Отложение (геология)

Для более широкого освещения этой темы см. Транспорт отложений .

Карта Кейп-Кода, на которой показаны берега, подвергающиеся эрозии (участки обрывов), желтым цветом и берега, характеризующиеся морскими отложениями (барьеры), синим цветом.

Отложение – это геологический процесс, при котором отложения , почва и камни добавляются к форме рельефа или массиву суши . Ветер, лед, вода и гравитация переносят ранее выветрившийся поверхностный материал, который при потере достаточной кинетической энергии в жидкости откладывается, образуя слои отложений.

Это происходит, когда сил, ответственных за транспортировку отложений, уже недостаточно для преодоления сил гравитации и трения , создающих сопротивление движению; это известно как гипотеза нулевой точки. Отложение также может относиться к накоплению отложений в результате органических веществ или химических процессов . Например, мел частично состоит из микроскопических скелетов карбоната кальция морского планктона , отложение которого вызывает химические процессы ( диагенез ) с образованием дополнительного количества карбоната кальция. Точно так же образование угля начинается с отложения органического материала, главным образом растений, в анаэробных условиях.

Гипотеза нулевой точки

Гипотеза нулевой точки объясняет, как отложения откладываются по профилю берега в зависимости от размера их зерен. Это происходит из-за влияния гидравлической энергии, приводящей к измельчению частиц отложений по размеру в сторону моря, или из-за воздействия жидкости, равного силе тяжести для каждого размера зерна. Эту концепцию также можно объяснить следующим образом: «осадки определенного размера могут перемещаться по профилю до положения, в котором они находятся в равновесии с волной и потоками, действующими на это зерно отложений». Этот механизм сортировки сочетает в себе влияние силы тяжести профиля, направленной вниз по склону, и сил, обусловленных асимметрией потока; положение, при котором чистый перенос равен нулю, известно как нулевая точка и впервые было предложено Корнальей в 1889 году. Рисунок 1 иллюстрирует эту взаимосвязь между размером зерен осадка и глубиной морской среды.

Рисунок 1. Иллюстрация распределения размеров отложений по профилю береговой линии, где более мелкие отложения переносятся из среды с высокой энергией и оседают во взвешенном состоянии или откладываются в более спокойных условиях. Грубые отложения удерживаются в верхнем профиле береговой линии и сортируются волновым гидравлическим режимом.

Первый принцип, лежащий в основе теории нулевой точки, обусловлен гравитационной силой; более мелкие отложения остаются в толще воды в течение более длительного времени, позволяя транспортировке за пределы зоны прибоя откладываться в более спокойных условиях. Гравитационный эффект или скорость осаждения определяет место отложения более мелких отложений, тогда как внутренний угол трения зерна определяет отложение более крупных зерен на профиле берега. Вторичный принцип создания осадка со стороны моря известен как гипотеза асимметричных порогов под волнами; это описывает взаимодействие между колебательным потоком волн и приливами, текущими по ложам волновой ряби по асимметричной схеме. «Относительно сильный удар волны на берегу образует вихрь или вихрь на подветренной стороне ряби. При условии, что береговой поток сохраняется, этот вихрь остается в ловушке с подветренной стороны ряби. Когда поток меняет направление, вихрь отбрасывается вверх от ряби. дна, и небольшое облако взвешенных отложений, созданное вихрем, выбрасывается в толщу воды над рябью, затем облако отложений перемещается в сторону моря под действием волны от берега». Там, где форма ряби симметрична, вихрь нейтрализуется, вихрь и связанное с ним облако отложений развиваются по обе стороны от ряби. Это создает мутный столб воды, который перемещается под воздействием приливов, поскольку орбитальное движение волн находится в равновесии.

Гипотеза нулевой точки была количественно доказана в гавани Акароа , Новая Зеландия, Уош , Великобритания, заливе Бохай и Вест-Хуан-Сера, материковый Китай, а также во многих других исследованиях; Иппен и Иглсон (1955), Иглсон и Дин (1959, 1961) и Миллер и Зейглер (1958, 1964).

Отложение несвязных отложений

Крупнозернистые отложения, переносимые либо пластовой, либо взвешенной нагрузкой, останавливаются, когда напряжение сдвига в пласте и турбулентность жидкости недостаточны для поддержания движения отложений; с подвешенным грузом это может быть некоторое расстояние, поскольку частицам приходится проваливаться сквозь толщу воды. Это определяется тем, что сила веса зерна, действующая вниз, сочетается с комбинированной силой плавучести и силы сопротивления жидкости. и может быть выражено:

${\frac {4}{3}}\pi R^{3}\rho _{s}g={\frac {4}{3}}\pi R^{3}\rho g+{\frac {1}{2}}\mathbb {C} _{d}\rho \pi R^{2}w_{s}^{2}\,$

Сила веса, действующая вниз = сила плавучести, действующая вверх + сила сопротивления жидкости, действующая вверх.

где:

• π — отношение длины окружности к ее диаметру.
• R — радиус сферического объекта (в м),
• ρ — массовая плотность жидкости (кг/м ³ ),
• g — ускорение свободного падения (м/с ² ),
• C _d - коэффициент лобового сопротивления, а
• w _s — скорость осаждения частицы (в м/с).

Чтобы рассчитать коэффициент сопротивления, необходимо определить число Рейнольдса зерна , которое зависит от типа жидкости, через которую протекает частица осадка: ламинарный поток, турбулентный поток или гибрид того и другого. Когда жидкость становится более вязкой из-за меньшего размера зерен или большей скорости осаждения, прогноз становится менее однозначным и применим для учета закона Стокса (также известного как сила трения или сила сопротивления) осаждения.

Отложение связных отложений

Сцепление осадка происходит с зернами небольшого размера, связанными с илом и глиной, или частицами размером менее 4φ по шкале фи . Если эти мелкие частицы остаются рассеянными в толще воды, закон Стокса : к скорости осаждения отдельных зерен применяется хотя из-за того, что морская вода является сильным связующим веществом для электролитов , происходит флокуляция , когда отдельные частицы создают электрическую связь, слипаясь друг с другом, образуя хлопья. «Лицевая сторона глиняной пластинки имеет небольшой отрицательный заряд, тогда как край имеет небольшой положительный заряд, когда две пластинки находятся в непосредственной близости друг от друга, поверхность одной частицы и край другой притягиваются электростатически». В этом случае хлопья имеют более высокую общую массу, что приводит к более быстрому осаждению за счет более высокой скорости падения и осаждению в направлении, более близком к берегу, чем это было бы в случае отдельных мелких зерен глины или ила.

Появление теории нулевой точки

Гавань Акароа расположена на полуострове Бэнкс , Кентербери, Новая Зеландия . 43 ° 48'ю.ш., 172 ° 56' в.д. . Формирование этой гавани произошло в результате активных эрозионных процессов на потухшем щитовом вулкане, в результате чего море затопило кальдеру, образовав залив длиной 16 км, средней шириной 2 км и глубиной -13 м относительно средний уровень моря в точке 9 км вниз по разрезу центральной оси. Преобладающая энергия штормовых волн имеет неограниченное распространение во внешнюю гавань с южного направления, с более спокойной средой внутри внутренней гавани, хотя локализованные портовые бризы создают поверхностные течения и отломки, влияющие на процессы морских отложений. Отложения лёсса последующих ледниковых периодов на протяжении тысячелетий заполняли вулканические трещины. в результате чего вулканический базальт и лесс стали основными типами отложений, доступными для отложения в гавани Акароа.

Рисунок 2. Карта гавани Акароа, на которой показано осаждение отложений с увеличением батиметрии по направлению к центральной оси гавани. Взято из Hart et al. (2009 г.) и Кентерберийским университетом по контракту с Environment Canterbury.

Харт и др. (2009) анализа сублиторальных отложений обнаружено С помощью батиметрической съемки, ситового и пипеточного , что текстура отложений связана с тремя основными факторами: глубиной, расстоянием от береговой линии и расстоянием вдоль центральной оси гавани. Это привело к укрупнению текстур отложений с увеличением глубины и по направлению к центральной оси гавани, или, если классифицировать их по размерам классов зерен, «построенный разрез для центральной оси проходит от илистых песков в приливной зоне до песчаных алевритов во внутренней части гавани». у берега, до ила во внешних участках заливов, до ила на глубинах 6 м и более». Подробности см. на рисунке 2.

Другие исследования показали этот процесс отсеивания зерен осадка под действием гидродинамического воздействия; Ван, Коллинз и Чжу (1988) качественно коррелирует увеличение интенсивности воздействия жидкости с увеличением размера зерна. «Эта корреляция была продемонстрирована на низкоэнергетических глинистых приливных отмелях залива Бохай (Китай), в умеренной среде побережья Цзянсу (Китай), где донный материал илистый, и на песчаных отмелях высокоэнергетического побережья Уош (Великобритания). )" Это исследование показывает убедительные доказательства существования теории нулевой точки на приливных отмелях с разными уровнями гидродинамической энергии, а также на отмелях, которые являются как эрозионными, так и аккреционными.

Кирби Р. (2002) развивает эту концепцию, объясняя, что мелкие частицы взвешиваются и перерабатываются в воздухе в море, оставляя после себя отложения основных раковин двустворчатых моллюсков и брюхоногих моллюсков, отделяющиеся от более мелкого субстрата под ними, волны и течения затем накапливают эти отложения, образуя хребты Шенье по всей приливной зоне, которые имеют тенденцию быть вытеснены вверх по профилю береговой полосы, но также и вдоль береговой линии. Шенье можно найти на любом уровне береговой линии и преимущественно характеризуют режим, в котором преобладает эрозия.

Приложения для прибрежного планирования и управления

Теория нулевой точки вызвала споры в плане ее принятия в основной науке о прибрежных зонах, поскольку теория работает в условиях динамического равновесия или нестабильного равновесия, и многие полевые и лабораторные наблюдения не смогли воспроизвести состояние нулевой точки при каждом размере зерна по всему профилю. Взаимодействие переменных и процессов с течением времени в контексте окружающей среды вызывает проблемы; «большое количество переменных, сложность процессов и трудность наблюдения — все это создает серьезные препятствия на пути систематизации, поэтому в некоторых узких областях основная физическая теория может быть обоснованной и надежной, но пробелы велики»

Геоморфологи, инженеры, правительства и проектировщики должны знать о процессах и результатах, связанных с гипотезой нулевой точки, при выполнении таких задач, как питание пляжей , выдача разрешений на строительство или строительство береговой обороны сооружений . Это связано с тем, что анализ размера зерен отложений по всему профилю позволяет сделать выводы о возможных скоростях эрозии или аккреции, если изменить динамику берега. Планировщики и менеджеры также должны осознавать, что прибрежная среда является динамичной, и перед осуществлением любого изменения профиля берега следует оценить контекстуальную науку. Таким образом, теоретические исследования, лабораторные эксперименты, численное и гидравлическое моделирование призваны ответить на вопросы, касающиеся прибрежного дрейфа и отложения осадков; результаты не следует рассматривать изолированно, а значительный объем чисто качественных данных наблюдений должен дополнять любое решение по планированию или управлению.

См. также

• Цементация (геология) - процесс химического осаждения, связывающего осадочные зерна.
• Перекрестная слоистость - пласты осадочных пород под разными углами.
• Дрейф (геология) - Материал ледникового происхождения.
• Флокуляция - процесс, при котором коллоидные частицы выходят из суспензии и выпадают в осадок в виде хлопьев или хлопьев.
• Береговой дрейф - осадки перемещаются береговым течением.
• Овербанк – Россыпное геологическое месторождение
• Осадочная порода - горная порода, образовавшаяся в результате отложения и цементации частиц.
• Осадочные структуры - геологические структуры, образовавшиеся во время отложения отложений.
• Оседание - процесс, при котором частицы движутся ко дну жидкости и образуют осадок.
• Параметр щитов
• Сортировка - сортировка осадка
• Закон Стокса - Уравнение скорости тела в вязкой жидкости.
• Поверхностные отложения – Геологические отложения