Morfodinâmica e condição de equilíbrio do leito sob a ação de correntes de turbidez

Abstract

Ensaios experimentais foram realizados com o intuito de criar condições ao escoamento das correntes de turbidez a alcançar um estado de equilíbrio dinâmico, o qual é associado à escoamentos com alta capacidade de transferência de sedimentos para a bacia submarina. De-vido à sua imprevisibilidade e dificuldades de medição, os dados obtidos em ambientes natu-rais das correntes de turbidez são escassos, porém sua importância na geração de reservas de hidrocarbonetos é amplamente reconhecida. Duas séries experimentais foram realizadas, para tanto, um canal unidirecional (5,38 m (C) x 0,30 m (L) x 0,38 m (A)) foi utilizado, sob uma declividade de 3°. As correntes foram compostas por caulim fino (ds = 23um) e uma des-carga contínua ( q = 21/s) foi mantida em todo o experimento. Nos ensaios de maior concen-tração (Fase A – Cv = 2,7%), o escoamento acelerou ao longo do tempo, diluindo-se e di-minuindo a resistência junto ao leito. Já a Fase B (menor concentração – Cv = 1,25%) indica uma retração do fluxo (redução na espessura), desenvolvendo uma camada basal de maior concentração e cisalhamento. O estado de equilíbrio do escoamento, a partir da formação e equilíbrio das formas de fundo, foi atestado através da análise dos modelos teóricos e das equações governantes, sendo função do número de Richardson normal (RiN ≈ 0,41). Inclusi-ve, o escoamento assemelhou-se ao escoamento uniforme em canal, de modo que, para uma mesma descarga, o escoamento ajustou-se a uma mesma declividade (S ≈ 0,07) e coeficiente de resistência (cf ≈ 0,015). Os resultados indicam para a potencialidade das correntes de tur-bidez em gerar as chamadas Ondas Sedimentares, estruturas encontradas em ambientes natu-rais semelhantes às antidunas fluviais. A evolução temporal da declividade e sua importância para obtenção de um estado de equilíbrio, indica que, através da manutenção de uma descarga de sedimentos (e.g. por cheias fluviais, instabilidades de acumulação deltaica), as correntes tem capacidade de alcançar um estado de equilíbrio com o leito, mesmo em regime de deposi-ção. Boas correlações dos experimentos simulados com o uso de modelos de previsão de for-mas de fundo fluviais e a desenvolvimento similar das ondulações geradas são novos indícios que atestam a semelhança entre os mecanismos de geração e formação das formas de fundo às geradas por escoamentos fluviais. Além disso, a caracterização da camada basal da corrente, responsável pela maior parte do transporte sedimentar e com perfis característicos semelhan-tes aos de escoamento fluviais, geraram melhor correlação dos dados experimentais com os modelos fluviais.

Turbidity currents were simulated in laboratory in order to allow the flows to reach an dynamic equilibrium condition, which is related to natural flows of great potential of transfer-ring sediment into the submarine basin. Natural observation and measurements from turbidity currents are very rare due to its unpredictability and difficulties, however its role in the gener-ation of hydrocarbons reservoirs it is widely recognized. Two experimental series were per-formed with the use of an unidirectional tank (5,38 m long, 0,30 m wide and 0,38 m high), which sited in a slope of 3 degrees. The flows were composed by kaolin (ds = 23um) and fed the tank continuously with the same discharge (q = 21/s). High concentration (Phase A – Cv = 2,7%) flows accelerated trough time, diluting it and reducing shear on the bed. Phase B experiments (low conc. – Cv = 1,25%) indicated flow retraction (lower H and U) and the development of a high concentration basal layer, together with higher bed shear. The equilib-rium stage between the flow and the bedforms was verified with the use of theoretical models and governing equations, at the end it was verified that it was a function of the normal Rich-ardson number (RiN ≈ 0,41). Plus, a similar behavior of the flow with uniform open channel flows was verified, in a way that for a given discharge, the flow was set to the same slope (S ≈ 0,07) and drag coefficient (cf ≈ 0,015). Also, new results indicate the potential of tur-bidity currents to generate sedimentary waves, particular features found in natural environ-ments generally associated with antidunes. The temporal evolution of the bed slope was very relevant to the flow equilibrium stage; so that in the natural environment periodic discharges (e.g. river floods, instabilities of deltaic accumulation) could allow turbidity currents reach an equilibrium stage with the bed through deposition. Good correlation with experimental data of fluvial bedforms prediction models and similar development of resulting ripples are new evi-dence of similarity between mechanisms of generation and evolution of the fluvial and turbid-ity currents bedforms. Besides that, an improvement of the correlation was observed when characteristic scales of the basal layer were used, which is a region of high sediment transport having typical profiles very similar to fluvial ones.