TRANSPORTE Y ACUMULACIÓN
DE LOS SEDIMENTOS
FLUJOS FLUIDOS
Acuosos
Aéreos
FLUJOS GRAVITATORIOS
HIELO
Fluidos = líquidos y gases, no tienen
resistencia interna (strength) al esfuerzo de ciza
(shear stress) y se deforman rápida y
completamente.
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
Objetivo final = partiendo de las propiedades de una roca
sedimentaria, inferir las condiciones de flujo en la cual esa roca se
formó.
Las fuerzas que actúan en sólidos y líquidos pueden
representarse como vectores que tienen componentes normal
y paralela a la superficie del cuerpo. La componente de fuerza
perpendicular a la superficie del cuerpo, por unidad de área es
la presión (P). La componente de fuerza paralela a la
superficie del cuerpo es el esfuerzo de ciza ().
P Plano
F
Video
El aire y el agua son los dos fluidos de mayor importancia
geológica. Difieren en su densidad y en su viscosidad dinámica,
parámetros que controlan el modo en que el fluido fluye.
δ agua = ??? gr/cm3
δ aire = 0,0013 gr/cm3
La densidad del agua es 800 veces superior a la del aire
v
y
Ley de Newton de la Viscosidad
= . v/y
v = velocidad
y = distancia a la base (puede ser la profundidad)
= viscosidad dinámica
= esfuerzo de ciza
es constante a T° = constante
La viscosidad de un fluido es una medida de su
resistencia a fluir, o sea al esfuerzo de ciza; este es
un concepto fundamental para la mecánica del
transporte de los sedimentos.
Si tengo un fluido acuoso y le agrego partículas de
arcilla en suspensión modifico su densidad y
viscosidad, y también cambia su comportamiento
dinámico. El fluido se vuelve no-Newtoniano (o sea
que no obedece a las leyes de Newton), como ocurre
con los torrentes de barro.
TIPOS DE FLUJOS FLUIDOS
Flujos Laminares
El flujo discurre en láminas paralelas entre sí.
No hay transferencia de masa entre láminas.
El flujo es lento y casi no hay movimiento en otra dirección que no sea
la del movimiento principal.
Flujos Turbulentos
Las líneas de flujo se entrecruzan.
Hay torbellinos (vórtices o remolinos) complejos que
cambian continuamente.
Hay transferencia continua de masa y momento hacia
arriba y hacia los costados
La turbulencia actúa levantando partículas del sedimento.
Casi todos los flujos naturales son turbulentos.
Se considera una velocidad promedio, ya que localmente la
velocidad varía mucho de acuerdo con los vórtices. Video
Un huracán es un vórtice
gigantesco compuesto por
innumerables vórtices menores.
Un vórtice mayor se diluye
formando vórtices menores y
finalmente desaparece
Números de Reynolds y de Froude
Son números adimensionales que permiten caracterizar flujos. Podemos
decir que dos flujos son dinámicamente similares si sus números de
Reynolds y de Froude son iguales o similares.
El número de Reynolds es el cociente entre las fuerzas inerciales del fluido
sobre las fuerzas viscosas.
R = . v. L/
= densidad
v = velocidad de flujo promedio en canales abiertos
L = radio hidráulico en canales abiertos; diámetro de la partícula en el tubo
de decantación
= viscosidad dinámica
Un número R > 2000 indica flujo turbulento mientras que un R < 500
indica flujo laminar y los valores intermedios pueden indicar
alternativamente flujos turbulentos o laminares.
L
Estela turbulenta
R < 0,1
R 24-100
R 1000
Separación de Flujo alrededor de una partícula
En una partícula cayendo en el tubo de sedimentación, no hay separación de flujo
apreciable a sotavento hasta un R = 24, luego de lo cual la estela se torna turbulenta.
El número de Froude es el cociente entre la velocidad y las fuerzas
gravitatorias
F = v/(L g)-2
g = gravedad
Número F < 1 indica un flujo tranquilo (puede ser laminar o turbulento)
F > 1 flujo rápido o supercrítico
F 1 flujo crítico o de transición.
Régimen de Flujo
•Tiene gran importancia en el transporte y acumulación de los
sedimentos.
•Permite relacionar las formas de lecho y el transporte de los
sedimentos con los flujos caracterizados a través de sus números de
Reynolds y de Froude.
Regímenes de Flujo
Bajo o tranquilo (F < 1)
existe gran resistencia al flujo
hay poco transporte de sedimento (relativo)
las ondulaciones de la superficie del agua están fuera de fase con las
ondulaciones del lecho
se forman óndulas y megaóndulas o ambas combinadas
Transición (F 1)
Configuración del lecho inestable
Formación de lecho plano, antidunas o megaóndulas
Alto o supercrítico (F > 1)
Pequeña resistencia al flujo y gran transporte de sedimentos
Las ondulaciones de la superficie del agua están en fase con las de la
superficie del lecho
Puede formarse una carpeta tractiva en la base del flujo (de pocos granos de
espesor)
Se forman antidunas
El Regimen de flujo es bajo
La superficie del
agua presenta
ondulaciones
El lecho también, y
están en fase con la
superficie
El Régimen de flujo es alto
Video
Un fluido que corre sobre un lecho ejerce un esfuerzo de ciza sobre él y, consecuentemente, el lecho ejerce una fuerza que tiende a detener el movimiento del fluido.
En la zona cercana al contacto (capa limítrofe o boundary layer – Ludwig Prandtl (1904) el flujo está fuertemente influenciado por el lecho.
El espesor de esta capa es determinado por el relieve o rugosidad del lecho, la velocidad del flujo y la viscosidad del flujo. Puede ir desde pocos mm hasta abarcar gran parte del flujo.
En esta zona ocurre la “separación del flujo”, en una parte principal, poco influenciada por el lecho, y en una “capa limítrofe” fuertemente influenciada por este. Esta última puede ser laminar o turbulenta.
Capa Limítrofe (Boundary Layer)
U (cm/s)
y (cm)
U (cm/s)
Flujo Turbulento al lecho
Flujo con
subcapa laminar
y (cm)
INICIO DEL MOVIMIENTO DE LAS PARTÍCULAS
Subcapa
laminar
diámetro = 0,15 mm
diámetro = 7,2 mm
Conclusión: el inicio del movimiento se ve favorecido si la turbulencia
impacta directamente sobre el lecho
Para un flujo enteramente turbulento sobre una superficie tal
como una capa de arena el perfil vertical de velocidades está
dado por la ecuación desarrollada por von Karman
Vm/Vo = 8,5+2,3/K log y/yo
Vm = velocidad promedio del flujo
Y = distancia al lecho
Vo = ciza o velocidad de fricción = o / (esfuerzo de ciza sobre
densidad)
K= constante de von Karman aprox. 0,4 para la mayoría de los fluidos
Yo = largo de la irregularidad, que depende de la rugosidad del lecho
A mayor rugosidad o irregularidad es mayor el gradiente de
disminución de la velocidad. La irregularidad puede ser una
forma de lecho, como óndulas y dunas.
Presión
Velocidad
Inicio del movimiento de las partículas
EROSIÓN
LIMO-ARCILLA ARENA FINA ARENA GRAVA Y BLOQUES
DEPOSITACIÓN
TRANSPORTE
EN SUSPENSIÓN
Limo y arcilla inconsolidados
Limo y
arcilla consolidados
Diagrama de Hjülstrom- Sandborg (agua en movimiento)
Tamaño de grano(mm)
V
e
l
o
c
i
d
a
d
cm/s
TRANSPORTE, CARGA
DE LECHO
Movimiento de las partículas en un fluido
Rolido y deslizamiento sobre el lecho (tracción) dando lugar a
la carga tractiva.
Saltación (la partícula se levanta y cae sucesivamente, impacta
a otras partículas en el lecho y en el flujo, y produce eyección,
impacto-proyección y reptaje, especialmente en el aire)
•Suspensión (la partícula no toca el lecho)
10°
•Carga de lecho = es el material que se mueve cerca
del lecho por tracción y saltación
• Carga en suspensión = el material permanece
suspendido por la turbulencia (el diámetro depende
del régimen de flujo)
• Carga de lavado = suspendida siempre
•Capacidad: cantidad de sedimento que puede
transportar un flujo
•Competencia: diámetro máximo de partículas que
puede transportar un flujo
Capas basales
Espesor
del delta
Zona de no difusión
Flujo principal
Zona de mezcla
Zona de flujo reverso
Capas frontales
Longitud de la zona de circulación inversa ( 7 veces el espesor del delta)
Migración de óndulas
Remolinos
de gran
escala
Flujo sobre una forma de lecho transversal tipo duna
Capas
dorsales
o V
Diámetro medio de caída
FORMAS DE LECHO, TAMAÑO DE GRANO Y FLUJO
Sin movimiento de
sedimento
Antidunas,
Dunas (megaóndulas)
Transición
Óndulas
Lecho plano
Bajo
Alto
lecho plano
o V
Diámetro medio de caída
FORMAS DE LECHO, TAMAÑO DE GRANO Y FLUJO
Antidunas
Lecho
plano
Alto regimen de
flujo
Bajo regimen de
flujo
óndulas
dunas
Lecho plano
Forma de lecho transversal al flujo (óndulas de corriente
asimétricas) en un estuario
Formas de lecho transversales al flujo (dunas y óndulas
de corriente asimétricas) en un estuario
CRESTA
recta
ondulada
catenaria
linguoide
semilunar
Rég
imen
de F
lujo
creciente
Cima Quiebre
H
Barlovento Sota-
vento
λ
Dirección de flujo
Seno Cresta
d promedio
Separación del flujo
Flujo reverso
Morfología de una óndula de corriente
Índice de óndula = λ/H
L = Longitud de onda
H = Altura
L/H= índice de óndula
Altura (H) vs. longitud de onda (L) en formas de lecho
transversales a flujos subácueos
H (
m)
L (m)
Dunas
Óndulas
Ashley
1990
Estructura
interna de las
óndulas (y
megaóndulas)
de corriente
Transporte eólico y formas de lecho
• Limo y arcilla son transportados por suspensión
• La arena fina por saltación y la arena gruesa por impacto-reptaje
• Se forman óndulas aplanadas y asimétricas, de cresta recta, a veces bifurcada, cuya longitud de onda depende del patrón de saltación.
• El índice de óndula es mayor que en las óndulas acuosas
• Si la velocidad aumenta se forma un lecho plano
• Otras formas de lecho son las dunas y los draas
• Las dunas tienen longitudes de onda de decenas a cientos de metros
• Los draas tienen longitudes de onda de cientos de metros a varios km
Transporte de arcilla y limo en suspensión – erosión de suelos en la
Provincia de Buenos Aires
Erosión en la meseta patagónica – El tope de la meseta se erosionó
0,65 m en 70 años
Campo de dunas en la costa de la Pcia. de Buenos Aires
“Formas de lecho”
“Formas de lecho”
Depósito de duna
“fósil” del Mioceno
En general se
reconoce
la estructura
sedimentaria
(interna) y
raramente la
forma de lecho
1
100
1000
0.06 2 10
Tamaño de grano (mm)
Vel
oci
dad
del
vie
nto
(cm
/s)
Suspensión
Depositación
Saltación
Impacto-Reptaje
V. de Suspensión V. de Decantación
V. de Inicio de movimiento
V. de Inicio de movimiento
con arena
H (
m)
L (m)
Altura (H) vs. longitud de onda (L) en formas de lecho
transversales a flujos subaéreos
Dunas eólicas
Óndulas
eólicas
Recta de dunas subácueas
Ashley, 1990
Intervalo
sin dunas
ni óndulas
Recta de mejor correlación
En el desierto de Namibia se encuentran dunas de 305 metros de altura,
formadas por los vientos en la costa Atlántica de Namibia. El desierto
tiene unos 55 millones de años. La media anual de lluvia es de 6 cm
Mar de Arena de Argelia
El Issaouane Erg cubre una gran zona en el este de Argelia. Tiene tres tipos
de dunas: Mega-dunas, conocidas como draas o espaldas de ballena y miden
varios cientos de kilometros. Dunas medianas que se forman encima de las
megadunas y pequeñas dunas alrededor de las dunas grandes
Flujos fluidos oscilatorios
•El movimiento de la ola genera una trayectoria
circular de las partículas del agua que se atenúa
con la profundidad del flujo.
•Este movimiento se traduce en un movimiento
horizontal cuando la ola interfiere con el fondo.
= Longitud de onda
h = Altura
/2 = Profundidad máxima de
interacción con
el fondo
Velocidad de olas someras = (g.d)1/2
Velocidad de olas en aguas profundas = (g./2π)1/2
d
https://youtu.be/7yPTa8qi5X8
Ola que interfiere con el fondo
Ondulas de oleaje
Se forman“Chevrones”, que no existen en las ondulas de corriente
Lecho Plano (laminación paralela)
Ondulas de oleaje
Sin movimiento de sedimento
Tamaño de grano (mm)
Velocidad
máxima de
las olas
cm/s
•Los granos se mueven por rolido en una y otra dirección
alternativamente y tienden a acrecionar en sus caras frontales,
como en el caso de las óndulas de corriente.
•Este crecimiento alternativo da origen a la óndula de oleaje,
que es casi siempre simétrica.
• Las óndulas de oleaje asimétricas se producen por
diferencias en la velocidad del movimiento hacia delante y
hacia atrás (pueden confundirse con óndulas de corriente). Las
partículas de agua no se mueven en una órbita cerrada, sino
que existe transporte de masa en la dirección de propagación
de la ola (por ejemplo en las zonas de surf marino y en zonas
de poca profundidad de agua).
Óndulas de oleaje
Son ondulaciones simétricas o casi simétricas producidas por
acción de las olas en una superficie poco cohesiva (ver gráfico
con las condiciones de origen). Se forman para velocidades de
propagación de olas mayores a 9 cm/s y desaparecen para
velocidades mayores de 90 cm/s.
Óndulas simétricas de ola
Tiene crestas de forma simétricas, bastante puntiagudas con
senos redondeados, rectos y a veces bifurcándose de 0,9 a 200
cm de largo y de 0,3 a 23 cm de alto con un índice de óndula
entre 4 y 13, mayormente 6 a 7.
Si el aporte de sedimento es muy alto pueden ser de tipo
escalonado.
Forma externa no concordante con la estructura interna
Chevrones en las láminas internas Capas frontales que
continúan en los senos
Límite inferior irregular (ondulado)
Construcción en conjuntos o haces no concordantes
Óndulas asimétricas de ola
Presentan crestas rectas, con el lado de sotavento más inclinado
que el de barlovento.
Largo de 1,5 a 105 cm y alturas de 5 a 16 cm.
Indice de óndula (λ/H) entre 3,8 y 6,1 (pequeño)
Estas óndulas presentan una morfología similar a las de
corriente y pueden producir escalonamiento. Pueden tener
crestas bifurcadas. Se las reconoce por los siguientes criterios:
-Chevrones en las láminas internas.
-Formas externas no concordantes con la estructura interna
-Límite inferior irregular (ondulado)
-Construcción en conjuntos o haces no concordantes
-Capas frontales que continúan através de los senos.
Formación Katterfeld (Cretácico inferior) Lago Fontana
Flujos Combinados (Oscilatorios + Direccionales)
Se producen durante las tormentas por acción
combinada del oleaje y de las corrientes
Fango
Fango
Arena
Colinas (Hummocks)
Depresiones (Swales)
Estratificación Hummocky
Estratificación Hummocky
Un tsunami se comporta como una ola somera en todo el
oceáno por su gran longitud de onda
V de olas someras = (g.d)1/2
Si d = 4600 m V = 763 km/h
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