Отложение – это геологический процесс, при котором осадки , почва и камни добавляются к форме рельефа или массиву суши . Ветер, лед, вода и гравитация переносят ранее выветрившийся поверхностный материал, который при потере достаточной кинетической энергии в жидкости откладывается, образуя слои отложений.
Это происходит, когда сил, ответственных за транспортировку отложений, уже недостаточно для преодоления сил гравитации и трения , создающих сопротивление движению; это известно как гипотеза нулевой точки. Отложение также может относиться к накоплению отложений в результате органических веществ или химических процессов . Например, мел частично состоит из микроскопических скелетов карбоната кальция морского планктона , отложение которых вызвало химические процессы ( диагенез ) с образованием дополнительного количества карбоната кальция. Точно так же образование угля начинается с отложения органического материала, главным образом растений, в анаэробных условиях.
Гипотеза нулевой точки объясняет, как отложения откладываются по профилю берега в зависимости от размера их зерен. Это происходит из-за влияния гидравлической энергии, что приводит к измельчению частиц отложений по размеру в сторону моря, или когда воздействие жидкости равно силе тяжести для каждого размера зерна. [2] Эту концепцию также можно объяснить следующим образом: «осадки определенного размера могут перемещаться по профилю до положения, в котором они находятся в равновесии с волной и потоками, действующими на это зерно отложений». [3] Этот механизм сортировки сочетает в себе влияние силы тяжести профиля, направленной вниз по склону, и сил, возникающих из-за асимметрии потока; положение, в котором нет чистого переноса, известно как нулевая точка и было впервые предложено Корнальей в 1889 году. [3] Рисунок 1 иллюстрирует эту взаимосвязь между размером зерен отложений и глубиной морской среды.
Первый принцип, лежащий в основе теории нулевой точки, обусловлен гравитационной силой; более мелкие отложения остаются в толще воды в течение более длительного времени, позволяя транспортировке за пределы зоны прибоя откладываться в более спокойных условиях. Гравитационный эффект или скорость осаждения определяет место отложения более мелких отложений, тогда как внутренний угол трения зерна определяет отложение более крупных зерен на профиле берега. [3] Вторичный принцип создания осадочных пород со стороны моря известен как гипотеза асимметричных порогов под волнами; это описывает взаимодействие между колебательным потоком волн и приливами, текущими по формам дна волновой ряби по асимметричной схеме. [4] «Относительно сильный удар волны на берегу образует вихрь или вихрь на подветренной стороне ряби. При условии, что береговой поток сохраняется, этот вихрь остается в ловушке с подветренной стороны ряби. Когда поток меняет направление, вихрь отбрасывается вверх от дна, и небольшое облако взвешенных отложений, созданное вихрем, выбрасывается в толщу воды над рябью, затем облако отложений перемещается в сторону моря под действием волны от берега». [4] Там, где форма ряби симметрична, вихрь нейтрализуется, вихрь и связанное с ним облако отложений развиваются по обе стороны от ряби. [4] Это создает мутный столб воды, который перемещается под воздействием приливов, поскольку орбитальное движение волны находится в равновесии.
Гипотеза нулевой точки была количественно доказана в гавани Акароа , Новая Зеландия, Уош , Великобритания, заливе Бохай и Вест-Хуан-Сера, материковый Китай, а также во многих других исследованиях; Иппен и Иглсон (1955), Иглсон и Дин (1959, 1961) и Миллер и Зейглер (1958, 1964).
Крупнозернистые отложения, переносимые либо пластовой нагрузкой, либо взвешенной нагрузкой, останавливаются, когда напряжение сдвига в пласте и турбулентность жидкости недостаточны для поддержания движения отложений; [4] с подвешенным грузом это может быть некоторое расстояние, поскольку частицам приходится проваливаться сквозь толщу воды. Это определяется тем, что сила веса зерна, действующая вниз, сочетается с объединенной силой плавучести и сопротивления жидкости [4] и может быть выражена следующим образом:
Сила веса, действующая вниз = сила плавучести, действующая вверх + сила сопротивления жидкости, действующая вверх [4]
где:
Чтобы рассчитать коэффициент сопротивления, необходимо определить число Рейнольдса зерна, которое зависит от типа жидкости, через которую протекает частица осадка: ламинарный поток, турбулентный поток или гибрид того и другого. Когда жидкость становится более вязкой из-за меньшего размера зерен или большей скорости осаждения, прогноз становится менее однозначным и применим для учета закона Стокса (также известного как сила трения или сила сопротивления) осаждения. [4]
Сцепление осадка происходит с зернами небольшого размера, связанными с илами и глинами, или частицами размером менее 4φ по шкале фи . [4] Если эти мелкие частицы остаются диспергированными в толще воды, к скорости осаждения отдельных зерен применяется закон Стокса , [4] хотя из-за того, что морская вода является сильным связующим веществом электролита , происходит флокуляция , когда отдельные частицы создают электрическую связь, прилипая друг друга, образуя скопления. [4] «Лицевая сторона глиняной пластинки имеет небольшой отрицательный заряд, тогда как край имеет небольшой положительный заряд, когда две пластинки находятся в непосредственной близости друг от друга, поверхность одной частицы и край другой притягиваются электростатически». [4] В этом случае хлопья имеют более высокую общую массу, что приводит к более быстрому осаждению за счет более высокой скорости падения и осаждению в направлении, более близком к берегу, чем это было бы в случае отдельных мелких зерен глины или ила.
Гавань Акароа расположена на полуострове Бэнкс , Кентербери, Новая Зеландия , 43 ° 48' ю.ш., 172 ° 56' в.д. / 43,800 ° ю.ш., 172,933 ° в.д. / -43,800; 172,933 . Формирование этой гавани произошло в результате активных эрозионных процессов на потухшем щитовом вулкане, в результате чего море затопило кальдеру, образовав залив длиной 16 км, средней шириной 2 км и глубиной -13 м относительно средний уровень моря в точке 9 км вниз по разрезу центральной оси. [5] Преобладающая энергия штормовых волн имеет неограниченное распространение во внешнюю гавань с южного направления, с более спокойной обстановкой во внутренней гавани, хотя локализованные портовые бризы создают поверхностные течения и отломки, влияющие на процессы морских отложений. [6] Отложения лёсса последующих ледниковых периодов на протяжении тысячелетий заполняли вулканические трещины, [7] в результате чего вулканический базальт и лёсс стали основными типами отложений, доступными для отложения в гавани Акароа.
Харт и др. (2009) [5] посредством батиметрической съемки, ситового и пипеточного анализа сублиторальных отложений обнаружили, что текстура отложений связана с тремя основными факторами: глубиной, расстоянием от береговой линии и расстоянием вдоль центральной оси гавани. Это привело к мельчению текстур отложений с увеличением глубины и по направлению к центральной оси гавани, или, если классифицировать их по размерам классов зерен, «построенный разрез для центральной оси проходит от илистых песков в приливной зоне до песчаных илов во внутренней части гавани». у берега, до ила во внешних участках заливов, до ила на глубинах 6 м и более». [5] Подробности см. на рис. 2.
Другие исследования показали этот процесс отсеивания зерен осадка под действием гидродинамического воздействия; Ван, Коллинз и Чжу (1988) [8] качественно коррелировали увеличение интенсивности воздействия жидкости с увеличением размера зерна. «Эта корреляция была продемонстрирована на низкоэнергетических глинистых приливных отмелях залива Бохай (Китай), в умеренной среде побережья Цзянсу (Китай), где донный материал илистый, и на песчаных отмелях высокоэнергетического побережья Уош ( Великобритания). )" Это исследование показывает убедительные доказательства существования теории нулевой точки на приливных отмелях с разными уровнями гидродинамической энергии, а также на отмелях, которые являются как эрозионными, так и аккреционными.
Кирби Р. (2002) [9] развивает эту концепцию, объясняя, что мелкие частицы взвешиваются и перерабатываются в воздухе в море, оставляя после себя отложения основных раковин двустворчатых моллюсков и брюхоногих моллюсков, отделяющиеся от более мелкого субстрата под ними, волны и течения затем складывают эти отложения в кучу. образуют хребты Шенье по всей приливной зоне, которые имеют тенденцию подниматься вверх по профилю береговой линии, а также вдоль прибрежной полосы. Шенье можно найти на любом уровне береговой линии и преимущественно характеризуют режим, в котором преобладает эрозия. [9]
Теория нулевой точки вызвала споры в плане ее принятия в основной науке о прибрежных зонах, поскольку теория работает в условиях динамического равновесия или нестабильного равновесия, и многие полевые и лабораторные наблюдения не смогли воспроизвести состояние нулевой точки при каждом размере зерна по всему профилю. [3] Взаимодействие переменных и процессов с течением времени в контексте окружающей среды вызывает проблемы; «Большое количество переменных, сложность процессов и трудность наблюдения — все это создает серьезные препятствия на пути систематизации, поэтому в некоторых узких областях основная физическая теория может быть обоснованной и надежной, но пробелы велики» [ 10]
Геоморфологи, инженеры, правительства и проектировщики должны знать о процессах и результатах, связанных с гипотезой нулевой точки, при выполнении таких задач, как питание пляжей , выдача разрешений на строительство или строительство сооружений береговой обороны . Это связано с тем, что анализ размера зерен отложений по всему профилю позволяет сделать вывод о возможных скоростях эрозии или аккреции, если изменить динамику берега. Планировщики и менеджеры также должны осознавать, что прибрежная среда является динамичной, и перед осуществлением любого изменения профиля берега следует оценить контекстуальную науку. Таким образом, теоретические исследования, лабораторные эксперименты, численное и гидравлическое моделирование призваны ответить на вопросы, касающиеся прибрежного дрейфа и отложения осадков; результаты не следует рассматривать изолированно, а значительный объем чисто качественных данных наблюдений должен дополнять любое решение по планированию или управлению. [2]
