzymają się, gdy naprężenie ścinające złoża i turbulencja płynu nie będą wystarczające, aby utrzymać ruch osadu; przy zawieszonym ładunku może to być pewna odległość, ponieważ cząstki muszą spaść przez słup wody. Jest to określane przez siłę ciężaru działającą w dół, odpowiadającą połączonej sile wyporu i oporu płynu i może być wyrażona przez:

Siła ciężaru działająca w dół = działająca w górę siła wyporu + działająca w górę siła oporu płynu

gdzie:

  • π to stosunek obwodu koła do jego średnicy.
  • R jest promieniem kulistego obiektu (wm),
  • ρ jest gęstością masową płynu (kg/m 3 ),
  • g jest przyspieszeniem grawitacyjnym (m/s 2 ),
  • C d jest współczynnikiem oporu, a
  • w s to prędkość osiadania cząstki (wm/s).

Aby obliczyć współczynnik oporu, należy odkryć liczbę Reynoldsa ziarna , która opiera się na typie płynu, przez który przepływa cząstka osadu, przepływie laminarnym, przepływie turbulentnym lub hybrydzie obu. Gdy płyn staje się bardziej lepki z powodu mniejszych rozmiarów ziaren lub większych prędkości osiadania, prognoza jest mniej jednoznaczna i można zastosować prawo Stokesa (znane również jako siła tarcia lub siła oporu) osiadania.

Depozycja spoistych osadów

Spójność osadów występuje przy małych rozmiarach ziaren związanych z mułami i iłami lub cząstkami mniejszymi niż 4ϕ w skali phi . Jeśli te drobne cząstki pozostają rozproszone w słupie wody, prawo Stokesa stosuje się do prędkości osiadania poszczególnych ziaren, chociaż ze względu na to, że woda morska jest silnym środkiem wiążącym elektrolit , dochodzi do flokulacji, w której poszczególne cząstki tworzą wiązanie elektryczne, sklejając się ze sobą, tworząc kłaczki. . „Powierzchnia płytki gliny ma niewielki ładunek ujemny, a krawędź ma niewielki ładunek dodatni, gdy dwie płytki zbliżają się do siebie, powierzchnia jednej cząstki i krawędź drugiej są przyciągane elektrostatycznie”. Kłaczki mają wówczas wyższą łączną masę, co prowadzi do szybszego osadzania się dzięki większej prędkości opadania i osadzania w kierunku bardziej przybrzeżnym niż w przypadku pojedynczych drobnych ziaren gliny lub mułu.

Występowanie teorii punktu zerowego

Port Akaroa znajduje się na Półwyspie Banks , Canterbury, Nowa Zelandia , 43°48′S 172°56′E / 43,800°S 172,933°E / -43,800; 172.933 . Powstanie tego portu nastąpiło w wyniku aktywnych procesów erozyjnych wygasłego wulkanu tarczowego, w wyniku którego morze zalało kalderę, tworząc wlot o długości 16 km, o średniej szerokości 2 km i głębokości -13 m w stosunku do średni poziom morza w punkcie 9 km w dół transektu osi centralnej. Dominująca energia fal sztormowych ma nieograniczony wpływ na port zewnętrzny z kierunku południowego, przy spokojniejszym środowisku w porcie wewnętrznym, chociaż zlokalizowane bryzy portowe tworzą prądy powierzchniowe i siekają, wpływając na procesy sedymentacji morskiej. Depozyty lessu z kolejnych okresów lodowcowych przez tysiąclecia wypełniały szczeliny wulkaniczne, w wyniku czego bazalt wulkaniczny i lessy były głównymi typami osadów dostępnymi do depozycji w porcie Akaroa

Rysunek 2. Mapa portu Akaroa przedstawiająca klarowanie osadów o zwiększonej batymetrii w kierunku osi centralnej portu. Zaczerpnięte z Hart et al. (2009) oraz University of Canterbury na podstawie umowy z Environment Canterbury.

Hart i in. (2009) odkryli, za pomocą badania batymetrycznego, sita i pipety analizy subtidal osadów, które osadów tekstury były związane z trzech głównych czynników: głębokość, odległość od brzegu, a na odległość wzdłuż osi centralnej od portu. Spowodowało to klarowanie tekstur osadów wraz z rosnącą głębokością i w kierunku centralnej osi portu, lub jeśli sklasyfikowano je w klasach ziarnowych, „wykreślony transekt dla osi środkowej przechodzi od piasków mulistych w strefie pływów do mułów piaszczystych w wewnętrznej blisko brzegu, do mułów w zewnętrznych częściach zatok, do mułu na głębokości 6 m lub więcej”. Patrz rysunek 2, aby uzyskać szczegółowe informacje.

Inne badania wykazały ten proces przesiewania wielkości ziarna osadu pod wpływem wymuszeń hydrodynamicznych; Wang, Collins i Zhu (1988) skorelowali jakościowo rosnącą intensywność wymuszania płynu ze wzrostem wielkości ziarna. „Tę korelację wykazano w niskoenergetycznych gliniastych równinach pływowych w Zatoce Bohai (Chiny), umiarkowanym środowisku wybrzeża Jiangsu (Chiny), gdzie materiał dna jest mulisty, oraz piaszczystych równinach wysokoenergetycznego wybrzeża The Wash (Wielka Brytania). )." Badania te dostarczają przekonujących dowodów na istnienie teorii punktu zerowego na mieszkaniach pływowych o różnych poziomach energii hydrodynamicznej, a także na mieszkaniach, które są zarówno erozyjne, jak i akrecyjne.

Kirby R. (2002) kontynuuje tę koncepcję, wyjaśniając, że drobne cząstki są zawieszane i przerabiane w powietrzu na morzu, pozostawiając osady opóźnione głównych muszli małży i ślimaków oddzielone od drobniejszego podłoża poniżej, fale i prądy, a następnie układają się w te osady, tworząc grzbiety chenier w całej strefie pływów, które mają tendencję do wypychania się w górę profilu przybrzeżnego, ale także wzdłuż przybrzeża. Cheniery można znaleźć na każdym poziomie nabrzeża i przede wszystkim charakteryzują reżim zdominowany przez erozję.

Aplikacje do planowania i zarządzania strefą przybrzeżną

Teoria punktu zerowego budziła kontrowersje, ponieważ została zaakceptowana przez główny nurt nauki o wybrzeżu, ponieważ działa w równowadze dynamicznej lub niestabilnej, a wiele pól i obserwacji laboratoryjnych nie udało się odtworzyć stanu punktu zerowego dla każdego rozmiaru ziarna w całym profilu. Interakcja zmiennych i procesów w czasie w kontekście środowiskowym powoduje problemy; „duża liczba zmiennych, złożoność procesów i trudność obserwacji, wszystko to stawia poważne przeszkody na drodze systematyzacji, dlatego w pewnych wąskich dziedzinach podstawowa teoria fizyczna może być rozsądna i wiarygodna, ale luki są duże”

Geomorfolodzy, inżynierowie, rządy i planiści powinni być świadomi procesów i wyników związanych z hipotezą punktu zerowego podczas wykonywania zadań, takich jak odżywianie plaży , wydawanie zgód na budowę lub budowanie struktur obrony wybrzeża . Dzieje się tak, ponieważ analiza wielkości ziarna osadu w całym profilu umożliwia wnioskowanie o szybkości erozji lub akrecji możliwej w przypadku modyfikacji dynamiki brzegu. Planiści i menedżerowie powinni również mieć świadomość, że środowisko przybrzeżne jest dynamiczne, a nauka kontekstowa powinna być oceniana przed wdrożeniem jakiejkolwiek modyfikacji profilu brzegu. Tak więc badania teoretyczne, eksperymenty laboratoryjne, modelowanie numeryczne i hydrauliczne mają na celu znalezienie odpowiedzi na pytania dotyczące dryfu litoralu i depozycji osadów, wyniki nie powinny być rozpatrywane w oderwaniu, a znaczna liczba czysto jakościowych danych obserwacyjnych powinna uzupełniać wszelkie decyzje dotyczące planowania lub zarządzania.

Zobacz też

Bibliografia