Sistemas Costeiros (Mestrado em Geociências UC)
TEMA 6 - Movimento de sedimentos
Silte e argila em
suspensão
Materiais dissolvidos vão em
solução
Seixos a blocos são arrastados no leito
Areia e areão são
transportados, geralmente
por saltação
Pedro Proença Cunha
Dep. Ciências da Terra da Univ. Coimbra
TEMA 6 - Movimento de sedimentos
1 - Introdução
2 - Limiar de extracção
3 - Limiar de selecção
4 - Extracção e tipos de transporte
5 - Transporte potencial em carga de fundo
6 - Dinâmica das formas de fundo
1 - Introdução
Forças actuando sobre partículas num fluxo fluido:

Forças inerciais, FI,
induzem imobilidade
FI = gravidade + fricção +
electrostáticas

Forças cinéticas, Fm,
induzem mobilidade
de grãos
Fm= força de arraste + efeito de
Bernoulli + flutuação
1 - Introdução
FI (forças inerciais)

Gravidade como função do tamanho e densidade do grão ( ρ )
 Equivalência hidráulica: ρ1 *v1= ρ2*v2 [ρ=densidade do grão; v=volume do grão]
 ρ1 > ρ2 e v2> v1 ;


Electrostáticas: área
superficial relativamente ao
volume


“Placers” e concentrados de minerais pesados
As partículas finas têm
grandes superfícies
electrostáticas, com
propriedades atractivas ou
repulsivas.
Fricção
1 - Introdução
Fm (forças cinéticas)

Componente de arraste:
vector de fricção paralelo ao fluxo
 São componentes maiores nos
fluxos turbulentos.

Efeito Bernoulli: alta
velocidade=baixa pressão

Flutuação:


A força de extracção por
flutuação depende do contraste
de densidades entre grão e
fluido.
A alta densidade do sedimento
saturado em água apresenta
pouco contraste e gera maior
mobilidade dos grãos.
2 - Limiar de extracção
Numa situação em que um grão está quase a mover-se por
acção de um fluxo:
- O fluxo deve fornecer a energia
suficiente para ultrapassar a inércia
estática do grão
a
- O início do movimento depende do
balanço entre o esforço viscoso
aplicado pelo fluido e a inércia do
grão
- Na inércia do grão influenciam o seu peso, o coeficiente de
roçamento com o fundo e o ângulo de aplicação das forças
2 - Limiar de extracção
Fm
>
Fi
Diagrama de Hjulström

Relação empírica entre o tamanho do grão (para grãos de quartzo) e a
velocidade da corrente (em água clara a 25ºC)

Define o limiar de velocidade crítica, a partir do qual as partículas saltam

Para areias e
areão, o limiar
mínimo
incrementa com o
tamanho

Para partículas
finas, a
electrostática
incrementa a
velocidade de
extracção.
2 - Limiar de extracção
- O parâmetro de Shields (θ)
Θcr = ηo,cr/(δs – δ) g D
Θcr = esforço viscoso adimensional
ηo,cr = esforço viscoso no limiar de extracção
δ = Densidade do fluido (g/cm3)
δs = Densidade do sedimento (g/cm3)
g = gravidade = 981 cm/s2
D = Mediana textural (mm)
Esta equação mostra a Θcr como função do tamanho de grão, a partir da
qual se derivou uma curva experimental
2 - Limiar de extracção
Para tamanhos inferiores a 63 micras, a coesão electrostática entre
grãos aumenta o limiar requerido para iniciar o movimento
Para dimensões de areia e areão o limiar aumenta com o tamanho
do grão
3 - Limiar de selecção
3 - Limiar de selecção
VS = [(ρg - ρf)g/18 F]d2

VS : velocidade de selecção
ρg = densidade do grão
ρf = densidade do fluido

F= viscosidade do fluido

d = diâmetro do grão (mm)


Lei de Stokes de selecção
3 - Limiar de selecção
Lei de Stokes simplificada
VS (cm/sec) = Cd2

[C = (ρg - ρf)g/18 F]

(para grãos de quarzo na água)
Curva de Ruby:
Stokes + Newton
A curva de Newton considera
só arraste turbulento dos
grãos

A selecção de Stokes é inválida
para areias > 1 phi (5mm); e
considera só fluxo laminar
4 - Extracção e tipos de transporte
Com tamanho de grão fixo e aumento da velocidade
Fm > Fi ; inicia-se o movimento
Suspensão (para tamanhos pequenos, geralmente <0,01mm)
 Quando Fm > Fi
U (velocidade do fluxo) >>> VS (velocidade de selecção)

Suspensão constante a U (velocidade do fluxo) relativamente baixa
4 - Extracção e tipos de transporte
Con tamanho de grão fixo e aumento da velocidade
Fm > Fi ; inicia-se o movimento
Saltação : para grãos maiores (areia e areão)
 Quando Fm > Fi
U > VS , mas no tempo e espaço U < VS
 Suspensão intermitente
 Transporte em carga de fondo
4 - Extracção e tipos de transporte
Com tamanho de grão fixo e aumento da velocidade
Fm < Fi, mas a componente de arraste causa rolamento.
Tracção : para grãos muito grosseiros (seixos e maiores)


Superfície normal (da água) as correntes têm U demasiado baixa
para a extracção do grão
Transporte em carga de fundo
4 - Extracção e tipos de transporte
Extracção/Transporte

Suspensão

Saltação

Tracção
Selecção/Deposição
4 - Extracção e tipos de transporte
A variação no tempo de “U” e “d” no meio sedimentar tem
como resultado a Laminação
Sedimento acumulado sob condições físicas e químicas constantes.
5 - Transporte potencial em carga de fundo
Parâmetros:
Qb = Carga de fundo (Kg/metro de secção)
U* = Velocidade no fundo (m/s)
Uz = Velocidade à profundidade z (m/s)
Z = distância ao fundo (m)
D = Mediana textural (mm)
D10 = Centil 10
Ks = Rugosidade de Nikuradse = 3 D10
δ = Densidade do fluido (g/cm3)
δ s = Densidade do sedimento (g/cm3)
g = gravidade = 981 cm/s2
K = Constante 0,4
5 - Transporte potencial em carga de fundo
FÓRMULAS :
Meyer-Peter & Müller (1948)
Qb = δ U*3 8√1-(0,047/ (δ U*2/(δs- δ )gD))
U* = (K Uz)/ln(30z/Ks).
Bagnold (1956-1963)
Qb = (Ks δs U*3 )/dg
d = (δ s - δ) / δ
Yalin (1963-1972)
Qb =0,635 δs DU*s(1-l (n(1+as)/as)
Van Rijn (1981-1984)
Qb = 0,053 δs (T2,1/D0,3) √(δ g D3)
6 - Dinâmica das formas de fundo
CONCEITO DE REGIME DE FLUXO


Variações na Velocidade de fluxo experiências em Flumes (areia média e 20 cm
de profundidade)
Uma velocidade de fluxo concreta (> que o
limiar de extracção) produz uma configuração
particular do fundo (bedform) que, em
consequência, gera uma estrutura sedimentar
particular
6 - Dinâmica das formas de fundo
Formas de fondo comunes debidas al flujo fluido (en
fondos no consolidados)

Flujos Unidireccionales


Flujos Bi-directionales (oscillatorios)


Flujo transverso, formas asimétricas
 ripples y dunas 2D y 3D
Ripples simétricos de cresta recta
Flujos combinados

Hummockies
6 - Dinâmica das formas de fundo
Regime baixo



Formas unidirecionais
Sem movimento: velocidade inferior ao limiar crítico de extracção
Ripples: de crista rectilínea (2d) a sinuosos e linguóides (3d) com o
aumento da velocidade do fluxo
Dunas: (2d) sand waves com crista rectilínea a (3d) megarripples com
cristas e sulcos sinuosos ou semilunares
6 - Dinâmica das formas de fundo
Formas unidirecionais
6 - Dinâmica das formas de fundo
Formas unidirecionais
Regime alto
 Fundo plano: as partículas movem-se de forma contínua num
fundo arrasado e sem releve
 Antidunas: formas de fondo com baixo releve; movimentos de
grãos constantes e as formas de fondo movem-se contra-corrente
ou são estáticas (geram upstream lamination)
6 - Dinâmica das formas de fundo
Formas unidirecionais
Com variações no tamanho do grão e velocidade do fluxo



Para areia <~0,2 mm:
Para areia ~0,2 a 0,8 mm
Para areia > 0,8 mm
Sem dunas
Sequência ideal de morfologias
Sem ripples (rugas)
6 - Dinâmica das formas de fundo
Macroformas unidirecionais
6 - Dinâmica das formas de fundo
Macroformas unidirecionais
6 - Dinâmica das formas de fundo
Formas de fundo geradas pela ondulação