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4. Hydrodynamik,Transport und -formen,SedimentstrukturenSedimentstrukturen

HvE / Prakt.-Sedimentologie

Stoke´s Gesetz

Partikel-Sinkgeschwindigkeit instationären Fluiden, z.B. stehen-des Gewässer:

u =2 r2(ρ1-ρ2)g

9 η

mit: r = Partikelradiusρ1,ρ2 = Dichte von Partikel und Fluidg = Erdbeschleunigungη = Viskosität des Fluids in

kges

chw

indi

gkei

t


Degens 1989

→ gilt nur für Partikel <~100µm(bei ρ1 ≈ 2.65 und ρ2 ≈ 1.0 g/cm3 u

Si

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laminaresFli ß

Strömungsverhältnisse

Fließen

HvE / Prakt.-Sedimentologie Jacobshagen et al. 2000

turbulentesFließen

Reynolds-Zahl

Re = ρdu / η

1

2d

u = Fließgeschwindigkeit

2

3

ρ = Dichte des Fluidsη = Viskosität

→ drückt das Verhältnis von Trägheitskräften zur Zähigkeit (bzw. Zähigkeitskräften) aus


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Leeder 1999

Der Übergang von laminaren zu turbulenten Strömungs-verhältnissen liegt beiRe = 500 - 2000

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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

(gh)1/2

mit: u = Fließgeschwindigkeitg = Erdbeschleunigungh = Strömungstiefe

F>1 ⇒ schießende, überkritische Strömung


u

F<1 ⇒ ruhige, subkritische Strömung

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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 subcriticalmostly turbulent subcritical flows.


Hsü 2004

Transport

Schubspannung τ(shear stress)

τ = η * du/dy

mit η = Viskosität unddu/dy = Geschwindigkeits-gradient ( = strain rate)

HvE / Prakt.-Sedimentologie Leeder 1999

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)

τ = η * du/dy

shear stress(Schubspannung)

rmun

gsra

te (s

train

rate

mit η = Viskosität unddu/dy = Geschwindigkeits-gradient ( = strain rate)

Wasser ?Luft ?


Verfo

r

Schubspannung (shear stress) τ

Luft ?Eis ?Zahnpasta, Harz ?Wasser+Sand, „Treibsand“?

Transport

Krafteinwirkung auf einzelnePartikel:

- Auftriebskraft (lift force)Auftriebskraft (lift force)- Strömungswiderstand

(drag force)

vs. Gravitationskraft


Allen 1997g

entscheidende Größen:• Partikelgröße und -dichte• Fließgeschwindigkeit.• Viskosität

+ (Geometrie/ Wassertiefe)+ (Partikelform)

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Transportformen

HvE / Prakt.-SedimentologieLeeder 1999

Erosion - Transport - Ablagerung Hjulstrøm – Diagramm

HvE / Prakt.-Sedimentologie Bah

lbur

g &

Bre

itkre

uz 1

998

für 1m Wassertiefe !

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(turbulentes) Fließen Sediment - Transport

Bodenform, Sohlform(Geometrie der Sediment – Fluid – Grenzfläche)

u = velocity


τ = µ * du/dy

τ ist je größer, je kleiner y, d.h. je näher an der Basisfläche (y=0)Allen 1997

τ und u sind größer bei turbulentem Fließen nahe der Basisfläche

HvE / Prakt.-SedimentologieAllen 1997

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SedimentstrukturenStrömungsrippeln vs Wellenrippeln (Oszillationsrippeln)


Press & Siever 2001

Oszillations-rippeln

HvE / Prakt.-Sedimentologie Leeder 1999

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Leeder 1999

HCS – hummocky cross stratification („Beulenschichtung“)


Graham 1988 (in Tucker, Ed.)

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Antidünen


Leeder 1999

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Kletterrippeln


Leeder 1999

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).

Trübeströme und Turbidite


Press & Siever 2001

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Press & Siever 2001

Trübeströme


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Leeder 1999

Gradierung

normal bzw. positiv

invers bzw. negativ

i h

Walker 1984

symmetrisch


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Debris Flows


Leeder 1999

Bioturbation

HvE / Prakt.-Sedimentologie aus Press & Siever (1997)

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5. Porosität und Permeabilität

Komponenten („Sandkörner“)

Porenraum

authigene Bildungen („Zement“)


Porenraum

200 µm

water, petroleum (crude oil), gases(CO2, CH4, H2S, H2O, N2, O2 ... )

Füchtbauer (1988)Porosität

D fi iti


Definitionen :

Gesamtporosität Pt = (Gesamtvolumen - Feststoffvolumen) x 100

Gesamtvolumen

Effektive Porosität Pe = (kommunizierendes Porenvolumen) x 100

Gesamtvolumen

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Permeabilität/Durchlässigkeit


Udluft 1974

Permeabilität

Die Permeabilität (Durchlässigkeit s.str.) ist eine gesteinspezifische Konstante, die die Beschaffenheit eines Porensystems unabhängig von den Fluideigenschaften

Udluft 1974

g g g(Viskosität!) beschreibt.

Hölting 1989

Eine poröses Gestein hat die Permeabilität


pK = 1 Darcy (1D = 1000mD) wenn 1cm3

einer Flüssigkeit mit der Viskosität 1 Pa*s in 1 s ein Gesteinstück von 1 cm Länge und 1cm2 Querschnitt bei einem Druck-unterschied von 0.98067 bar (= 1 at) und bei T = 0°C durchfliesst.

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Füchtbauer (1988)


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Porosität vs. Permeabilität


Füchtbauer (1988)


Füchtbauer (1988)

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Porosity decrease during compaction

HvE / Prakt.-SedimentologieEinsele (2000)

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Principles of Sediment Compaction

φ [%]

mostly mechanical compaction(70-100°C)[f of effective stress]

mostly chemical compaction

2-3


d [km]

compaction(T, x)[f of temperature]

Bjorlykke (1999)

secondary porosity

0 1

Houseknecht diagram

2a

1a


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