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Frida Waldfogel
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1 4. Hydrodynamik, Transport und -formen, Sedimentstrukturen Stoke s Gesetz Partikel-Sinkgeschwindigkeit in stationären Fluiden, z.b. stehendes Gewässer: u = 2 r2 (ρ 1 -ρ 2 )g 9 η mit: r = Partikelradius ρ 1,ρ 2 = Dichte von Partikel und Fluid g = Erdbeschleunigung η = Viskosität des Fluids gilt nur für Partikel <~100µm (bei ρ und ρ g/cm 3 inkgeschwindigkeit Si u Degens

2000 Reynolds-Zahl 1 Re = ρdu / η ρ = Dichte

Fließgeschwindigkeit drückt das Verhältnis von

Zähigkeitskräften) aus 3 Der Übergang von

2 Strömungsverhältnisse laminares Fließen turbulentes Fließen Jacobshagen et al Reynolds-Zahl 1 Re = ρdu / η ρ = Dichte des Fluids η = Viskosität d 2 u = Fließgeschwindigkeit drückt das Verhältnis von Trägheitskräften zur Zähigkeit (bzw. Zähigkeitskräften) aus 3 Der Übergang von laminaren zu turbulenten Strömungsverhältnissen liegt bei Re = Leeder

3 Hsü 2004 Strömungs-Regime Die dimensionslose Froude-Zahl (F) kennzeichnet das Strömungs-Regime. Sie beschreibt das Verhältnis von Trägheitskräften zur Schwerkraft: F = u / (gh) 1/2 mit: u = Fließgeschwindigkeit g = Erdbeschleunigung h = Strömungstiefe (gh) 1/2 F>1 schießende, überkritische Strömung F<1 ruhige, subkritische Strömung u 3

4 that means, streams a few meters deep (e.g. 1 to 10 m) flowing at speeds less than 3 to 10 m/s (respectively) are mostly turbulent subcritical flows. Hsü 2004 Transport Schubspannung τ (shear stress) τ = η * du/dy mit η = Viskosität und du/dy = Geschwindigkeitsgradient ( = strain rate) Leeder

shear stress (Schubspannung) τ = η * du/dy mit η = Viskosität und du/dy = Geschwindigkeitsgradient ( = strain rate) Wasser? Luft? Eis? Zahnpasta, Harz? Wasser+Sand, Treibsand?

5 shear stress (Schubspannung) τ = η * du/dy mit η = Viskosität und du/dy = Geschwindigkeitsgradient ( = strain rate) Wasser? Luft? Eis? Zahnpasta, Harz? Wasser+Sand, Treibsand? ) rmungsrate (strain rate Verfor Schubspannung (shear stress) τ Transport Krafteinwirkung auf einzelne Partikel: - Auftriebskraft (lift force) - Strömungswiderstand (drag force) vs. Gravitationskraft g Allen 1997 entscheidende Größen: Partikelgröße und -dichte Fließgeschwindigkeit. Viskosität + (Geometrie/ Wassertiefe) + (Partikelform) 5

6 Transportformen Leeder 1999 Erosion - Transport - Ablagerung Hjulstrøm Diagramm für 1m Wassertiefe! Bahlburg & Breitkreuz

7 (turbulentes) Fließen Sediment - Transport Bodenform, Sohlform (Geometrie der Sediment Fluid Grenzfläche) u = velocity τ = µ * du/dy Allen 1997 τ ist je größer, je kleiner y, d.h. je näher an der Basisfläche (y=0) τ und u sind größer bei turbulentem Fließen nahe der Basisfläche Allen

8 Sedimentstrukturen Strömungsrippeln vs Wellenrippeln (Oszillationsrippeln) Press & Siever 2001 Oszillationsrippeln Leeder

9 Leeder 1999 HCS hummocky cross stratification ( Beulenschichtung ) Graham 1988 (in Tucker, Ed.) 9

10 Allen 1997 Antidünen Leeder

The increasing angle of climb from bottom to

vertical deposition relative to the speed of

11 Kletterrippeln Fig. 7.7 Experimentally produced climbing-ripple cross-lamination seen in vertical profile parrallel with flow. The increasing angle of climb from bottom to top is caused by the increasing rate of net vertical deposition relative to the speed of advance of ripples (after Allen, 1972). Leeder 1999 Trübeströme und Turbidite Press & Siever

12 Press & Siever 2001 Trübeströme Allen

13 Leeder 1999 Gradierung normal bzw. positiv invers bzw. negativ symmetrisch Walker

14 Debris Flows Leeder 1999 Bioturbation aus Press & Siever (1997) 14

.. ) 200 µm Porosität Füchtbauer (1988) Definitionen iti : Gesamtporosität Pt = (Gesamtvolumen -

15 5. Porosität und Permeabilität Komponenten ( Sandkörner ) authigene Bildungen ( Zement ) Porenraum water, petroleum (crude oil), gases (CO 2, CH 4, H 2 S, H 2 O, N 2, O 2... ) 200 µm Porosität Füchtbauer (1988) Definitionen iti : Gesamtporosität Pt = (Gesamtvolumen - Feststoffvolumen) x 100 Gesamtvolumen Effektive Porosität Pe = (kommunizierendes Porenvolumen) x 100 Gesamtvolumen 15

Permeabilität/Durchlässigkeit Udluft 1974 Permeabilität Die

) ist eine gesteinspezifische Konstante, die die Beschaffenheit

K = 1 Darcy (1D = 1000mD) wenn 1cm 3 einer Flüssigkeit mit der

16 Permeabilität/Durchlässigkeit Udluft 1974 Permeabilität Die Permeabilität (Durchlässigkeit s.str.) ist eine gesteinspezifische Konstante, die die Beschaffenheit eines Porensystems unabhängig ggvon den Fluideigenschaften (Viskosität!) beschreibt. Udluft 1974 Hölting 1989 Eine poröses Gestein hat die Permeabilität K = 1 Darcy (1D = 1000mD) wenn 1cm 3 einer Flüssigkeit mit der Viskosität 1 Pa*s in 1 s ein Gesteinstück von 1 cm Länge und 1cm 2 Querschnitt bei einem Druckunterschied von bar (= 1 at) und bei T = 0 C durchfliesst. 16

17 Füchtbauer (1988) 17

18 Porosität vs. Permeabilität Füchtbauer (1988) Füchtbauer (1988) 18

19 Porosity decrease during compaction Einsele (2000) 19

Principles of Sediment Compaction φ [%] 2-3 d [km] mostly mechanical compaction (70-100 C) [f of effective stress]

20 Principles of Sediment Compaction φ [%] 2-3 d [km] mostly mechanical compaction ( C) [f of effective stress] mostly chemical compaction (T, x) [f of temperature] secondary porosity Bjorlykke (1999) Houseknecht diagram 0 1 1a 2a 2 20

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