Orientador: Giorgio Basilici

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociências

Resumo: Simulações físicas de correntes de densidade em escala reduzida têm sido desenvolvidas para o entendimento dos processos físicos que ocorrem nos eventos naturais. O presente trabalho apresenta modelagens físicas de fluxos gravitacionais realizadas em tanque com forma de canal...

Resumo: Simulações físicas de correntes de densidade em escala reduzida têm sido desenvolvidas para o entendimento dos processos físicos que ocorrem nos eventos naturais. O presente trabalho apresenta modelagens físicas de fluxos gravitacionais realizadas em tanque com forma de canal (4,5x0,15x0,5m). O objetivo foi o entendimento dos processos hidrodinâmicos e deposicionais de tais fluxos, mediante variações de vazão e concentração. Os dados obtidos experimentalmente foram correlacionados com informações extraídas de afloramentos e do monitoramento dos eventos naturais, obtidas na literatura. Os sedimentos eram constituídos por 30% carvão, 30% ballotini e 40% caulim do volume total de massa da mistura, com frações granulométricas entre argila e areia fina. Foram simuladas correntes: i) com vazão constante e alta concentração (20%); ii) com vazão constante e baixa concentração (10%); iii) com vazão variada e alta concentração (20%); iv) com vazão variada e baixa concentração (10%). As variações da vazão foram diretamente proporcionais às variações da altura e velocidade da corrente. A maior intensidade das vazões e das velocidades ocasionou uma maior força de resistência do fluído ambiente. O desenvolvimento da altura da corrente foi favorecido devido a essa ação de reação da água ambiente. A variação da concentração foi diretamente proporcional à variação da velocidade e inversamente proporcional à variação da altura da corrente. Esse comportamento foi explicado pelo número de Reynolds. O aumento da concentração do fluxo ocasionou a diminuição da intensidade da turbulência e das alturas desenvolvidas pelo corpo da corrente. Quanto menor a viscosidade de um fluxo, maior é o número de Reynolds, e seu escoamento tende a caracterizar um fluxo turbulento. As correntes apresentaram estratificação vertical de densidade (fluxo bipartido). A porção inferior foi caracterizada pelo fluxo cisalhante basal, onde a deposição ocorreu por progressiva gradação, e pelo fluxo laminar ou região de plug, onde a deposição ocorreu por congelamento em massa. A porção superior foi caracterizada pelo fluxo de turbidez cujo mecanismo de deposição foi a decantação e tração. O aumento da concentração favoreceu o desenvolvimento do debris flow. A porção superior turbulenta foi substituída por uma nuvem diluída de grãos finos. Os sedimentos apresentaram tendência de acumulação na porção proximal do tanque, com diminuição da espessura e frações granulométricas dos depósitos em direção à porção distal. Concluiu-se que o aumento da concentração implicou no aumento da massa do depósito, porém a sua espessura tendeu a permanecer constante. Os grãos foram transportados para mais longe, o que fez com que o comprimento do depósito aumentasse. Isso foi decorrente da interação entre os grãos, a qual favoreceu a capacidade de transporte e inibiu a decantação dos sedimentos (hindered settling). As correntes simuladas corresponderam aos fluxos gravitacionais subcríticos monitorados na natureza, cujos sedimentos foram representados por grãos de tamanho entre areia muito fina e seixos. Os resultados experimentais apresentaram analogia com a Unidade Apiúna, localizada na Bacia do Itajaí (Santa Catarina/Brasil), a qual representa uma seqüência clássica de depósitos de água profundo

Abstract: Physical simulations of density currents in small scale have been developed to study the physical processes that occur in natural events. The present study deals with laboratory models in flume of gravitational flows (4,5x0,15x0,5m). It was devoted to understanding hydrodynamic and...

Abstract: Physical simulations of density currents in small scale have been developed to study the physical processes that occur in natural events. The present study deals with laboratory models in flume of gravitational flows (4,5x0,15x0,5m). It was devoted to understanding hydrodynamic and depositional processes, depending on variations in discharle and concentrations of density currents. The experimental data were correlated with information derived from outcrops and monitoring of natural events, which were obtained from literature. Sediments used in the model consisted of 30% coal, 30% silica and 40% kaolin, with grain size range between clay and fine sand. The currents ran down with i) constant discharle and high concentration; ii) constant discharle and low concentration; iii) varied discharle and high concentration; iv) varied discharle and low concentration. Discharle variations were directly proportional to height and velocity variations of the flow. The highest intensity of flows and velocities resulted in greater resistance force from the fluid environment. The development of high current was favored because of this response action of the fluid environment. Concentrations variations were directly proportional to the velocity and inversely proportional to the height variations of the flow. This behavior was explained by Reynolds number. Flow concentration increases caused the decrease of turbulence intensity and the decrease of heights carried by the current. The currents showed density stratified profile (bipartite flow). The sediments were deposited by progressive aggradations from a basal shear flow, by "freezing" en masse from laminar flow and by settling and traction from turbulent/dilute flow. The increase in concentration favored the development of debris flow. The upper turbulent flow was replaced by a dilute cloud of fine grains. The sediments showed a tendency to accumulate in the proximal portion of the flume with deposit thickness and grain size range decreasing towards the distal portion of the flume. The increase in discharle and concentration resulted in increase of the depositional mass, but its thickness tended to remain constant. The grains were transported over longer distances, which meant that the length of the deposit increase. This was due to the interaction among the grains, which increased the carrying capacity and inhibited the settling of sediments (hindered settling). The simulated currents corresponded to subcritical gravity flows monitored in nature, whose sediments were represented by grain size between fine sand and pebbles. The experimental results showed analogy with Apiúna Unit, located in the Itajaí Basin (Santa Catarina/Brazil), which represents a classic sequence of deep water deposits