Rychlost sedimentace •Událostní vrstvy (např. turbidity) - spodní oddíly boumovy sekvence vznik během vteřin až minut -svrchní oddíly boumovy sekvence hodiny až dny (výše už depozice ze suspenze) https://www.youtube.com/watch?v=zHId82eT6uM „… skutečný sedimentární záznam je většinou nic a jenom občas něco …“, a to nejčastěji v poměru chybějícího záznamu a přímo existujícího sedimentárního záznamu mezi 50 : 1 až 500 : 1 (D. Ager) Rychlost sedimentace •Poměrně rychlá fluviální sedimentace - cm/m za dny a roky (klidné x povodňové stavy toku) Rychlost sedimentace •Poměrně rychlá karbonátová sedimentace – karbonátové továrny - m za tisíce let Rychlost sedimentace •Pomalá sedimentace ze suspenze - cm za tisíce let (ale hojné rozpouštění) Klastické horniny •Složené převážně ze zrn – klastů •Klasty jsou uvolňovány mechanickým / chemickým zvětráváním • •V širším smyslu odráží složení klastik zvětrávací procesy, určené klimatem a geologií zdrojové oblasti • •Zdrojové oblasti jsou většinou elevace, ale mohou být i nížiny a pobřeží •Složení klastik závisí na vzdálenosti mezi místem depozice a zdrojem + diageneze • Zvětrávání •Chemické (chemický rozklad hornin) • •Mechanické/fyzikální (mechanický rozpad hornin při zachování jejich původního chemického složení a snižování velikosti zrna materiálu) • •Součinnost mechanického a chemického zvětrávání • •Biologické (činností živých organismů, živočichů, rostlin) • Mechanické zvětrávání • • • Mrazové zvětrávání - opakovaný cyklus mrznutí (zvětšování objemu o 9%) a tání (snižování objemu) vody Teplotní výkyvy teplotní výkyvy > 30 stupňů Celsia, bez přítomnosti vody - různé koeficienty tepelné roztažnosti u různých minerálů Mechanické zvětrávání • • • Odtížení horninových komplexů - vyvřelé horniny - odstranění tíhy nadloží vede k roztažení horniny a odlučování, viz situace v nově ražených důlních chodbách Mechanické zvětrávání • • • Eroze (abraze, koraze) - obrušování hornin dynamikou nějakého média (voda, vzduch, led), které obsahuje pevné částice Rozpouštění • •rozpustnost ve vodě (halit) •polární molekuly vody •na straně vodíku v H2O je kladný náboj, • na straně kyslíku v H2O je záporný náboj, •rozbití iontové vazby -> roztok • •většina minerálů je ve vodě nerozpustná • •rozpustnost závislá na pH, čím nižší pH vody, vyšší kyselost roztoku (obsah kationtu H+), tím rozpustnější •obsah kyselin ve vodě - rozklad organické hmoty v půdě, obsah CO2 v atmosféře • Chemické zvětrávání rozpouštění karbonátů ve slabých kyselých roztocích • CaCO3 + 2[H+ + (H2)O] -> Ca2+ + CO2 + 3(H2)O • kalcit + vodný roztok kyseliny -> iont vápníku (rozpustný) + oxid uhličitý + voda • Chemické zvětrávání OXIDACE: zvyšování oxidačního čísla /valence/ •zpravidla kyslík rozpuštěný ve vodě, působí společně s hydrolýzou •rozklad minerálů obsahujících železo - olivín, pyroxen, amfibol •konečné produkty - oxidy a hydroxidy železa (hematit, goethit, limonit) • 4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3 • krystalové železo + kyslík -> hematit • 4Fe2O3 . FeO + O2 –> 6Fe2O3 • (Fe3+) (Fe2+) –> (Fe3+) •Degradace organické hmoty • Oxidace a redukce •REDUKCE: snižování oxidačního čísla /valence/ •Např. vznik pyritu redukcí železitého iontu na železnatý ion •Zachování organické hmoty Oxidace a redukce •Příjem molekuly vody • • Fe2O3 + H2O –> 2FeOOH • Hematit + voda –> goethit • Hydratace Minerál podléhající zvětrávání Produkty zvětrávání Křemen křemen, rozpuštěný křemík (molekula kyseliny křemičité) Živce jílové minerály, Ionty Ca, Na, K, rozpuštěný křemík Muskovit jílové minerály, Ionty Na, K, rozpuštěný křemík, gibsit Biotit jílové minerály, oxidy železa, K, Mg, Fe, rozpuštěný křemík Amfiboly oxidy železa, ionty Na, Ca, Fe, Mg, jílové minerály, rozpuštěný křemík Pyroxeny oxidy železa, ionty Ca, Fe, Mg, Mn, jílové minerály, rozpuštěný křemík Olivín oxidy železa, ionty Fe, Mg, rozpuštěný křemík, jílové minerály Granáty ionty Ca, Mg, Fe, oxidy železa, rozpuštěný křemík Alumosilikáty jílové minerály, křemík, gibsit Magnetit hematit, goethit, limonit Kalcit ionty Ca, ionty HCO3- Dolomit ionty Ca a Mg, ionty HCO3- Železité karbonáty (siderit, ankerit) ionty Ca, Mg, Fe, oxidy železa, ionty HCO3- Produkty chem. zvětrávání •Stabilní minerály (Q, muskovit) •nestabilní minerály (ostatní) • Goldrichovo schéma sedim5 Částice mechanicky unášené kapalinami – sedimentární částice • •Nejběžnější : křemen, jílové minerály •Běžné: živce, kalcit, aragonit: (r = 2650 kg/m3) •Další: slídy, amfibol, pyroxeny, olivín Sedimentární částice - zrna Faktory, které ovlivňují uvedení částice do pohybu: • •Tvar částic • •Velikost částic • • •Vytřídění částic Sedimentární částice - zrna Faktory, které ovlivňující uvedení částice do pohybu: - hustota fluida (ρ) - dynamická viskozita fluida (η) (vnitřní tření, závisící především na přitažlivých silách mezi částicemi) • Vzduch (ρ = 12,2 kg/m3), dynamická viskozita (η) vzrůstá se vzrůstající teplotou • • Voda (ρ = 1000 kg/m3, r = 1025 kg/m3), dynamická viskozita (η) klesá s vzrůstající teplotou • • Magma (ρ = 2700 = 3100 kg/m3), viskozita (η) závislá na složení, obsahu vody • Transportní média - fluida Nižší η Vyšší η Newtonovská kapalina (běžná směs voda-sediment) -reologický model viskózní látky, která se řídí Newtonovým zákonem viskozity -Smykové napětí (smyková síla na jednotku plochy) lineárně úměrné rychlostnímu gradientu dU/dy – smykové/deformační rychlosti • •binghamovská plastická látka (bahnotoky, lahary) -rychlost deformace není úměrná napětí -k deformaci dochází až po překročení meze smykového napětí • • • • • •https://www.youtube.com/watch?v=bLiNHqwgWaQ 0:25; 1:35 Fyzikální principy transportu Zrádnost bažin je dána právě tím, že se bažina nechová jako newtonovská kapalina, ale jako tzv. binghamovská (plastická) kapalina. Bude-li tlak tělesa ponořeného v bažině malý, bude malé i smykové napětí, kapalina nebude téci a bažina se bude chovat jako pevné těleso. Překročí-li ale tlak jistou hodnotu, začne se bažina chovat jako binghamovská kapalina a těleso se bude nezadržitelně ponořovat, aniž by tomu mohla vztlaková síla zabránit HRANIČNÍ VSTVA •zóna zpomalení kapaliny v blízkosti kontaktu s pevnou látkou (střihové napětí), se kterou je kapalina v relativním pohybu • Fyzikální principy transportu U(y) y x proudnice •laminární vs. turbulentní proudění - laminární – částice proudí paralelně jedna k druhé a nemísí se - turbulentní – vířivý/složitý/chaotický pohyb částic které se mísí •laminární vs. turbulentní proudění - rychlé a turbulentní proudění vede k výrazné erozi Reynoldsovo číslo (Re) poměr setrvačné síly k viskózním silám v hraniční vrstvě -odpor prostředí v důsledku vnitřního tření -bezrozměrná veličina, - • • • • Fyzikální principy transportu uSd Re = ------ n uS - střední hodnota proudění kapaliny D - hydraulický průměr trubice n - kinematická viskozita Laminární proudění, Re < 0.1 Přechod z laminárního do turbulentního proudění, Re ~ 40 - 120 Voda v otevřených kanálech: Froudovo číslo (Fr) -v případě zanedbatelné hloubky kanálu vzhledem k šířce - poměr inertních sil (U – střední průřezová rychlost = sklon, tření, hydraulický poloměr) ke gravitačním silám během toku U Fr = -------- gh • • • Fyzikální principy transportu channel •Fr < 1; subkritický tok • • • • • • • • • • • • • • • • Fr > 1; superkritický tok • • • Fyzikální principy transportu GIBLING 69 MARTIN 19 MARTIN 104 • Reynoldsovo číslo: laminární vs. turbulentní proudění Fyzikální principy transportu [USEMAP] Laminární proudění Turbulentní proudění Laminární proudění Turbulentní proudění Separace toku •V hraniční vrstvě částice kapaliny, které jsou nejblíže podloží (dnu) nebo přímo na dně, mají nejnižší kinetickou energii •Tyto částice budou silně ovlivněny při změně rychlosti toku (zpomalení, zrychlení) nebo v místě změny sklonu dna •Zpomalení / ohyb dna směrem dolů -> tyto částice se zastaví nebo se dokonce začnou pohybovat zpět, nahromaděná kapalina nutí hlavní tok téci výše ode dna a vyvine se zpětný proud („vír“) – separace proudu •Proudnice se oddělí ode dna • •https://www.youtube.com/watch?v=TOUylg7Eyec 0:30; 9:40 • Fyzikální principy transportu Fyzikální principy transportu Mechanismy uvádění částic do vznosu • •strhávání částic z nesoudržného podloží (nezpevněný písek) •smykové napětí na prahu pohybu stoupá se stoupajícím hustotním rozdílem částice a vody, průměrem (velikostí) částice D1, poměrem průměrů D0/D1 a volnou vzdáleností (s) • • Fyzikální principy transportu uvedeni_do_pohybu FDcosα = (FG – FL)sin α FD = síla ve smyku FG = tíha částice FL = vztlak částice ponořené v kapalině Mechanismy uvádění částic do vznosu Vlek probíhá paralelně se substrátem = smykové napětí Zdvih - Bernoulliho efekt - proud kolem zrna způsobuje nad zrnem pokles tlaku Částice se hýbe pokud: Zdvih + vlek > gravitace • • Fyzikální principy transportu Proud Zdvih Gravitace Vlek fig_03-02 Rychlost proudění vody vs. velikost zrna • • Hjulströmova křivka Mechanismy uvádění částic do vznosu • KORAZE •strhávání částic ze soudržného (kohezního) podloží (jíl, pevné horniny) •Laminární vs. turbulentní proudění • • Fyzikální principy transportu •Saltace https://www.youtube.com/watch?v=xc4bbbwUnNE •Trakce https://www.youtube.com/watch?v=XvG6lwm0F3g Bed load – materiál transportovaný trakcí a saltací https://www.youtube.com/watch?v=O9GVRKnMch8 • • Fyzikální principy transportu fig_03-03 Bed Load Suspended Load •Sedimentární stavby/textury (structures): síla proudění (smykové napětí vs. velikost zrna • • • • • • • • • Fyzikální principy transportu hsu0005 https://www.youtube.com/watch?v=H6FwQesmtaQ •Rychlost částice klesající ke dnu: Stokesův zákon • • • • • • • • • Fyzikální principy transportu d = průměr zrna (cm) g = grav.zrychlení = 980.7 cm/sec2 ρF = hustota fluida(g/cm3) ρS = hustota zrna(g/cm3) μ = viskozita vody(cp) V = Rychlost klesání (cm/sec) V = gd2 (ρS – ρF) ──────── 18μ •g – konstanta, μ, ρS , ρF nejsou sice pravé konstanty, ale v normálním prostředí s běžnými zrny je za ně můžeme považovat •V je tedy úměrný k průměru zrna2 • • • • • • • • • •Rychlost částice klesající ke dnu: Stokesův zákon • • • • • • • • Fyzikální principy transportu Grain diam. (μm) Time to fall 1 m V (cm/sec) 60 5 mins 0.223 30 30 mins 0.0558 8 7 hrs, 48 mins 0.00349 2 5 days, 6 hrs 0.000217 0.5 89 days 0.000013 Jak mohou klesnout jíly na dna oceánů? Fyzikální principy transportu Vločkování jílových minerálů Van der Waal’sovy vazby Turbulence Fekální pelety (např. ryb) Turbiditními proudy hyperpiknické proudy •Vznikají při vtoku kapaliny o určité hustotě do jiné kapaliny o jiné hustotě • • • • • • • • • • • • •r1 = hustota vtékající proudící masy (hustotního proudu) •r2 = hustota stojící vodní masy • • • • Fyzikální principy transportu – hustotní proudy density_currents hyperpyknický proud (r1>r2) hypopyknický proud (r1 více = angulární, méně = zaoblený •Lze vyjádřit kvantitativně, ale rychlejší je vizuální odhad • • • • Tvar zrna Sféricita • • • • Zaoblení • • • • •Povrchová mikrostruktura • • • • Tvar zrna •Morfologie valounů štěrků lépe pozorovatelná než u písku •Některé tvary štěrků jsou diagnostické pro konkrétní prostředí •Např. ventifakty – facetované valouny v eolicky dominujícím prostředí •Striace na klastech z glaciálního prostředí •Srpečkovité otluky na plážových a říčních zrnech • •Diageneze!!! • • • • Tvar zrna Porozita •Objem prostor (pórů) vyplněných plynem nebo kapalinou vůči celkovému objemu horniny •ps = (Vp/VT) x 100 •ps = porozita, Vp = objem pórů, VT = celkový objem vzorku horniny •maximální porozita – > 35% • • • • Porozita a permeabilita Permeabilita •Míra rychlosti protékání kapaliny horninou •Závisí na porozitě, velikosti pórů a propojení pórů (efektivní porozitě) • • • • Porozita a permeabilita Podpůrná struktura Poměr základní hmota/klasty -Podpůrná struktura klastů - - - - - - - -Podpůrná struktura základní hmoty • • •