DINAMICA MATERIALULUI SEDIMENTAR FACTORI FIZICO - MECANICI (PROCESE MECANICE)

DINAMICA MATERIALULUI SEDIMENTAR FACTORI FIZICO - MECANICI (PROCESE MECANICE)

De la locul sau de origine pana la locul de litificare, materialul sedimentar - cu exceptia depozitelor reziduale - parcurge un drum lung care cuprinde desprinderea de substrat si deplasarea particulelor clastice prin intermediul factorilor de transport - apa, aer, gheata - si depunerea lor in ariile de sedimentare. In cursul migrarii acestor particule se manifesta dorinta de dispersare pe suprafete mai largi decat in aria sursa sau, de contaminare cu material provenit din alte surse.

Deplasarea particulelor clastice dintr-un curent de apa sau aer are caracterul unei acumulari gravitationale si este controlata de greutatea specifica (d₁) si raza particulelor (r), vascozitatea mediului (c); in cazul apei, cu o densitate (d) mai mare decat a aerului, viteza de cadere a granulelor este data de relatia lui Stockes:

v = 2/9 x g x r² x ( d₁ - d ) / c

Deplasarea materialului clastic de la locul sau de origine si depunerea sa intr-un bazin de sedimentare confera acestuia un caracter alogen. Depozitele astfel formate se caracterizeaza prin stratificatie si sunt cunoscute ca sedimente si roci detritice. Ele sunt specifice domeniilor continentale (unde au evoluat in mediu fluviatil, lacustru, glaciar si desertic), domeniilor de tranzitie (mediului deltaic) si domeniului marin al zonelor de coasta, de self, marginilor continentale si zonelor abisale).

Pentru sedimente si pentru rocile detritice exista caractere de diagnostic, precum:

diversitatea mineralogica a constituentilor;

forma particulelor si dimensiunile lor specifice modului si distantelor de transport;

particularitatile structurii stratelor care sugereaza mediile naturale in care a evoluat materialul;

relatiile particulare intre granule si liant.

Transportul si depunerea epiclastelor

Pentru a intelege originea rocilor formate din constituenti clastici, trebuie descifrat mecanismul de deplasare a materialului sedimentar din ariile in care a actionat dezagregarea spre locurile de concentrare a acestuia. Cu exceptia acumularii "in situ", fragmentele dezagregate sunt dispersate. Ele sunt supuse actiunii permanente a gravitatiei si sunt preluate de mediile de transport pentru bazinele de sedimentare. Drumul parcurs catre si in aceste bazine implica desprinderea de substrat, deplasarea particulelor prin intermediul factorilor de transport (aer, apa, gheata) si depunerea in ariile de sedimentare. Fractiunea solida a produselor de dezagregare (degradare), prin urmare epiclastele, are mai multe cai posibile de a se departa de sursa primara. In ceea ce urmeaza, vom prezenta cateva din aceste cai si anume pe cele principale.

Actiunea gravitatiei (Transport pur gravitational)

Ea se manifesta in sensul atenuarii si chiar stergerii diferentelor de nivel in relieful scoartei terestre. Sub gravitatie, materia solida sau lichida tinde sa se deplaseze pe orice panta, catre baza acesteia. Actiunea gravitatiei, permanenta si universala, este usor vizibila in ariile continentale unde contribuie la modelarea versantilor prin prabusiri de blocuri (cu formarea de grohotisuri) si alunecari de teren. In bazinele marine si oceanice, gravitatia controleaza direct procesul de sedimentare detritica si declanseaza, in zonele supraancarcate de sedimente, alunecari submarine. Corpurile alunecate ating dimensiuni mari si se numesc olistolite, iar formatiunile care le cuprind se numesc olistostrome.

Acest transport este posibil doar daca suprafata degradata a corpului parental (initial) are o panta care depaseste o anumita limita. Transportul se poate face particula cu particula (mai ales in cazul epiclastelor cu dimensiuni ruditice) sau "in masa", daca produsul de degradare este dominat de cristale arenitice sau subarenitice (Seclaman et. al., 1999).

Medii si mecanisme de transport

Materialul dezagregat este deplasat prin intermediul apei, aerului si ghetii. Poate exista in acelasi timp un transport combinat, extrem de eficient.

Miscarea apei si a aerului urmeaza legile deplasarii fluidelor si antreneaza la suprafata scoartei terestre, cele mai importante cantitati de material. In ariile continentale actioneaza apele si vantul (actiune eoliana). In domeniul marin intervin valurile, mareele si curentii de diverse tipuri (litorali, de larg, ascendenti, descendenti, turbiditici).

Transportul prin intermediul ghetarilor este activ atat in zonele continentale cat si in zonele oceanice (prin ghetari plutitori).

Miscarea mediului; principii hidrodinamice

Mediul natural acvatic are proprietatile unui fluid, iar miscarea sa apare ca o functie complexa a vascozitatii, densitatii si frecarii acestuia cu substratul. Forta gravitationala, alaturi de acesti factori si alte forte care actioneaza asupra fluidului, imprima acestuia viteza de deplasare si, implicit, caracterul laminar sau turbulent al curgerii.

a. Curgerea laminara se caracterizeaza prin miscarea liniara pe trasee paralele a particulelor de lichid in interiorul curentului si este specifica volumelor de apa care se deplaseaza cu viteze foarte mici (mm/sec) pe un substrat neted. Curgerea laminara este rara si caracterizeaza zone foarte inguste din locurile de deplasare ale unor curenti, in strate subtiri.

b. Curgerea turbulenta este cel mai frecvent intalnita in curentii naturali. Vectorul vitezei are o directie variabila in fiecare punct al curentului si tinde sub unghiuri diferite spre directia sa principala. Temporar si local, mase de apa mai mari sau mai mici se misca independent de directia generala a curentului si genereaza vartejuri.

Caracterizarea conditiilor hidrodinamice ale unui curent se face, de regula, prin relatia matematica care exprima numarul lui Freude (F):

v

Fr = unde v = viteza curentului;

V g L g = acceleratia gravitationala;

L = adancimea curentului.

Fr < 1 - caracterizeaza curgeri lente care nu antreneaza sedimente;

Fr > - caracterizeaza curgeri rapide care antreneaza mari cantitati de material sedimentar. Antrenarea acestor sedimente este o functie f (f,v), adica ea depinde de dimensiunea particulelor (f) si viteza curentului (v).

Raportul dintre sedimente si caracterul curgerii poate fi apreciat prin cunoasterea componentei si capacitatii curentului.

Capacitatea defineste rata deplasarii sedimentelor de fund ca o functie complexa a dimensiunii particulelor, a volumului si puterii curentului si a formei substratului.

DINAMICA (= migrarea, transportul) particulelor este determinata si controlata de relief, ceea ce inseamna in realitate, de gravitatie. Tendinta generala la suprafata globului, este cea de omogenizare a reliefului si anume transportul permanent al fragmentelor din regiunile cu proeminenta de relief, catre cele de joasa altitudine.

APA realizeaza transportul prin tarare, rostogolire, saltatie (se realizeaza pentru particulele de pe fundul apei), suspensie (la particulele existente in masa de apa in miscare). Competenta unui curent de apa aprecieaza dimensiunea particulelor pe care acesta le poate mentine in suspensie, iar capacitatea, rata deplasarii sedimentelor de fund (fig. 47 - plansa VI).

1. Tararea se realizeaza cand granulele grosiere inainteaza pe fundul bazinului urmand trasee liniare, paralele cu directia curentului (fig. 47.1)

2. Rostogolirea reprezinta transportul sedimentelor grosiere, a caror miscare este precedata de excavarea nisipului din fata de catre curentii turbionari (vartejuri) - fig. 47.2.

3. Saltatia are loc cand forta gravitationala este temporar depasita de forte hidraulice ascensionale (in special in zone fluviale) - fig. 47.3.

4. Suspensia se realizeaza cand componenta verticala a miscarii intrece viteza de depunere a particulelor. Ea este specifica apelor curgatoare si curentilor marini si incumba prezenta curentilor turbionari (fig. 47.4)

c. In curgerile gravitationale, transportul are loc in masa prin deplasarea colectiva a particulelor. Granulele se deplaseaza astfel gravitational mobilizand si lichidul interstitiar. "Transportul in masa" (Middleton si Hampton, 1973) explica deplasarea sedimentelor pe povarnisul continental.

d. Curentii de turbialitate reprezinta o forma de tranzitie intre curgerile fluide si cele gravitationale. Ei au un caracter episodic, sunt unidirectionali si reprezinta o "suspensie" cu densitate mare, care se deplaseaza in canioanele submarine de pe povarnisurile continentale.

Efectele deplasarii materialului sedimentar (agentul de transport este apa).

Detaliile mecanismului de transport al particulelor se inregistreaza foarte fidel in caracterele structural-texturale ale sedimentelor care se formeaza. Observarea acestora, permite intelegerea modului in care s-a realizat transportul.

ex. Orientarea comuna a particulelor cu forma alungita tradeaza directia de transport intr-un curent de apa.

ex. Miscarea de "du-te, vino" a apelor marine de coasta determina asezarea resturilor de organisme (cochilii, valve) in asa fel incat alungirea lor sa fie paralela cu coasta.

In afara de orientarea particulelor, mai trebuiesc discutate si diversele urme lasate pe suprafata sedimentelor, de particulele tarate ori transportate prin saltatie, ca si diversele aspecte de ondulatii, toate dezvaluind aspecte ale procesului de transport.

Efectele asupra masei de material transportat de catre apa (curenti), prin curgeri fluide sau gravitationale, se materializeaza prin doua procese majore: unul depozitional si unul erozional, care se succed in timp.

1. Procesul depozitional

Momentul depunerii materialului coincide cu momentul reducerii competentei curentului si deci, a vitezei sale critice, sub limita de tinere in suspensie a particulelor. In opozitie, forta gravitationala determina acumularea sedimentelor sub forma de strate si lamine.

STRATUL reprezinta o unitate de sedimentare caracterizata prin omogenitate interna, alcatuire mineralogica, granulometrica, culoare si prin existenta unor suprafete de separatie (limite) fata de alte strate. Grosimea sa este mai mare de 1 cm. Unitatile subcentrimetrice se numesc lamine. Dezvoltarea in suprafata poate atinge sute si mii de metri patrati. Limitele intre strate pot fi nete (intreruperea brusca a sedimentarii) gradate (continuitatea sedimentarii) sau neregulate (de natura eroziva).

Din curgerile fluidale se formeaza stratele in care sortarea materialului este buna (gruparea se face dupa dimensiunea diametrelor si greutate); transportul in masa (curgerile gravitationale), toate conduc la strate cu sortare slaba si foarte slaba.

Transportul eolian formeaza dune (sortare foarte buna), iar transportul glaciar formeaza morene cu grad slab de sortare.

2. Sedimentarea debitului solid

Caracterisica esentiala a debitului solid este continua miscare pe orizontala a cestuia, in sensul de miscare a agentului fluid. Incetarea miscarii pe orizontala a unei parti sau a intregului debit solid este considerata sedimentare, iar debitul solid/imobilizat este sediment. In acest context se pot deosebi doua categorii de sedimentari: dinamica si statica.

a. Sedimentarea dinamica are loc atunci cand agentul fluid transportor continua miscarea pe orizontala, dar cu viteza incetinita. In acest caz, forta de impact suportata de particule scade treptat, iar cand ajunge sa fie mai mici decat forta de frecare a unor particule, acestea din urma raman pe loc. Consecinta este ca sedimentarea dinamica este selectiva, implicand doar o parte din debitul solid, anume doar acea parte a debitului solid alcatuit din particule de o anumita densitate sau o anumita forma. In mediile fluviatile, sedimentarea selectiva conduce la formarea unor depozite sedimentare cunoscute ca aluviuni. Acestea pot fi simetrice (de exemplu aluviuni cu particule relativ mari, grosiere, in mijlocul albiei de rau) si aluviuni mai fine, pe maluri (fig. C).

Tot astfel, daca viteza curentului este variabila in lungul directiei de transport, poate sa apara o sedimentare selectiva de tip longitudinal. Pentru exemplificare, aluviunile din amonte pot fi mai grosiere decat cele din aval daca viteza raului scade continuu de la izvor spre varsare (Seclaman et al., 1999).

O alta caracteristica esentiala a sedimentarii dinamice este relativa instabilitate a sedimentului. Un depozit sedimentar odata format poate sa treaca din nou in debit solid, daca viteza curentului incepe sa creasca. Acest proces de autoeroziune a propriului sediment poate fi succedat de o noua resedimentare dinamica. In acest fel sedimentarea si remanierea (retransformarea, reluarea) sedimentului se pot succeda de mai multe ori. Formarea dunelor (de nisip) si migrarea lor in directia de bataie a vantului, exemplifica destul de elocvent aceasta caracteristica a sedimentarii dinamice.

b. Sedimentarea statica (fig. D) are loc atunci unde viteza agentului de transport este zero (nula), respectiv in apele linistite si in aer linistit. Mediile acvatice care asigura astfel de sedimentari statice sunt baltile, lacurile, bazinele marine, lagunele etc., desemnate mai ales prin termenul de "bazin de sedimentare", lacustre, marine etc.. Debitul solid, ajuns intr-un astfel de bazin se depune gravitational, formand depozitul sedimentar al bazinului (fig. D,a). Daca suspensia este eterogena (heterogena dupa alti autori) in ceea ce priveste densitatea, marimea si forma particulelor, depozitul sedimentar va fi stratificat (fig. D,b): la baza va fi un strat alcatuit din particulele care s-au sedimentat cu viteza mai mare (particulele cele mai mari si cele mai dense), iar la suprafata va fi stratul format din particulele care s-au sedimentat cel mai lent (particulele cele mai mici si cele mai putin dense).

Daca suspensia contine particule uniforme ca dimensiuni si densitate (caz teoretic extrem), prin sedimentare se obtine un singur strat omogen. Umplerea succesiva a bazinului cu suspensii solide da nastere la alternante stratiforme (fig. D,c).

Depozitele stratiforme obtinute prin sedimentarea gravitationala statica in bazinele acvatice (aquatice) sunt, de obicei, stabile. Totusi, in cazul bazinelor de mica adancime, poate fi parasita conditia statica, datorita valurilor puternice sau datorita instalarii unor curenti de mai lunga durata. In aceste situatii, sedimentele pot fi partial remobilizate, iar sedimentarea statica poate fi combinata sau total inlocuita cu o alta dinamica. Daca sedimentarea are loc pe un fund de bazin inclinat (ca de exemplu un povarnis continental), este posibil ca depozitul sedimentar sa alunece pe panta si prin urmare sa genereze curenti turbulenti de mare amploare, capabili sa ridice in suspensie o mare parte din masa sedimentelor. In acest caz sedimentarea statica poate fi succedata de o alta dinamica.

Ori de cate ori se produc astfel de situatii, stratificatia tipica de tip gravitational (specifica depunerii statice) este perturbata (Seclaman et. al., 1999).

(dupa Seclaman et. al., 1999)

3. Procesul erozional

Dupa depunere, un strat poate fi erodat partial sau total. In patul curentului suprafata stratului sufera modificari importante, cum ar fi:

- urmele particulelor tarate;

- impactul particulelor saltate;

- excavatiile curentilor turbionari;

- urmele generate de obstacole (fig. 48 - plansa XVI)

In timpul deplasarii particulelor clastice care alcatuiesc masa transportata, au loc manifestari intense (fig.49 - plansa XVI

a. - scaderea dimensiunilor particulelor in josul curentului;

b. -cresterea gradului de rulare (mai ales a galetilor de dimensiuni mari);

c.-spargerea granulelor datorata ciocnirilor si formarea de fragmente colturoase.

d. -modificarea suprafetelor particulelor prin abraziune, determinata de frecarea dintre ele.

AERUL este un factor de transport cu o actiune de 300 de ori mai mica ca a apei. El poate antrena numai particule de mici dimensiuni pe care le mentine in suspensie un timp relaiv scurt (la altitudini pana la 2-3000 m) si timp mai indelungat (10-15000 m). In primul caz este caracteristic transportul unidirectional; in al doilea caz se poate realiza o dispersare foarte larga a particulelor. Suprafata sedimentelor transportate prin intermediul aerului se caracterizeaza prin existenta ondulatiilor (dunelor) cu inaltimi si lungimi variabile.

GHEATA. In cazul ghetarilor alpini si a calotelor glaciare este specific transportul subnival. Este vorba de fragmentele existente pe suprafata ghetei, prinse in masa ei ori tarate pe fund. Depozitele care se nasc in momentul topirii acestuia poarta numele de morene. Ele se caracterizeaza prin heterogenitate granulometrica si petrografica. Transportul subnival este redus si este bine delimitat pe suprafata globului.