Uklarhedsstrøm - Turbidity current
En turbiditetsstrøm er typisk en undersøisk strøm af normalt bevægeligt, sedimentbelastet vand, der bevæger sig ned ad en skråning; skønt nuværende forskning (2018) indikerer, at vandmættet sediment kan være den primære aktør i processen. Uklarhedsstrømme kan også forekomme i andre væsker udover vand.
Forskere fra Monterey Bay Aquarium Research Institute fandt ud af, at et lag vandmættet sediment bevægede sig hurtigt over havbunden og mobiliserede de øverste få meter af den allerede eksisterende havbund. Plumer af sedimentbelastet vand blev observeret under uklarhedshændelser, men de mener, at disse var sekundære til pulsen af havbundssedimentet, der bevægede sig under begivenhederne. Forskernes tro er, at vandstrømmen er slutningen af processen, der starter ved havbunden.
I det mest typiske tilfælde af oceaniske uklarhedsstrømme flyder sedimentbelastede farvande over skrånende jord ned ad bakke, fordi de har en højere tæthed end de tilstødende farvande. Drivkraften bag en turbiditetsstrøm er tyngdekraften, der virker på den høje tæthed af sedimenterne, der midlertidigt er ophængt i en væske. Disse semi-suspenderede faste stoffer gør den gennemsnitlige tæthed af det sediment, der bærer vand, større end det omgivende, uforstyrrede vand.
Når sådanne strømme strømmer, har de ofte en "sne-balling-effekt", når de rører jorden op, som de strømmer over, og samler endnu mere sedimentære partikler i deres strøm. Deres passage forlader jorden, som de flyder over, gennemsyret og eroderet. Når en oceanisk uklarhedsstrøm når det roligere vand i det fladere område på den afgrundsslette (største havbund), sætter de partikler, der bæres af strømmen, sig ud af vandsøjlen. Den sedimentære aflejring af en turbiditetsstrøm kaldes en turbidit .
Eksempler på uklarhedsstrømme, der involverer andre flydende medier udover flydende vand, omfatter: laviner (sne, klipper), lahars (vulkansk), pyroklastiske strømme (vulkansk) og lavastrømme (vulkansk).
Havbundens turbiditetsstrømme er ofte resultatet af sedimentbelastede flodudstrømninger og kan undertiden initieres af jordskælv , nedfald og andre jordforstyrrelser. De er kendetegnet ved en veldefineret forhåndsfront, også kendt som strømens hoved, og efterfølges af strømens hovedkrop. Med hensyn til det oftere observerede og mere velkendte fænomen over havets overflade ligner de noget flashfloder.
Uklarhedsstrømme kan nogle gange skyldes seismisk sejbisk ustabilitet, hvilket er almindeligt med stejle undervandshældninger, og især med ubådsgrøfteskråninger med konvergerende plademargener, kontinentale skråninger og ubådskanoner med passive margener. Med en stigende hældning på kontinentalsoklen øges strømhastigheden, når strømningshastigheden øges, turbulensen øges, og strømmen trækker mere sediment op. Stigningen i sediment tilføjer også strømtætheden og dermed dens hastighed yderligere.
Definition
Turbiditetsstrømme defineres traditionelt som de sedimenttyngdekraftstrømme, hvor sediment suspenderes af flydende turbulens. Imidlertid blev udtrykket "uklarhedsstrøm" vedtaget for at beskrive et naturfænomen, hvis nøjagtige natur ofte er uklar. Turbulensen i en turbiditetsstrøm er ikke altid støttemekanismen, der holder sedimentet i suspension; det er dog sandsynligt, at turbulens er den primære eller eneste kornstøttemekanisme i fortyndede strømme (<3%). Definitioner kompliceres yderligere af en ufuldstændig forståelse af turbulensstrukturen inden for uklarhedsstrømme og forvirringen mellem termerne turbulent (dvs. forstyrret af hvirvler) og uklar (dvs. uigennemsigtig med sediment). Kneller & Buckee, 2000 definerer en suspensionsstrøm som 'flow induceret af tyngdekraftens virkning på en uklar blanding af væske og (suspenderet) sediment i kraft af densitetsforskellen mellem blandingen og den omgivende væske'. En turbiditetsstrøm er en suspensionstrøm, hvor den interstitielle væske er en væske (generelt vand); en pyroklastisk strøm er en, hvor den interstitielle væske er gas.
Udløsere
Hyperpyknal fjer
Når koncentrationen af suspenderet sediment ved mundingen af en flod er så stor, at tætheden af flodvand er større end tætheden af havvand, kan en bestemt form for turbiditetsstrøm dannes kaldet en hyperpyknal sky. Den gennemsnitlige koncentration af suspenderet sediment for det meste flodvand, der kommer ind i havet, er meget lavere end den sedimentkoncentration, der er nødvendig for at komme ind som en hyperpycnal sky. Selvom nogle floder ofte kan have kontinuerligt høj sedimentbelastning, der kan skabe en kontinuerlig hyperpyknal fjer, såsom Haile-floden (Kina), som har en gennemsnitlig suspenderet koncentration på 40,5 kg / m 3 . Sedimentkoncentrationen, der er nødvendig for at producere en hyperpyknal fjer i havvand , er 35 til 45 kg / m 3 afhængigt af vandegenskaberne inden for kystzonen . De fleste floder producerer kun hyperpyknale strømme under ekstraordinære begivenheder, såsom storme , oversvømmelser , gletscherudbrud , dæmningsbrud og laharstrømme . I ferskvandsmiljøer, såsom søer , er den suspenderede sedimentkoncentration, der er nødvendig for at producere en hyperpyknal sky, ret lav (1 kg / m 3 ).
Sedimentation i reservoirer
Den transport og deponering af sedimenter i smalle alpine reservoirer er ofte forårsaget af turbiditet strømme. De følger thalweg af søen til det dybeste område nær dæmningen , hvor sedimenterne kan påvirke driften af bundudløbet og indtagsstrukturer. Kontrol af denne bundfældning i reservoiret kan opnås ved hjælp af faste og gennemtrængelige forhindringer med det rigtige design.
Jordskælv udløser
Uklarhedsstrømme udløses ofte af tektoniske forstyrrelser i havbunden. Den forskydning af kontinentale skorpe i form af fluidisering og fysisk ryste begge bidrager til deres dannelse. Jordskælv har været forbundet med uklarhedsaflejring i mange indstillinger, især hvor fysiografi favoriserer bevaring af aflejringerne og begrænser de andre kilder til uklarhedsaflejring. Siden det berømte tilfælde af brud på undersøiske kabler ved en uklar strøm efter jordskælvet Grand Banks i 1929 , er jordskælv udløst turbiditter blevet undersøgt og verificeret langs Cascadia subduktionszone, den nordlige San Andreas Fault, en række europæiske, chilenske og nordamerikanske søer , Japanske lacustrine- og offshore-regioner og en række andre indstillinger.
Canyon-skylning
Når store uklarhedsstrømme strømmer ind i kløfter , kan de blive selvbærende og kan medføre sediment, der tidligere er blevet introduceret i kløften ved kystdrift , storme eller mindre uklarhedsstrømme. Skylning af kløfter forbundet med strømme af overspændingstype, der er initieret af hældningsfejl, kan producere strømme, hvis endelige volumen kan være flere gange den del af skråningen, der har mislykkedes (f.eks. Grand Banks).
Faldende
Sediment, der har hobet sig op på toppen af det kontinentale skråning , især ved hovederne af undersøiske kløfter kan skabe uklarhed strøm på grund af overbelastning, således deraf slumping og glidende.
Konvektiv sedimentering under floddråber
En flydende sedimentbelastet floddråbe kan fremkalde en sekundær uklarhedsstrøm på havbunden ved hjælp af konvektiv sedimentering. Sediment i den oprindeligt flydende hypopykniske strøm akkumuleres ved bunden af overfladestrømmen, så den tætte nedre grænse bliver ustabil. Den resulterende konvektive sedimentering fører til en hurtig lodret overførsel af materiale til den skrånende sø eller havbund, der potentielt danner en sekundær uklarhedsstrøm. Den lodrette hastighed af de konvektive fjer kan være meget større end Stokes afregningshastighed for en individuel sedimentpartikel. De fleste eksempler på denne proces er lavet i laboratoriet, men der blev lavet mulige observationsbeviser for en sekundær turbiditetsstrøm i Howe Sound, British Columbia, hvor en turbiditetsstrøm periodisk blev observeret på deltaet i Squamish River. Da langt størstedelen af sedimentbelastede floder er mindre tætte end havet, kan floder ikke let danne kaste hyperpyknale strømme. Derfor er konvektiv sedimentering en vigtig mulig initieringsmekanisme for uklarhedsstrømme.
Effekt på havbunden
Store og hurtigt bevægelige uklarhedsstrømme kan incisionere og erodere kontinentale margener og forårsage skade på kunstige strukturer såsom telekommunikationskabler på havbunden . At forstå, hvor uklarhedsstrømme strømmer på havbunden, kan hjælpe med at mindske mængden af skade på telekommunikationskabler ved at undgå disse områder eller forstærke kablerne i sårbare områder.
Når uklarhedsstrømme interagerer med andre strømme, såsom konturstrømme, kan de ændre retning. Dette skifter i sidste ende ubådskløfter og sedimentaflejringssteder. Et eksempel på dette er placeret i den vestlige del af Cadiz-bugten , hvor strømmen til middelhavsstrømmen (MOW) har stor indflydelse på uklarhedsstrømme, hvilket i sidste ende forårsager forskydning af dale og kløfter i retning af MOW-strømmen. Dette ændrer erosion og deponeringszoner og i sidste ende ændrer havbundens topografi.
Indskud
Når energien fra en turbiditetsstrøm sænkes, falder dens evne til at holde suspenderet sediment, således at sedimentaflejring opstår. Disse aflejringer kaldes turbiditter . Turbiditetsstrømme ses sjældent i naturen, så turbiditter kan bruges til at bestemme uklarhedsstrømskarakteristika. Nogle eksempler: kornstørrelse kan give en indikation af strømhastighed, kornlitologi og brugen af foraminifera til bestemmelse af oprindelse, kornfordeling viser flowdynamik over tid og sedimenttykkelse indikerer sedimentbelastning og lang levetid.
Turbiditter bruges almindeligvis til forståelse af tidligere turbiditetsstrømme, for eksempel indeholder Peru-Chile-grøften fra det sydlige centrale Chile (36 ° S – 39 ° S) adskillige turbiditlag, der blev kernet og analyseret. Fra disse turbiditter blev den forudsagte historie med turbiditetsstrømme i dette område bestemt, hvilket øgede den overordnede forståelse af disse strømme.
Antidunaflejringer
Nogle af de største antidunes på jorden er dannet af uklarhedsstrømme. Et observeret sedimentbølgefelt er placeret på den nedre kontinentale skråning ud for Guyana , Sydamerika. Dette sedimentbølgefelt dækker et område på mindst 29 000 km 2 i en vanddybde på 4400-4825 meter. Disse antidunes har bølgelængder på 110-2600 m og bølgehøjder på 1-15 m. Uklarhedsstrømme, der er ansvarlige for bølgenerering, fortolkes som stammer fra hældningsfejl i de tilstødende kontinentale margener i Venezuela , Guyana og Surinam . Enkel numerisk modellering er blevet aktiveret til at bestemme turbiditetsstrømstrømskarakteristikker over sedimentbølger, der skal estimeres: internt Froude-tal = 0,7-1,1, strømningstykkelse = 24-645 m og strømningshastighed = 31-82 cm · s -1 . Generelt øges strømningstykkelsen på lavere gradienter ud over mindre hældningsbrud, og strømningshastigheden falder, hvilket fører til en stigning i bølgelængde og et fald i højden.
Omvendt opdrift
Uklarhedsstrømme med flydende væske (såsom strømme med varmt, frisk eller brak interstitielt vand, der kommer ind i havet) er blevet undersøgt for at finde ud af, at fronthastigheden falder hurtigere end for strømme med samme tæthed som den omgivende væske. Disse uklarhedsstrømme stopper i sidste ende, da bundfældning resulterer i en vending af opdrift, og strømmen løftes, hvor løftningspunktet forbliver konstant for en konstant udledning. Den loftede væske bærer fint sediment med sig og danner en sky, der stiger til et niveau af neutral opdrift (hvis det er i et lagdelt miljø) eller til vandoverfladen og spreder sig. Sediment, der falder ned fra skyen, frembringer et bredt nedfaldsaflejring, kaldet hemiturbidit. Eksperimentelle turbiditetsstrømme og feltobservationer antyder, at formen af lapaflejringen, der dannes af en loftende sky, er smallere end for en lignende ikke-loftende sky
Forudsigelse
Forudsigelse af erosion ved turbiditetsstrømme og fordeling af turbiditaflejringer , såsom deres omfang, tykkelse og kornstørrelsesfordeling, kræver en forståelse af mekanismerne til sedimenttransport og -aflejring , hvilket igen afhænger af strømmenes væskedynamik .
Den ekstreme kompleksitet af de fleste turbiditsystemer og senge har fremmet udviklingen af kvantitative modeller for turbiditetsstrømsadfærd udelukkende ud fra deres aflejringer. Småskala laboratorieeksperimenter tilbyder derfor et af de bedste måder at studere deres dynamik på. Matematiske modeller kan også give betydelig indsigt i den aktuelle dynamik. På lang sigt er numeriske teknikker sandsynligvis det bedste håb om at forstå og forudsige tredimensionelle uklarhedsprocesser og aflejringer. I de fleste tilfælde er der flere variabler end styrende ligninger , og modellerne er afhængige af forenklede antagelser for at opnå et resultat. Nøjagtigheden af de enkelte modeller afhænger således af gyldigheden og valget af de antagne forudsætninger. Eksperimentelle resultater giver et middel til at begrænse nogle af disse variabler samt give en test for sådanne modeller. Fysiske data fra feltobservationer eller mere praktisk fra eksperimenter er stadig nødvendige for at teste de forenklende antagelser, der er nødvendige i matematiske modeller . Det meste af det, der er kendt om store naturlige turbiditetsstrømme (dvs. de, der er betydningsfulde med hensyn til overførsel af sediment til dybhavet), udledes fra indirekte kilder, såsom ubådskabelbrud og aflejringshøjder over undersøiske dalbund. Selvom der i Tokachi-oki-jordskælvet i 2003 blev observeret en stor uklarhedsstrøm af det kablede observatorium, som leverede direkte observationer, hvilket sjældent opnås.
Olieundersøgelse
Olie- og gasselskaber er også interesserede i uklarhedsstrømme, fordi strømmen deponerer organisk materiale, der over geologisk tid bliver begravet, komprimeret og omdannet til kulbrinter . Brug af numerisk modellering og røg bruges ofte til at hjælpe med at forstå disse spørgsmål. Meget af modelleringen bruges til at gengive de fysiske processer, der styrer uklarhedens nuværende adfærd og aflejringer.
Modellering nærmer sig
Modeller med lavt vand
De såkaldte dybde-gennemsnit eller lavvandede modeller introduceres oprindeligt for kompositionens tyngdekraftsstrømme og udvides derefter til uklarhedsstrømme. De typiske antagelser, der anvendes sammen med modellerne på lavt vand, er: hydrostatisk trykfelt, klar væske er ikke medtaget (eller afskåret), og partikelkoncentration afhænger ikke af den lodrette placering. I betragtning af den lette implementering kan disse modeller typisk forudsige flowkarakteristik som frontplacering eller fronthastighed i forenklede geometrier, f.eks. Rektangulære kanaler, ret nøjagtigt.
Dybdeopløste modeller
Med stigningen i beregningskraft er dybdeløste modeller blevet et kraftfuldt værktøj til at undersøge tyngdekraften og uklarhedsstrømmen. Disse modeller er generelt hovedsageligt fokuseret på løsningen af Navier-Stokes-ligningerne til væskefasen. Med fortyndet suspension af partikler viste en Euleriansk tilgang sig at være nøjagtig til at beskrive udviklingen af partikler i form af et kontinuumpartikelkoncentrationsfelt. Under disse modeller er der ikke behov for sådanne antagelser som modeller med lavt vand, og der udføres derfor nøjagtige beregninger og målinger for at studere disse strømme. Målinger som trykfelt, energibudgetter, lodret partikelkoncentration og nøjagtige aflejringshøjder er nogle få at nævne. Både Direct numerical simulation (DNS) og Turbulence modellering bruges til at modellere disse strømme.
Eksempler på uklarhedsstrømme
- Inden for få minutter efter jordskælvet Grand Banks i 1929 fandt sted ud for Newfoundlands kyst , begyndte de transatlantiske telefonkabler at bryde sekventielt, længere og længere ned ad skråningen, væk fra episentret . Tolv kabler blev snappet i alt 28 steder. Præcise tidspunkter og placeringer blev registreret for hver pause. Efterforskere foreslog, at en anslået 60 mil i timen (100 km / t) ubådsskred eller uklarhedsstrøm af vandmættede sedimenter fejede 600 km ned ad den kontinentale skråning fra jordskælvets episenter og snappede kablerne, da den passerede. Efterfølgende undersøgelser af denne begivenhed har vist, at sedimentfejl i kontinentalt hældning for det meste opstod under 650 meters vanddybde. Den slumping , der fandt sted på lavt vand (5-25 meter) overleveret skråning i turbiditet strømninger, der udviklede sig ignitively. Turbiditetsstrømmene havde vedvarende strøm i mange timer på grund af den forsinkede tilbagevendende svigt og transformation af snavsstrømme til turbiditetsstrømme gennem hydrauliske spring.
- Den Cascadia forkastningszone , ud for den nordvestlige kyst af Nordamerika, har en registrering af jordskælv udløste turbiditter der er godt korreleret til andre beviser af jordskælv registreret i kystnære bugter og søer under Holocæn. 41 Holocen- turbiditetsstrømme er blevet korreleret langs hele eller en del af den ca. 1000 km lange pladegrænse, der strækker sig fra det nordlige Californien til midten af Vancouver Island. Korrelationerne er baseret på radiocarbonalder og stratigrafiske metoder under jorden. Det afledte gentagelsesinterval for store jordskælv i Cascadia er cirka 500 år langs den nordlige margen og cirka 240 år langs den sydlige margen.
- Taiwan er et hot spot for ubåds turbiditetsstrømme, da der er store mængder sediment suspenderet i floder, og det er seismisk aktivt, og dermed stor ophobning af havbundssedimenter og jordskælv udløser. Under Pingtung-jordskælvet i 2006 ud for SW Taiwan blev elleve undersøiske kabler over Kaoping-kløften og Manila Trench brudt i rækkefølge fra 1500 til 4000 m dybe som en konsekvens af de tilhørende turbiditetsstrømme. Fra tidspunktet for hvert kabelbrud blev strømens hastighed bestemt til at have et positivt forhold til den badymetriske hældning. Aktuelle hastigheder var 20 m / s på de stejleste skråninger og 3,7 m / s på de laveste skråninger.
- En af de tidligste observationer af uklarhedsstrømme var af François-Alphonse Forel . I slutningen af 1800'erne foretog han detaljerede observationer af, at Rhône-floden kastede sig ned i Genfersøen ved Port Valais. Disse papirer var muligvis den tidligste identifikation af en uklarhedsstrøm, og han diskuterede, hvordan ubådskanalen dannede sig fra deltaet. I denne ferskvandssø er det primært det kolde vand, der fører til tilstrømning af tilstrømningen. Sedimentbelastningen i sig selv er generelt ikke høj nok til at overvinde sommerens termiske lagdeling i Genfersøen .
- Den længste uklarhedsstrøm, der nogensinde er registreret, fandt sted i januar 2020 og strømmede i 1.100 kilometer gennem Congo Canyon i løbet af to dage og beskadigede to ubådskommunikationskabler. Strømmen var et resultat af sediment deponeret af oversvømmelserne i Congo-floden 2019-2020 .
Se også
- Bouma sekvens
- Tyngdekraftsstrøm
- Turbiditetsstrømme med høj densitet ( Lowe-sekvens )
- Ubådsskred
- Sedimentets tyngdekraft flyder
- Turbidit