Več

9.5: Prevoz usedlin - geoznanost

9.5: Prevoz usedlin - geoznanost


Bernoullijev učinek

Višji tlak nad zrni kot pod njimi lahko "potegne" zrna iz struge v tok. Razlika v tlaku izhaja iz razlike v hitrosti vode (ali zraka) nad in pod zrnom. Ker voda teče hitreje, je manj trkov med vodo in površino, po kateri teče, kot med stoječo vodo in podobno površino. Tlak je posledica trkov. Tako manj trkov pomeni nižji tlak. Največ trkov ima zgornja stran zrna, ker vanj priteče voda. Na spodnji strani je najmanj trkov, na straneh zrna pa manj trkov, kjer je pretok hitrejši, in več, kjer je tok počasnejši. Neto rezultat je območje nizkega tlaka nad zrnom in nekoliko za njim. Če je sila, ki jo povzroča ta razlika v tlaku, večja od gravitacijske sile, se bo zrno dvignilo s sloja. Ta dvig zaradi razlike v tlaku je Bernoulijev učinek.

Katera zrna se premikajo?

Katera zrna se ujamejo v tok, je odvisno od njihove velikosti in gostote (koliko tehtajo), ker to določa silo teže, ki jih zadržuje. Odvisno je tudi od oblike zrn. Zrno z veliko površino za nizki tlak (kot plošča) bo bolj dovzetno za pobiranje kot okroglo zrno iste mase (čeprav lahko ravna zrna vidijo manjšo razliko pretoka od vrha do dna, če je mejna plast je debel, zato lahko ploska zrna doživijo manjši Bernoullijev učinek na enoto površine.) Druga stvar, ki je resnično pomembna, je položaj zrna glede na okoliška zrna. Če je zrno stisnjeno med večja zrna, torej v njihovih sencah toka, ne bo doživelo tako velike razlike v tlaku, kot če bi bilo na ravni površini. Tudi če je zrno pred velikim zrnom, ga je treba dvigniti nad njim, zato mora doživeti dovolj sile, da ga dvigne visoko v tok. Tako se lahko stvari zapletejo, če poskušate predvideti obnašanje določenega zrna. Vendar pa poskusi in teorija zagotavljajo statistično pomembne napovedi, kako se zrna v povprečju obnašajo.

Prevoz tovora in visečega tovora

Ko se zrno dvigne v tok, se lahko zgodita dve stvari: 1) lahko pade nazaj ali 2) lahko ostane tam. Odvisno od tega, kako hitro se zrnje usede, in od tega, kako nemirna je voda (nazaj na Re...). Obremenitev postelje se nanaša na zrna, ki se prevažajo po sedimentni plasti, npr. zrna, ki se valjajo in dvigujejo s postelje, vendar hitro padajo nazaj. Ime nosilne obremenitve izhaja iz dejstva, da se zrna, ki se premikajo z vlečenjem in soljenjem, nikoli ne oddaljijo preveč od struge in je "obremenitev" inženirski izraz za količino usedlin, ki jih prenaša reka. Kotalna zrna so notri vleka. Zrna, ki se potegnejo s postelje z Bernoullijevim učinkom, vendar so dovolj velika, da zaradi gravitacije "hitro" padejo nazaj v posteljo, naj bi bila soljenje. (Beseda soljenje se nanaša na način, kako se sol iz solinarja odbije, ko jo stresemo na trdo površino. Beseda izhaja iz latinske besede, ki pomeni ples.) Zrna posteljice so tista, ki v tekoči vodi tvorijo sedimentne strukture.

Tu je seznam predvajanja s filmi, povezanimi s prenosom usedlin: Sumnerdov Sedov seznam predvajanja

Suspendirano usedlina je sestavljena iz zrn, ki so lahka ali dovolj majhna, da se ne usedejo iz vode; burni izbruhi vode jih zadržujejo v toku (glej rjavo vodo na fotografiji). Več turbulenc v vodi, npr. višje kot je Reynoldsovo število, večja bodo zrna v suspenziji. Gibanja navzgor turbulentnega toka so hitrejša od hitrosti poravnave teh zrn, zato se gravitaciji prepreči in ostanejo "plavajoča" v vodi, čeprav so gostejša od vode. Zelo majhna zrna se ne usedejo iz tokov, razen če je Reynoldsovo število majhno, kar pomeni, da morajo biti tokovi z zelo nizko hitrostjo ali zelo plitvi.

YouTube video bele gline v turbulentnem toku v toku: http://tinyurl.com/78kg3z Utripanje v toku je (verjetno) posledica črpalke, ki pretaka vodo.

Spodnji videoposnetek prikazuje obešen transport in prevoz tovora. Voda je zaradi suspendiranih zrn motna, na gredici pa se lahko valjajo kamenčki.

Hjulstromov diagram

Pretoki, ki so potrebni za pobiranje zrn določene velikosti, so bili v poskusih temeljito preučeni, rezultati pa so prikazani v diagramih Hjulstrom (ali Shields). Hjulstromovi diagrami prikazujejo zajemanje zrn na ploskvi velikosti hlodovine glede na hitrost pretoka hloda. Ta diagram prikazuje področja, kjer zrna različnih velikosti ostanejo na gredici, kjer se včasih premikajo (to je siva cona) in kjer se pogosto dvignejo in odstranijo. Upoštevajte, da večja zrna zahtevajo večji pretok - na splošno. Hitrost vode, ki je potrebna za prevoz žita, se imenuje kritična hitrost. To je pomembno. Če je v sedimentnem nanosu prod, lahko rečete, da je moral pretok vode biti nad kritični prag da pride tja! To bi lahko zahtevalo hitro tekoče rečno ali močno valovno delovanje, zato je bil velik del zožitve usedalnega okolja že opravljen!

Tu je Hjulstromov diagram, ki ga bomo uporabili (ali tisti v Nicholsovem besedilu, ki vsebuje dodatne informacije o njem):

Če sta hitrost pretoka in velikost zrn v polju z oznako "Odlaganje", se zrna te velikosti ne dvignejo v tok, če pa se že premikajo, se odlagajo na površino sedimenta. Če sta hitrost pretoka in velikost zrn v polju z oznako "Transport", bodo zrna v gibanju verjetno še naprej v gibanju. Nekaj ​​zrn bo odloženih in nekaj zrn bo erodiranih, vendar se število premikajočih se zrn ne bo bistveno spremenilo. Če sta hitrost pretoka in velikost zrn v polju z oznako "Erozija", bo prepeljanih več zrn kot odloženih, dokler tok ne prevozi čim več zrn, npr. ima "nosilnost" za usedline.

Meje odlaganja, transporta in erozije se spreminjajo s spreminjanjem globine toka. Na primer, globlji tokovi lahko premikajo večja zrna z enako hitrostjo toka, ker so bolj turbulentni:

[Re = dfrac {l times u times rho} {µ} tag {3.1} ]

in (l ) je večje. To je zato, ker imajo lahko globlji tokovi večja odstopanja v hitrosti pretoka in so plasti laminarnega toka zelo tanke. Lahko imajo izbruhe zelo hitrega pretoka glede na povprečno hitrost pretoka in ti izbruhi lahko poberejo večja zrna.

Pozor

Dejanske značilnosti toka so podrobneje veliko bolj zapletene kot le Hjulstromovi diagrami, ki veliko značilnosti povzamejo v dve osi. Vendar bomo, tako kot veliko ljudi, diagram vseeno uporabili, ker je praviloma zelo uporaben. Samo zapomnite si, da ne predstavlja natančno, kaj se bo zgodilo - predstavlja razumno ugibanje.

Transport mulja in gline

Upoštevajte, da se pri majhnem koncu zrna hitrost pretoka, potrebna za erozijo, dejansko poveča. Eden od razlogov, zakaj je majhna zrna težko erodirati, je ta, da se ponavadi ne držijo skozi laminarno podlago; le premajhne so. Tako so potrebne tanjše mejne plasti, da jih zvijemo ali da jih razlike tlakov dvignejo s postelje. Prav tako so površine glinenih mineralov napolnjene in zrna se držijo skupaj. To je najbolj očitno, ko se na čevlje primejo velike grude blata. S peskom se to preprosto ne zgodi (razen če je v njem nekaj grobega). Lepljivost zrn gline otežuje njihovo erozijo, zato so za njihovo premikanje potrebni hitrejši tokovi vode (večja razlika v tlaku ali večji turbulentni izbruh navzdol na površino sedimenta). Manjša so zrna, več površinskih nabojev zlepi zrna skupaj, zato je močnejši tok, ki jih potrebuje za erozijo. Lepljivost glinenih zrn je odvisna tudi od količine vode med njimi in mineralogije, zato obstaja velika siva cona, kjer lahko glina erodira ali ne.

V Hjulstromovem diagramu je zanimivo področje, kjer tok ni dovolj močan, da bi premaknil katerega koli delca na plast, vendar se tudi tisti, ki so v viseči obremenitvi, ne usedejo. To območje vključuje številne vode na površini Zemlje. V tokovih s katero koli hitrostjo ali zelo globokimi je (Re ) dovolj visoka, da nekaj gline ostane v suspenziji. Odlaganje gline običajno poteka zelo počasi, npr. ko je hitrost usedanja le nekoliko hitrejša od povprečne hitrosti, s katero turbulenca premakne glinene delce navzgor ali ko se gline združijo v večja zrna (kar je običajno pri mešanju sladke in slane vode).

Različne opombe

Še nekaj besed o soljenju: Soljenje je zelo zanimiv in pomemben proces pri prenosu sedimentov, saj sila udarca, ko zrna pristanejo, nagne nova zrna v tok, tudi če tok ni dovolj hiter, da bi jih dvignil z Bernoullijevim učinkom. Ta nova zrna lahko ob pristanku poženejo več zrn itd. To poveča hitrost prenosa usedlin nad količino, ki jo tok lahko dvigne z gredice. To je eden od vzrokov za sivo cono v Hjulstromovem diagramu pri večjih velikostih zrn. Ko se soljenje začne, lahko sproži transport usedlin, do katerega sicer ne bi prišlo.

Odlaganje: Odlaganje je kopičenje zrn. Če se tok začne počasi in pridobiva na hitrosti, se bo začel premikati vedno večja zrna. Ko se upočasni, lahko premakne le manjše. Odlaganje se zgodi, ko se tok upočasni in začne puščati zrna na gredici. Kombinacija spreminjajočih se povprečnih hitrosti pretoka in lokalnih nihanj v hitrosti pretoka, ki jih povzroča topografija na dnu, povzroča zelo informativne sedimentne strukture - vključno s navzkrižno stratifikacijo -, ki so izjemno uporabne za razlago usedalnih okolij.


9.5: Prevoz usedlin - geoznanost

Vsi članki, ki jih objavlja MDPI, so takoj na voljo po vsem svetu pod licenco za odprt dostop. Za ponovno uporabo celotnega ali dela članka, ki ga je objavil MDPI, vključno s slikami in tabelami, ni potrebno posebno dovoljenje. Za članke, objavljene pod licenco Creative Common CC BY z odprtim dostopom, se lahko kateri koli del članka brez dovoljenja ponovno uporabi pod pogojem, da je izvirni članek jasno citiran.

Znanstveni prispevki predstavljajo najnaprednejše raziskave s pomembnim potencialom za velik vpliv na tem področju. Prispevki so predloženi na individualno povabilo ali priporočilo znanstvenih urednikov in so pred objavo podvrženi strokovnemu pregledu.

Prispevek je lahko izvirni raziskovalni članek, obsežna nova raziskovalna študija, ki pogosto vključuje več tehnik ali pristopov, ali obsežen pregledni članek z jedrnatimi in natančnimi posodobitvami najnovejšega napredka na tem področju, ki sistematično pregleduje najbolj vznemirljive napredke v znanosti književnost. Ta vrsta papirja ponuja pogled na prihodnje smeri raziskav ali možne aplikacije.

Članki po izboru urednika temeljijo na priporočilih znanstvenih urednikov revij MDPI z vsega sveta. Uredniki izberejo majhno število člankov, nedavno objavljenih v reviji, za katere menijo, da bodo avtorjem še posebej zanimivi ali pomembni na tem področju. Namen je posneti nekaj najbolj vznemirljivih del, objavljenih na različnih raziskovalnih področjih revije.


9.5 Sedimentne strukture in fosili

S skrbnim opazovanjem v zadnjih nekaj stoletjih so geologi odkrili, da kopičenje sedimentov in sedimentnih kamnin poteka v skladu z nekaterimi pomembnimi geološkimi načeli, ki jih lahko povzamemo na naslednji način:

  • The načelo prvotne vodoravnosti navaja, da se sedimenti kopičijo v bistvu vodoravnih plasti. Posledica tega je, da so danes nagnjene sedimentne plasti morale biti izpostavljene tektonskim silam, ki so jih nagnile.
  • The načelo superpozicije navaja, da se sedimentne plasti odlagajo zaporedoma in da so plasti na dnu starejše od tistih na vrhu, razen če so celotno zaporedje obrnili s tektonskimi procesi.
  • The načelo vključitve navaja, da morajo biti vsi drobci kamnine v sedimentni plasti starejši od plasti, ki jih vsebuje. Na primer, tlakovci v konglomeratu so morali nastati pred konglomeratom.
  • The načelo faunskega nasledstva navaja, da obstaja dobro opredeljen vrstni red, v katerem so se organizmi razvijali skozi geološki čas, zato je mogoče za določitev starosti uporabiti identifikacijo posebnih fosilov v kamnini.

Ta in druga načela so podrobneje obravnavana v 19. poglavju.

Poleg teh načel, ki veljajo za vse sedimentne kamnine, številne druge pomembne značilnosti sedimentnih procesov vodijo k razvoju posebnih značilnosti sedimentov v posebnih sedimentnih okoljih. Z razumevanjem izvora teh lastnosti lahko naredimo nekaj zelo koristnih zaključkov o procesih in okolju usedlin, ki so na koncu privedli do kamnin, ki jih preučujemo.

Posteljnina se nanaša na sedimentne plasti, ki jih lahko ločimo na podlagi značilnosti, kot so tekstura, sestava, barva ali vremenske vplive (slika 9.22). Lahko so tudi podobne plasti, ločene z ločitve, ozka območja, ki označujejo šibkejše površine, kjer se poveča erozija. Posteljnina je pokazatelj sprememb v postopkih odlaganja, ki so lahko povezane s sezonskimi razlikami, podnebnimi spremembami, spremembami v rekah ali deltah ali tektonskimi spremembami. Posteljnina se lahko oblikuje v skoraj vsakem okolju odlaganja.

Slika 9.22 Postelje v Triasic Sulphur Mt. Tvorba v bližini Exshawa v Alberti. Posteljnina je opredeljena z razlikami v barvi in ​​teksturi, pa tudi z ločili (temnejše črte) med posteljami, ki bi se sicer lahko zdele podobne. Vir: Steven Earle (2015) CC BY 4.0 vir pogleda

Navzkrižna posteljnina je posteljnina, ki vsebuje nagnjene plasti. Nastane, ko usedline odlagajo tekoča voda ali veter (slika 9.23). Navzkrižna ležišča v potokih so ponavadi na lestvici od cm do deset centimetrov, medtem ko so tista v eolsko (usedline vetra) so lahko merilne lestvice.

Slika 9.23 Eolski peščenjak z južnoameriško formacijo Jurassic Navajo v narodnem parku Zion v Utahu. V večini plasti se navzkrižna ležišča potopijo navzdol v desno, kar pomeni smer vetra od desne proti levi med odlaganjem. Ena postelja se potopi v nasprotni smeri, kar pomeni drugačno smer vetra. Vir: Steven Earle (2015) CC BY 4.0 vir pogleda

Prečne gredice nastanejo, ko se usedline nanesejo na sprednji rob napredujočega valovanja ali sipine. Vsak sloj je povezan z drugačnim valovanjem, ki napreduje v smeri toka, in ga delno erodira naslednje valovanje (slika 9.23). Navzkrižna plast je zelo pomembna sedimentna struktura, ki jo je treba prepoznati, saj lahko zagotovi informacije o smeri tokovnih tokov in ob podrobni analizi tudi o drugih značilnostih, kot sta hitrost pretoka in količina razpoložljive usedline.

Slika 9.24 Oblikovanje navzkrižnih postelj kot serije valov ali sipin, ki se selijo s tokom. Vsako valovanje napreduje (desno v levo v tem pogledu), saj se na njegovo sprednjo stran odlaga več usedlin. Vir: Steven Earle (2015) CC BY 4.0 vir pogleda

Valovanje, ki so povezane z nastankom navzkrižne plasti v enosmernem toku, se lahko ohranijo na površinah sedimentnih strug. Nabori, ki nastanejo v tekoči vodi, lahko pomagajo tudi pri določanju smeri toka, ker imajo najostrejšo površino obrnjeno navzdol. Valovanje lahko nastane tudi iz tokov naprej in nazaj, kot na plaži, vendar ti ne zapustijo navzkrižnih postelj in so simetrični, brez ene strani strmejše od druge.

Ocenjena posteljnina je značilna sprememba velikosti zrn od spodaj navzgor v eni postelji. "Normalne" razvrščene postelje so spodaj grobe in proti vrhu postajajo bolj fine (slika 9.25), produkt odlaganja zaradi upočasnjenega toka. Nekatere razvrščene postelje so obrnjene (na vrhu bolj grobe), kar je običajno posledica usedanja s hitro premikajočim se smeti. Večina razvrščenih ležišč se oblikuje v podmorniškem ventilatorskem okolju, kjer se tokovi, bogati z usedlinami, občasno spuščajo s plitkega morskega pasu po pobočju navzdol na globlje morsko dno.

Slika 9.25 Gradbena posteljnina, ki sega od kamenčkov na dnu do peska na vrhu. Vir: Obrezano iz vira pogleda James BY John (2018) CC BY 2.0

V tokovnem okolju lahko postanejo balvani, tlakovci in kamenčki namočeno, kar pomeni, da so na splošno nagnjeni v isto smer. Plošče v potokih se ponavadi nagibajo, njihovi zgornji konci pa so usmerjeni navzdol, ker je to najbolj stabilen položaj glede na tok toka (slika 9.26).

Slika 9.26 Namakanje klast v fluvialnem okolju. Vir: Steven Earle (2015) CC BY 4.0 vir pogleda

Blatne razpoke nastanejo, ko se plitvo vodno telo (npr. plimska ravnina ali ribnik), v katerega so odlagali blatne usedline, posuši in razpoka (slika 9.27). To se zgodi, ker se glina v zgornjih plasteh blata po sušenju skrči.

Slika 9.27 Blato razpoka v plimskem stanovanju v Angliji. Vir: vir pogleda Alana Parkinsona (2000) CC BY-SA 2.0

Različne strukture, opisane zgoraj, so ključne za razumevanje in razlago nastajanja sedimentnih kamnin. Poleg teh struktur geologi zelo natančno preučujejo tudi sedimentna zrna, da ugotovijo njihovo mineralogijo ali litologijo (da bi sklepali o vrsti izvorne kamnine in vremenskih procesih), stopnji zaokroževanja, velikosti in obsegu ki so jih razvrstili po postopkih prevoza in deponiranja.

Opomba o fosilih

Fosili v tej knjigi niso podrobno obravnavani, vendar so izredno pomembni za razumevanje sedimentnih kamnin. Fosili se lahko uporabljajo za datiranje sedimentnih kamnin, a prav tako pomembno nam povedo veliko o okolju usedanja sedimentov in podnebju v tistem času: lahko pomagajo razlikovati morsko, vodno in kopensko okolje pri oceni globine voda zazna prisotnost tokov in oceni povprečno temperaturo in padavine.

Vaja: Tolmačenje preteklih okolij

Sedimentne kamnine nam lahko veliko povedo o okoljskih razmerah, ki so obstajale v času njihovega nastajanja. Za vsako od naslednjih kamnin naredite nekaj sklepov o naslednjem:

  • izvorni kamen
  • preperevanje
  • prevoz usedlin (prevozno sredstvo, transportna razdalja)
  • depozitni pogoji

Kremenčev peščenjak: brez feldspata, dobro razvrščenih in dobro zaokroženih kremenčevih zrn, s križno posteljico

Feldspatic peščenjak in blatnik: feldspar, vulkanski drobci, kotna zrna, ponavljajoče se razvrščanje slojev od peščenjaka navzgor do blata

Konglomerat: dobro zaobljeni kamenčki in tlakovci iz granita in bazalta

Breccia: slabo razvrščeni, kotni fragmenti apnenca oranžno-rdeča matrika


3.2 Prevoz usedlin

Na sliki 6 predstavljamo trenutno hitrost prenosa usedlin Vprašanjes merjeno s svetlobno mizo med vsakim poskusom. O prevozu usedlin poročajo vsakih 5 minut, kot je opisano v oddelku. 2. Natančnost rezultatov se oceni s primerjavo podatkov svetlobne tabele s podatki, izmerjenimi s pastjo. Rezultati kažejo, da ima za naše poskuse metoda svetlobne mize dobro natančnost glede stopnje prenosa usedlin, s povprečjem v povprečju za 4 % (111 vzorcev in standardni odklon 14,5 %). Skupaj 70 od 111 vzorcev kaže natančnost ± 10 %, 93 od 111 vzorcev pa natančnost ± 20 %. Podrobnosti te analize negotovosti so predstavljene v Dodatku.

Na sliki 6a je razvidno, da časovno spreminjanje hitrosti prenosa usedlin med fazo kondicioniranja sledi enakemu trendu v vseh šestih poskusih. To pomeni, da se stopnja prenosa usedlin med fazo kondicioniranja znatno zmanjša, pri čemer je hitrost zmanjševanja na začetku zelo velika in nato postopoma pada. V prvih 15 minutah se hitrosti prenosa usedlin znižajo z več kot 500 kg/h na manj kot 100 kg/h. Nato traja še približno 2 uri, da se hitrost prevoza usedlin zniža na skoraj 1 kg/h. Hitrost prenosa usedlin se sčasoma približa majhni in relativno konstantni vrednosti po približno 8 urah kondicioniranja. Za REF2 (15) in REF6 (15), ki imata najdaljšo fazo kondicioniranja, se stopnje prenosa usedlin med t= 8 h in konec faze kondicioniranja ( t= 15 h) kažejo povprečne vrednosti 0,35 kg/h (standardni odklon = 0,22 kg/h) oziroma 0,37 kg/h (standardni odklon = 0,24 kg/h). Kljub temu obstajajo naključne visoke točke v hitrosti prenosa usedlin tudi po 8 urah, kljub temu, da dovod usedlin iz dovoda ni. Ti trni pomenijo, da se delno uničenje (ali reorganizacija) strukture ležišča pojavi tudi po dolgem kondicioniranju.

Prejšnji raziskovalci (Haynes in Pender, 2007 Masteller in Finnegan, 2017) so predlagali, da je mogoče uporabiti eksponentno funkcijo za opis takega zmanjšanja hitrosti prenosa usedlin pri kondicioniranju. V dodatku je izvedena dodatna analiza, ki ustreza REF2 (15) in REF6 (15) (ki imata najdaljšo fazo kondicioniranja) proti eksponentni funkciji z dvema parametroma. Rezultati kažejo, da lahko eksponentna funkcija opiše splošni trend zmanjševanja hitrosti prenosa usedlin med fazo kondicioniranja, razen na začetku poskusa, kjer je zmanjšanje hitrosti prenosa usedlin veliko pomembnejše od tistega, ki ga napoveduje eksponentna funkcija. Za več podrobnosti se bralci lahko obrnejo na Dodatek.

Slika 6Trenutna hitrost prenosa usedlin, merjena s svetlobno mizo med (a) fazo kondicioniranja in (b) hidrografska faza. (c) Stopnja časovnih sprememb znotraj korakov za Vprašanjes normalizirano proti Vprašanjesa za vsak korak hidrografa. Vprašanjes je hitrost prenosa usedlin in Vprašanjesa je povprečna hitrost prenosa usedlin pri danem koraku hidrografa.

Slika 6b prikazuje trenutno hitrost prenosa usedlin v fazi hidrografa. Rezultati kažejo, da v prvem koraku hidrografa prevladuje variacija hitrosti prenosa usedlin med različnimi poskusi, pri čemer je najvišja stopnja prenosa usedlin pri poskusu z najkrajšim trajanjem kondicioniranja (REF7 (0,25)) in najmanjša stopnja prenosa usedlin pri poskusu z najdaljše trajanje kondicioniranja (REF6 (15)). Takšno odstopanje med poskusi pa se proti koncu prvega koraka zmanjšuje in ga v naslednjih treh korakih hidrografa ne opazimo, pri čemer se črta za vsak poskus na sliki skupaj zruši. Takšne prilagoditve hitrosti prenosa usedlin so skladne s procesom deformacije kanala, ki je prikazan na sliki 3. Tako pri prenosu sedimenta in deformaciji kanala rezultati REF7 (0,25) odstopajo od drugih poskusov v koraku 1 (večja hitrost prenosa usedlin in več degradacijo v REF7 (0,25)), vendar se v naslednjih treh korakih zruši z drugimi poskusi.

Rezultati na sliki 6b kažejo tudi velike razlike v hitrosti prenosa usedlin med vsakim korakom hidrografa. Takšne spremembe stopnje prenosa usedlin v korakih so raziskane na sliki 6c z x os je povprečna hitrost prenosa usedlin za vsak korak Vprašanjesa in y os je d (Vprašanjes / Q sa) / d t. Vrednost d (Vprašanjes / Q sa) / d t je ocenjeno z linearno regresijo. Tu je trenutna hitrost prenosa usedlin Vprašanjes je prilagojen povprečni hitrosti prenosa usedlin v ustreznem koraku Vprašanjesa za olajšanje primerjave med različnimi koraki hidrografa.

Rezultati na sliki 6c kažejo, da ima velik del podatkov (11 od 20) trend padajočega časa za Vprašanjes (tj. negativna vrednost v navpični koordinati). V bistvu je večja povprečna stopnja prenosa usedlin Vprašanjesa večja je stopnja zmanjšanja Vprašanjes . Ferrer-Boix in Hassan (2015) sta med poskusom vodnega impulza opazila podobno upadanje transporta usedlin. To so pripisali (1) prisotnosti struktur postelj, ki bi lahko zmanjšale trenje kože do 20 %, in (2) strukturnim spremembam vzorcev razvrščanja površin postelje. Od 20 naborov podatkov 5 kaže nekaj časovno naraščajočega trenda Vprašanjes (čeprav to ni tako očitno kot prej omenjeni padajoči trend). V prvem koraku so REF5 (5), REF3 (10), REF6 (15) in v tretjem koraku REF7 (0,25), REF4 (2). To kaže, da je za tri poskuse z dolgim ​​trajanjem kondicioniranja Vprašanjes je na koncu faze kondicioniranja zelo nizek, v prvem koraku hidrografa pa opazimo časovno naraščajoč trend Vprašanjes ker sta za oba poskusa s kratko fazo kondicioniranja, Vprašanjes je na koncu kondicioniranja še vedno visoka, zato se stopnja prenosa usedlin v prvem koraku zmanjšuje, dokler se trend naraščanja v Vprašanjes opazimo v tretjem koraku, ko postane oskrba z vodo in usedlinami očitno večja. Naraščajoči in naraščajoči trendi Vprašanjes med koraki hidrografa odražajo prehodne prilagoditve sloja na spremenjeno oskrbo z vodo in usedlinami, preden se doseže ravnovesje.

Sedimenti, zbrani v lovilcu ali v zabojniku na izhodu iz dimnika, nam omogočajo, da narišemo skupno količino izločenih usedlin med vsakim korakom hidrografa. Na sliki 7a je prikazana skupna količina usedlin med celotnim hidrografom. Vidimo lahko, da učinek trajanja kondicioniranja na celotno proizvodnjo usedlin v celotni fazi hidrografa ni očiten: daljše trajanje kondicioniranja ne vodi nujno do manjšega (ali večjega) izpusta usedlin. Največji izpust usedlin se pojavi v REF7 (0,25), kar je 55 % večje od izpusta usedlin v REF3 (10), ki ima najmanjši izpust, vendar je približno enako (le 4 % večji) od izločanja usedlin v REF6 (15). Nadalje izračunamo korelacijski koeficient med celotnim izpustom usedlin in trajanjem kondicioniranja in dobimo vrednost r = - 0,14, kar kaže, da med tema dvema parametroma korelacije skoraj ni.

Slika 7Iztok usedlin, izmerjen v pasti med (a) celoten hidrograf, (b) 1. korak hidrografa, (c) 2. korak hidrografa, (d) korak 3 hidrografa in (e) korak 4 hidrografa.

Če pa na vsakem koraku hidrografa preučimo transport usedlin, lahko ugotovimo, da ima v koraku 1 REF7 (0,25) veliko večjo količino usedlin kot drugi poskusi, kot je prikazano na sliki 7b. Za 1. korak je količina usedlin 1,1 v REF6 (15) 3,4–4,4 kg v REF4 (2), REF5 (5) in REF 3 (10) in se močno poveča na 23,4 kg v REF7 (0,25) (kar je več več kot 20 -krat več kot v REF6 (15)). To se ujema z rezultati za trenutno hitrost prenosa usedlin, prikazanih na sliki 6b, in kaže, da lahko trajanje kondicioniranja vpliva na transport usedlin na začetku naslednje poplave, pri čemer daljša faza kondicioniranja vodi do manjšega prenosa usedlin. Ko trajanje kondicionirnega toka presega 2 uri, postane naknadna hitrost prenosa usedlin precej neobčutljiva za nadaljnje podaljšanje kondicioniranja, kar kaže, da se reorganizacija struge pod kondicionirnim tokom pretežno konča v 2 urah. Učinkov zgodovine stresa na kasnejši transport usedlin je med 2. korakom hidrografa težko opaziti (slika 7c). Odtok usedlin v REF7 (0,25) se znatno zmanjša na podobno velikost kot drugi poskusi, ker se je večina materiala razsutega sloja v REF7 (0,25) premaknila do konca koraka 1. Natančneje, količine izločenih usedlin v tem koraku razponu med 3,1 in 8,6 kg, pri čemer se največja moč pojavi v REF5 (5), najmanjša moč pa v REF3 (10). Nadalje izračunamo korelacijski koeficient med izpustom usedlin in trajanjem kondicioniranja ter dobimo vrednost r = - 0,61, kar kaže, da daljše trajanje kondicioniranja v tem koraku ne more več voditi do večjega izločanja usedlin. V 3. koraku hidrografa (slika 7d) je količina usedlin v REF7 (0,25) in REF4 (2) večja kot v drugih treh poskusih, ki imajo daljše faze kondicioniranja. Vendar v tem koraku izhod usedlin v REF7 (0,25) ne presega 3 -kratnega izhoda usedlin v REF3 (10), ki ima najmanjši izpust usedlin. Ta razlika v izločanju usedlin med poskusi ni tako pomembna kot v 1. koraku. V zadnjem koraku hidrografa, ko se pretok in oskrba sedimenta približujeta svojim vrhom, razlika v izhodu usedlin med petimi poskusi spet postane majhna, vrednosti med 72,1 kg v REF4 (2) in 119,6 kg v REF6 (15). To dokazuje, da v tem koraku ostaja majhen vpliv zgodovine stresa.

Slika 8 prikazuje časovno variacijo porazdelitve velikosti zrn obremenitve ležišča. Tukaj Dl10 , Dl50 , in Dl90 označujejo velikost zrn, tako da je 10 %, 50 %in 90 %drobnejših obremenitev ležišča. Natančnost meritev se oceni s primerjavo podatkov tabele svetlobe s podatki pasti. Rezultati kažejo, da ima za naše poskuse metoda svetlobne mize dobro natančnost glede na srednjo velikost obremenitve postelje ( Dl50 ) s povprečno precenjenostjo za 3 % (111 vzorcev in standardni odmik 40,1 %). Meritve za Dl10 in Dl90 kažejo manjšo natančnost s podcenjevanjem v povprečju za 20 % (111 vzorcev in standardni odmik 39,0 %) za Dl10 in precenjenost v povprečju za 30 % (111 vzorcev in standardni odklon 26,5 %) za Dl90 . Podrobnosti o tej analizi negotovosti so predstavljene v Dodatku.

Vrednost Dl10 prikazuje trend zmanjševanja v fazi kondicioniranja (slika 8a), z vrednostjo več kot 2 mm na začetku do približno 0,6 mm po 15 urah, kljub velikim nihanjem pred 8 urami. Zmanjšanje za Dl10 odraža povečanje deleža najboljših usedlin v obremenitvi postelje. V prvih dveh korakih hidrografa (slika 8b) je vrednost Dl10 je relativno stabilen za poskuse z dolgimi fazami kondicioniranja (tj. REF6 (15) in REF3 (10)), vendar kaže trend zmanjševanja skupaj z nihanji pri poskusih s kratkimi fazami kondicioniranja (tj. REF7 (0,25), REF4 (2) in REF5 (5)). V zadnjih dveh korakih hidrografa je vidno povečanje vrednosti Dl10 v primerjavi s prvima dvema korakoma zaradi povečanja pretoka in oskrbe z usedlinami (slika 8b). Ugotavljamo, da je tako povečanje Dl10 je večji od standardnega odklona meritev, kot je prikazano zgoraj.

Slika 8c in d prikazujeta časovno variacijo Dl50 . V primerjavi s tistim iz Dl10 , časovno variacijo Dl50 kaže pomembnejša nihanja v fazi kondicioniranja (zlasti po t= 10 h), pa tudi na začetku hidrografa. To je mogoče prikazati s koeficientom variacije (cv) velikosti zrn. Za fazo kondicioniranja (po t= 10 h), cv Dl10 prikazuje povprečno vrednost 0,05, medtem ko CV c Dl50 prikazuje povprečno vrednost 1,44. Za 1. korak hidrografske faze je cv Dl10 prikazuje povprečno vrednost 0,35, medtem ko CV c Dl50 kaže povprečno vrednost 0,66. Za korak 2 hidrografske faze je cv Dl10 prikazuje povprečno vrednost 0,12, medtem ko CV c Dl50 prikazuje povprečno vrednost 0,54. Kar zadeva časovno variacijo Dl90 (na slikah 8e in f) so nihanja še vedno pomembna, povprečna cv pa 0,61, 0,34 in 0,27 za fazo kondicioniranja (po t= 10 h), korak 1 faze hidrografa in korak 2 faze hidrografa. Poleg tega ni bistvenega povečanja ali zmanjšanja Dl90 med poskusom. To kaže, da transport najgloblje usedline ni občutljiv na spremembe naših eksperimentalnih pogojev. Večja nihanja v Dl50 in Dl90 lahko pripišemo dejstvu, da je pri relativno nizkem pretoku groba usedlina bolj verjetno blizu praga gibanja in se premika občasno, na primer kot posamezna zrna, v nasprotju z bolj neprekinjenim gibanjem za drobne usedline. Ta nihanja se s povečanjem pretoka in sedimenta postopoma zmanjšujejo, saj statični oklep na površini postelje prehaja v mobilni oklep in gibanje grobih zrn postaja vse bolj neprekinjeno.

Slika 8Časovne prilagoditve značilnih velikosti zrn obremenitve ležišča: (a) Dl10 med fazo kondicioniranja, (b) Dl10 med hidrografsko fazo, (c) Dl50 med fazo kondicioniranja, (d) Dl50 med hidrografsko fazo, (e) Dl90 med fazo kondicioniranja in (f) Dl90 med hidrografsko fazo.

S frakcijsko hitrostjo prenosa usedlin, merjeno s svetlobno tabelo, med poskusom analiziramo tudi gibljivost usedlin za vsako velikostno območje. Rezultati kažejo, da je za hitrost prenosa usedlin značilna enaka gibljivost (tj. GSD obremenitve sedimenta se ujema z GSD sedimenta na površini sloja) na začetku faze kondicioniranja, vendar se po relativno dolgi fazi kondicioniranja in v času premakne na delno ali selektivno gibljivost prva dva koraka hidrografa. However, with the increase of flow discharge and sediment supply, the sediment transport regime gradually returns to equal mobility during the last two steps of the hydrograph. Details of the analysis are presented in the Supplement.


Povezanosti

State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

Shuai Wang, Bojie Fu, Yihe Lü, Xiaoming Feng & Yafeng Wang

Joint Center for Global Change Studies, Beijing 100875, China

Shuai Wang, Bojie Fu, Yihe Lü, Xiaoming Feng & Yafeng Wang

College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China

Laboratory of Alpine Ecology and Biodiversity, Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement, CEA CNRS UVSQ, 91191 Gif-sur-Yvette, France


The Impact of Winter Storms on Sediment Transport Through a Narrow Strait, Bohai, China

The Yellow River is one of the most significant sources of terrestrial sediment to the global seas, and the Bohai Strait is the only pathway that delivers Yellow River-derived sediments from the shallow Bohai Sea to the Yellow Sea. To investigate sediment transport processes through the strait under the influence of storms (strong northerly winds) that frequently occur in winter, we deployed two sets of observing platforms equipped with Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP) and a suite of other sensors in the strait in January 2018. Aided by a system of high-resolution models, we reconstructed sediment dynamics in response to the strong northerly wind of a winter storm. Model results show that the instantaneous suspended sediment flux (SSF) is highly aligned with tidal currents, while the net sediment flux has a clear dependence on variations in exchange flow and sediment resuspension. Enhanced coastal currents, intensified wave motions, and higher suspended sediment concentrations indicate that the through-strait sediment flux during outflows is greater than during inflow conditions. Such SSF asymmetries are believed responsible for the net sediment export through the Bohai Strait in wintertime. Diagnostic analyses provided insights into the dynamic mechanisms of exchange flow variations influenced by both the strong northerly winds and the wind-triggered coastal trapped waves in the shallow, narrow strait via geostrophic effects. This study highlights the importance of storm-induced horizontal exchange processes in a coupled bay-shelf system.

Plain Language Summary

The aim of this study is to characterize the dominant processes that control net wintertime sediment fluxes through a narrow strait. Flows, waves, and sediment concentration were measured in the strait during a winter storm. A well-validated model showed that wintertime flows in the strait are dominated by alternating, strait-wide inflow and outflow. Occasionally, however, inflows and outflows are concurrent over different sections of the strait. Based on a numerical model, our calculations of sediment flux for the entire winter revealed that large net sediment flux occurred when both winds and waves were strong. These results provide a better understanding of how sediment transport in a bay-shelf system has driven by both local and remote forcing mechanisms.