4. Hydrodynamik, Transport und -formen, Sedimentstrukturen · 1 HvE / Prakt.-Sedimentologie 4....

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HvE / Prakt.-Sedimentologie

4. Hydrodynamik,

Transport und -formen,

Sedimentstrukturen


Degens 1989

Stoke´s Gesetz

Partikel-Sinkgeschwindigkeit instationären Fluiden, z.B. stehen-des Gewässer:

u =2 r2(1-2)g

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mit: r = Partikelradius1,2 = Dichte von Partikel und Fluidg = Erdbeschleunigung = Viskosität des Fluids

gilt nur für Partikel <~100µm(bei 1 2.65 und 2 1.0 g/cm3 u

Sin

kges

chw

indi

gkei

t

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HvE / Prakt.-Sedimentologie Jacobshagen et al. 2000

laminaresFließen

turbulentesFließen

Strömungsverhältnisse


Reynolds-Zahl

Re = du /

1

2

3

4

Leeder 1999

d

u = Fließgeschwindigkeit

= Dichte des Fluids

= Viskosität

Der Übergang von laminaren zu turbulenten Strömungs-verhältnissen liegt beiRe = 500 - 2000

drückt das Verhältnis von Trägheitskräften zur Zähigkeit (bzw. Zähigkeitskräften) aus

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Hsü 2004


Strömungs-Regime

Die dimensionslose Froude-Zahl (F) kennzeichnet das Strömungs-Regime.Sie beschreibt das Verhältnis von Trägheitskräften zur Schwerkraft:

F = u / (gh)1/2

u

(gh)1/2

mit: u = Fließgeschwindigkeitg = Erdbeschleunigungh = Strömungstiefe

F<1 ruhige, subkritische Strömung

F>1 schießende, überkritische Strömung

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Allen 1997


Antidünen

Leeder 1999

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Hsü 2004

Re = du /

F = u / (gh)1/2


Hsü 2004

that means, streams a few (1-10) meters deep flowing at speeds less than 3-10 m/s are mostly turbulent subcritical flows

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Transport

Leeder 1999

Schubspannung (shear stress)

= * du/dy

mit = Viskosität unddu/dy = Geschwindigkeits-gradient ( = strain rate)


Ver

form

ungs

rate

(st

rain

rat

e)

Schubspannung (shear stress)

mit = Viskosität unddu/dy = Geschwindigkeits-gradient ( = strain rate)

Wasser ?

Luft ?

Eis ?

Zahnpasta, Harz ?

Wasser+Sand, „Treibsand“?

= * du/dy

shear stress(Schubspannung)

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Transport

Allen 1997

Krafteinwirkung auf einzelnePartikel:

- Auftriebskraft (lift force)- Strömungswiderstand

(drag force)

vs. Gravitationskraft

g

entscheidende Größen:

Partikelgröße und -dichte Fließgeschwindigkeit Viskosität des Fluids

+ (Geometrie/ Wassertiefe)+ (Partikelform) + (Rauhigkeit d. Untergrundes)


Transportformen

Leeder 1999

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Erosion - Transport - Ablagerung Hjulstrøm – Diagramm

Bah

lbur

g &

Bre

itkre

uz 1

998

für 1m Wassertiefe !


(turbulentes) Fließen Sediment - Transport

Bodenform, Sohlform(Geometrie der Sediment – Fluid – Grenzfläche)

= µ * du/dy

ist je größer, je kleiner y, d.h. je näher an der Basisfläche (y=0)Allen 1997

u = velocity

und u sind größer bei turbulentem Fließen nahe der Basisfläche

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HvE / Prakt.-SedimentologieAllen 1997


Allen 1997

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Allen 1997


Kletterrippeln

Leeder 1999

Fig. 7.7 Experimentally produced climbing-ripple cross-lamination seen in vertical profile parrallel with flow. The increasing angle of climb from bottom to top is caused by the increasing rate of net vertical deposition relative to the speed of advance of ripples (after Allen, 1972).

Sedimentstrukturen

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Sedimentstrukturen

Strömungsrippeln vs Wellenrippeln (Oszillationsrippeln)

Press & Siever 2001

HvE / Prakt.-Sedimentologie Leeder 1999

Oszillations-rippeln

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Leeder 1999


HCS – hummocky cross stratification („Beulenschichtung“)

Graham 1988 (in Tucker, Ed.)

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Trübeströme und Turbidite

Press & Siever 2001


Press & Siever 2001

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Trübeströme

Allen 1997


Leeder 1999

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Allen 1997

A

B

C

D


Gradierung

Walker 1984

normal bzw. positiv

invers bzw. negativ

symmetrisch

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Leeder 1999

Debris Flows


Bioturbation

aus Press & Siever (1997)

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5. Porosität und Permeabilität

Porenraum

authigene Bildungen („Zement“)

Komponenten („Sandkörner“)

200 µm

water, petroleum (crude oil), gases(CO2, CH4, H2S, H2O, N2, O2 ... )


Füchtbauer (1988)Porosität

Definitionen :

Gesamtporosität Pt = (Gesamtvolumen - Feststoffvolumen) x 100

Gesamtvolumen

Effektive Porosität Pe = (kommunizierendes Porenvolumen) x 100

Gesamtvolumen

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Udluft 1974

Permeabilität/Durchlässigkeit


Udluft 1974

Permeabilität

Die Permeabilität (Durchlässigkeit s.str.) ist eine gesteinspezifische Konstante, die die Beschaffenheit eines Porensystems unabhängig von den Fluideigenschaften (Viskosität!) beschreibt.

Hölting 1989

Eine poröses Gestein hat die Permeabilität K = 1 Darcy (1D = 1000mD) wenn 1cm3

einer Flüssigkeit mit der Viskosität 1 Pa*s in 1 s ein Gesteinstück von 1 cm Länge und 1cm2 Querschnitt bei einem Druck-unterschied von 0.98067 bar (= 1 at) und bei T = 0°C durchfliesst.

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Füchtbauer (1988)

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Füchtbauer (1988)

Porosität vs. Permeabilität


Füchtbauer (1988)

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HvE / Prakt.-SedimentologieEinsele (2000)

Porosity decrease during compaction

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Principles of Sediment Compaction

[%]

d [km]

mostly mechanical compaction(70-100°C)[f of effective stress]

mostly chemical compaction(T, x)[f of temperature]

2-3

Bjorlykke (1999)

secondary porosity


0

2a

1a

2

1

Houseknecht diagram

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