Formas de fundo experimentais geradas por correntes de densidade salinas e de turbidez : análise do escoamento e do leito móvel

Abstract

As correntes de densidade são escoamentos originados da diferença de massa específica entre dois meios fluidos, como variações de temperatura, salinidade e/ou material particulado suspenso. As correntes de turbidez são correntes de densidade causadas pela presença de sedimentos em suspensão e os depósitos por elas gerados são denominados turbiditos, potenciais reservatórios de hidrocarboneto e, por isso, de grande interesse da indústria do petróleo e de grupos de pesquisa. As formas de fundo são estruturas sedimentares geradas pela interação desses escoamentos com o leito oceânico, que amparam a interpretação dos parâmetros hidráulicos das correntes geradoras dos depósitos turbidíticos. A modelagem física é uma ferramenta amplamente empregada no estudo das formas de fundo, na qual, muitas vezes, misturas salinas são utilizadas na representação das correntes de turbidez, em função da menor complexidade na operacionalização e obtenção de dados. Apesar das correntes salinas também serem observadas na natureza, e de gerarem formas de fundo, as mesmas não são capazes de gerar depósitos turbidíticos. Dessa forma, o presente estudo teve como objetivo investigar experimentalmente se correntes de densidade salinas (CS) podem ser utilizadas como substitutas de correntes de turbidez (CT) de similares parâmetros de entrada, no que se refere à reprodução dos processos hidráulicos e sedimentológicos e à habilidade de geração e desenvolvimento de formas de fundo do mesmo tipo e dimensões. Para tanto, foi construído um canal de acrílico, de 18 m de comprimento e 3° de inclinação, dentro de um tanque maior, preenchido com água antes de cada experimento. Foram utilizadas três vazões de injeção (270, 320 e 370 L min-1) para cada tipo de corrente, as quais escoaram sobre o fundo do canal de acrílico, preenchido com microesfera de vidro. Os perfis de velocidade e de concentração das correntes foram registrados ao longo do canal, utilizando-se aparelhos UVP e ADV e amostradores compostos de tubos e mangueiras. Fotografias do depósito obtidas de topo e lateralmente permitiram a análise espacial dos comprimentos (λ) e alturas (η) das formas de fundo geradas, e a distribuição granulométrica do material presente no leito foi analisada a partir de amostras coletadas ao longo do canal. Os seis experimentos resultaram em escoamentos de regime supercrítico (Frd > 1), e plenamente turbulentos (42566 < Re < 66850). Em todos os casos foi observada a geração de formas de fundo do tipo ondulações, assim classificadas em função dos baixos valores das tensões de cisalhamento junto ao fundo (τb), do número Reynolds do grão (Re*), das suas dimensões, da ausência de carreamento de sedimentos em suspensão e em conjunto com o uso de diagramas de previsão. A seção montante do depósito (até o 10º m) teve sua inclinação inicial acrescida durante a passagem das CT, em função da característica deposicional desses escoamentos. Esse fato, juntamente com o incremento das concentrações (cb) e tensões (τb) junto ao fundo, resultou em formas de fundo com maiores λ em todas as CT, em relação às CS. Ao longo da seção jusante (a partir do 10º m), a inclinação de leito foi equivalente para as CT e CS e, por isso, considerou-se viável a comparação das dimensões das ondulações nessa região do canal. Diferentemente da seção montante, essa região do canal, a distribuição vertical das velocidades e concentrações e, consequentemente, as estratificações verticais, foram semelhante para ambos os tipos de corrente. Os valores de λ e η das formas de fundo geradas por ambos os tipos de corrente de densidade foram muito próximos, mas ligeiramente maiores quando gerados pelas CS. Esse fato é atribuído aos maiores valores de cb e d50 dos grãos presentes no leito das CS, os quais, por sua vez, influenciaram no acréscimo dos valores de urms junto ao fundo. Isto posto, o presente estudo concluiu que CS podem ser utilizadas experimentalmente na reprodução de formas de fundo do tipo ondulações, como substitutas de CT diluídas (Cvol < 1%, Cvol,b < 2%), cenário reproduzido na seção jusante do canal. Essa condição foi alcançada pela diluição das CT, que permitiu a aproximação das suas condições hidráulicas àquelas observadas nas CS, no que se refere, principalmente, às distribuições de concentrações e velocidades, o que acabou por garantir, também, semelhanças nos mecanismos de geração das formas de fundo. A metodologia desenvolvida foi eficaz no atendimento dos objetivos propostos, uma vez que permitiu a identificação de diferenças nos parâmetros hidráulicos e sedimentológicos das CS e CT, e a associação desses mecanismos à geração das ondulações, ao longo do espaço e do tempo. Além disso, o papel da suspensão de sedimentos na alteração dos processos turbulentos e da estratificação correntes de densidade foi evidenciado. Os resultados desse estudo apresentam semelhança com parâmetros medidos em sistemas deposicionais encontrados na natureza. As ondulações geradas no modelo físico representam aquelas encontradas em regiões posicionadas nas bordas de depósitos turbidíticos, nas quais as correntes de turbidez apresentam baixas velocidades e geram depósitos de menores espessuras e tamanhos de grão. Os perfis normalizados das correntes supercríticas deste estudo são similares àqueles observados em correntes de turbidez presentes no Canyon Monterey, sugerindo que os resultados experimentais podem ser usados para interpretar os fluxos responsáveis pela formação da arquitetura dos principais sistemas submarinos. Por fim, cabe mencionar que os dados obtidos a partir do desenvolvimento desse trabalho são adequados para elaboração e/ou calibração de modelos de simulação numérica, uma vez que foram baseados no uso de correlações e parâmetros adimensionais que amparam a caracterização do leito móvel, das correntes de densidade, e dos mecanismos de interação entre esses meios.

Density currents are flows established by the density difference between the current and the ambient fluid, which can be triggered by difference in salinity, temperature, or suspended sediment concentration. Turbidity currents are a type of density currents whose difference in density is generated by the presence of sediments in suspensions. These currents are capable of excavating canyons in the continental slope and depositing their sediments along submarine fans, regions with lower slopes. Turbidites are deposits generated by turbidity currents, which have good porosity and permeability, being potential hydrocarbon reservoirs, aspects that cause interest from oil industry and research groups. Bedforms are sedimentary structures generated by the interaction of these flows with the ocean floor, which provide data for support interpretation of hydraulic properties of the currents. Physical modeling is a tool widely used in the study of bedforms, in which salt mixtures are often used to represent turbidity currents, due to its easy operation and data collection. Although saline currents are also observed in oceans, and capable of generating bedforms, they are not capable of generating turbidites. Therefore, little is known about the impacts of using saline mixtures regarding the experimental reproduction of hydraulic processes, sediment transport and the ability to generate and develop similar bedforms. Thus, the present study aimed to experimentally investigate hydraulic and sedimentological processes involved in the generation and development of bedforms, by two types of density currents, saline (SC) and turbidity currents (TC). Three different flow discharges were used for each type of current (270, 320 and 370 L min-1), which were pumped to the entrance of an 18- m long, 0.20-m wide acrylic flume built inside a bigger tank, which was filled with tap water before each run. Velocity and concentration profiles were measured in four different locations, by using UVP and ADV probes and samplers composed of tubes and siphons vertically distributed and their data results indicated that all currents were supercritical (Frd > 1), and fully turbulent (42566 < Reynold number < 66850). Pictures of the deposit obtained from the top and laterally allowed the spatial analysis of wavelengths (λ) and heights (η) of the generated bedforms, and the grain size distribution was determined by samples collection and laser particle size analyzer. Ripples were observed in all six experiments, according to its dimensions, to values of near bed shear stresses (τb) and grain Reynolds values (Re*), to the absence of sediment entrainment, and supported by bedforms stability diagrams. The upstream section of the flume (up to the 10th meter) had its slope increased during the three TC experiments, due to the depositional characteristic of these flows, which, additionally to the increase in near bed concentrations (cb) and shear stresses (τb), resulted in longer bedforms, in relation to those generated by SC. Along the downstream section (from the 10th meter), bed slopes were similar for all experiments and, therefore, it was considered feasible to compare ripples dimensions along this region of the flume. Throughout this region, the dilution and low deposition rates of the TC allowed the hydraulic conditions of these flows to approach those observed in the SC, such as concentrations and velocity distributions. Results were effective in identifying differences in spatial and temporal variations of the hydraulic and sedimentological parameters of SC and TC, demonstrating the role of the suspension of sediments in altering turbulent processes and vertical stratification of these flows, depending on their concentrations. The methodology developed was effective in meeting the proposed objective, since it allowed the identification of differences in variations in the hydraulic and sedimentological parameters of SC and TC, demonstrating the role of the suspension of sediments in altering turbulent processes and vertical stratification of these flows. Bedforms generated in the physical model represent ripples that can be found at downstream zones of turbidites, in which TC develop lower velocities and generate thinner deposits composed of finer grains. The normalized profiles of the experimental supercritical currents of this study scale up well with observations of field-scale turbidity currents in the Monterey Canyon. This suggests that the experimental results can be used to interpret the flows responsible for forming the architecture of major submarine canyon-fan systems. Finally, it is worth noting that the data obtained from this work are satisfactory in the development and / or calibration of numerical simulation models, since they were based on the use of correlations and dimensionless parameters that support the characterization of mobile beds, density currents, and the mechanisms of interaction between these environments.