Sedimentologia - transporte de partículas

Oi, eu sou Renato Almeida, do Instituto de Geociência da Universidade de São Paulo, e essa é uma vídeo-aula do nosso sistema de vídeo-aulas em Geologia Sedimentar. Hoje a gente vai ter a primeira vídeo-aula sobre isso, de metodologia, que discute partículas, transporte e deposição.

Vamos falar inicialmente sobre a classificação das partículas elementares pelo tamanho e a grande relação. Vamos discutir um pouco das formas em que a água se move para transportar as partículas, discutir fluxo laminar e turbulento, e vamos ver como se dará o início do transporte das partículas por água corrente. Discutir o conceito de potência da corrente, a capacidade de transporte, é pensada de uma forma quantitativa; conceito de potência unitária também, e os modos de transporte.

Não é padrão na geologia sedimentar a gente se referir às partículas pelo tamanho delas; a composição aqui não interessa tanto, mas a gente tem uma classe que a gente chama de areia, uma classe que a gente chama de silt, argila e cascalhos. É bem básico da geologia sedimentar; a em qualquer livro introdutório. E essa divisão é ela a partir de uma visão mais antiga, e basicamente areia é o que você enxerga a olho nu; um consegue ver o grão num microscópio ótico e não consegue mais reagir. Mas tem uma divisão numérica para isso, né? Então, em milímetros, a separação entre a argila e cascalho é 2 milímetros. Morta em 2003, a cascavel une a divisão todo em milímetros, e a gente reparar isso que são potências de dois, né? Esses termos aqui em português têm uma certa variação para o cascalho grande: seixo, calhau, matacão; é o que eu costumo usar. A areia é dividida em média, fina, muito fina e grossa, muito grossa. O silt também tem uma divisão interna. Então isso aqui é uma coisa importante porque os depósitos sedimentares e as rochas sedimentares se organizam por processos hidrodinâmicos e granulações diferentes. Quer dizer, o transporte pela água, pelo vento, às vezes até por outros meios, pode separar as frações granulométricas que vêm da fonte e deixar depósitos com uma assinatura granulométrica específica.

Para a gente entender como é que a água faz isso aí, tem que distinguir entre fluxo laminar e fluxos turbulentos, e perceber que essa turbulência é um fenômeno fundamental no transporte das partículas. A água é um meio que transporta partículas com eficiência, por cento lenta. Então, aqui tem a questão do número de Reynolds, em que é uma medida da turbulência num determinado fluxo. Não existe uma divisão específica entre o turbulento do que laminar; normalmente se usa um critério que depende da aplicação que você está usando. Mais números de Reynolds abaixo de 500 são classificados por muitos como laminares; é claro que precisa ser laminar de verdade, ele tem que ser muito baixo. E fluxos plenamente turbulentos acima de 2000. O que é um fluxo laminar? É quando você tem uma água corrente; isso porque isso aqui, a água corrente, é a base desse fluxo e todas as linhas de transporte internas a esse fluxo são retas. Então, se você olhar em planta, se você colocasse um traçador nessa água, um fio de tinta, esse fio de tinta ia correr reto sem nenhuma... é claro que nem na água corrente e precisa de condições muito específicas para acontecer. A gente vai dar uma olhada na empasa um fluxo laminar. Diferente disso, tem uma direção média, uma velocidade média, mas se você pegar qualquer parte do fluxo em um determinado momento, tá cheio de células de turbulências internas. Então, se você pega esse trecho aqui específico e ainda para traçar, mas isso varia no tempo e no espaço, com a turbulência. É uma forma de dissipar a energia, né? O que promove essa turbulência? Aumenta o número de Reynolds: um aumento da velocidade ou um aumento da densidade do fluxo. Olha que interessante: densidade aumenta a turbulência, mas a viscosidade diminui. Velocidade reduz a turbulência; quanto mais viscoso for o fluxo, menos turbulento; quanto menos viscoso, mais turbulento; quanto mais rápido, mais turbulento; quanto mais lento, menos turbulento. E essas relações são lineares, né? E tem um outro elemento importante aqui, é um elemento de escala. Se você pensa num canal ou um tubo, e se ela que seriam a profundidade do canal, o diâmetro do tubo, mas isso pode ser pensado também como a dimensão de um objeto que passa pela água: um barco, por exemplo, um organismo vivo está nadando. Então, quanto maior esse objeto, maior esse objeto, maior Reynolds. Só tem um objeto grande e que vale até uma viscosidade menor. É interessante porque quando você vê organismos muito pequenos se movendo na água, dá a nítida impressão que eles têm mais força do que a gente está acostumado, né? Porque como L deles é menor, o Reynolds equivalente até um objeto do nosso tamanho não fluindo muito mais viscoso. Então esses parâmetros aqui, numa equação bem simples de ter, não se vai terminar o turbulento.

E na natureza, a gente vai encontrar fluxos laminares em água só se a água for muito lenta. A densidade e a viscosidade variam um pouco da água, né, só com a temperatura, é verdade, mas é muito pouquinho, e você vai ter efeitos laminares em águas muito lentas ou em áreas que estão sendo avaliadas por objetos muito pequenos, no entorno de uma partícula, muito perto do fundo, o fluxo laminar. Mas tomado de uma forma geral, na natureza, a água é quase sempre fluxo turbulento. Então, quais são os fluxos especiais assim grandes que são laminares na natureza? Bom, alguns fluxos de lama muito densos, alguns derrames de lava, com os derrames de lava em geral, a viscosidade é muito baixa. Então isso aqui está nos livros de sedimentologia, mas na verdade a gente vai dar só com fluxos turbulentos. Aguiar o fluxo laminar é um efeito de fundo ou de contorno em volta do grão que tem uma relevância muito grande, mas quando se observa no detalhe, seja uma parte do fluxo como laminar, geralmente no fundo em contato com os grupos. Então é isso que a gente tem que imaginar. É porque se você tem uma água corrente, você tem uma água corrente com uma certa inclinação, o que acontece é que a velocidade dessa água média, claro, porque é um fluxo turbulento, como a gente já viu, né? A média vai ser um pouquinho abaixo da superfície, porque perto da superfície tem um atrito com a... essa velocidade cai em direção ao fundo por causa do atrito com o fundo. O mesmo efeito acontece nas bordas. Então a gente tem um perfil de velocidades que tem uma redução perto do fundo; perto do fundo essa redução tende a ser linear com a profundidade. E se a gente olha essa região aqui, ela está em funcionamento, nessa pequena região de baixa velocidade, com a densidade e a viscosidade da água, ela está em fim de laminar, e o fluxo como geral aqui para cima é turbulento. Isso aqui é chamado por alguns autores em alguns livros de subleito viscoso, porque a gente pode entender Reynolds como uma briga entre componentes inerciais e componentes de viscosidade. A gente pode pensar que velocidade, a que velocidade e tamanho e densidade ajudam a inércia do fluxo, e a viscosidade se opõem a ela. São componentes iniciais, têm de aumentar a turbulência, porque qualquer irregularidade vai sempre ficar, dá, né? Se o fluxo era para cá, ele encontra um obstáculo, que pode ser também uma outra massa d’água, e a divergir de viagem nessa direção, a inércia tende a amplificar essa turbulência, enquanto a viscosidade tende a restringir e manter isso reto. Então é uma guerra entre a inércia e a viscosidade, e a gente tem por esse motivo uma designação de subleito viscoso para essas coisas que estão aqui com Reynolds muito baixos. Isso tem uma implicação muito grande no transporte sedimentar e no início do movimento das partículas. Isso aqui é uma questão importante porque as componentes verticais da turbulência elas têm uma relevância muito grande; com turbulência em todas as direções, né? Mas as componentes verticais da turbulência têm uma importância muito grande e importante para iniciar um movimento de partículas e manter as partículas em movimento.

Então se a gente imagina um fundo de uma corrente de água, um fundo de uma corrente de água e um perfil parecido com aquele que a gente estava vendo na superfície da água aqui, o fluxo com velocidade maior diminuindo em profundidade; do subleito viscoso, se a gente tem uma partícula aqui no detalhe, essa partícula é menor que o subleito viscoso, o grão está aqui dentro, é difícil colocar em movimento porque as componentes verticais da turbulência não estão afetando isso aqui; o fluxo é laminar. Então, como que se inicia um movimento dessa partícula? Bom, laminar, mas ela é mais rápida em cima do que em baixo, então só isso pode induzir uma componente de assentamento e seguir até a forma adequada. Se ele for febre, ele pode girar, mas para você arrancar realmente ele do repouso, tem processos que podem ser mais eficientes do que esse. Então se o grão é realmente esférico, tem uma primeira possibilidade, que é ele ser removido dessa posição porque a pressão acima do grão fica menor do que em baixo. Conceito esférico, ele toca o fundo num ponto, então passa embaixo dele também é só um ponto que toca no fundo, e se essa água que passa embaixo é mais lenta do que a água que passa em cima, a gente tem um efeito parecido com o da asa do avião; a pressão menor em cima do que em baixo faz uma componente para cima do grão, pode ser removido do repouso. Uma outra questão que pode acontecer e ela é mais relevante se o grão for maior do que o subleito viscoso é o fluxo que passa e sofreu interferência pelo grão que passa em volta aqui e passa em cima, e isso gera uma turbulência. A presença do grão já era turbulento e essa turbulência vai ter componente para todos os lados, claro, por isso para baixo da turbulência vão ser forças normais porque está em repouso, apoiado no fundo, mas as componentes para cima não são... essas componentes para cima podem induzir... da turbulência gerada pela própria presença do grão podem induzir o movimento para cima que retira o grão do fundo. Se o grão não sair do fundo, ele vai para velocidades cada vez maiores no fluxo; velocidades cada vez maiores e mais turbulência é mais fácil manter em movimento, assim tirar o grão do fundo é uma coisa difícil, e se tiver uma forma inadequada, por exemplo, se ele for um grão plano, ou de tabular, está só no subleito viscoso, é muito difícil tirar ele. Há a questão assim: o tamanho da partícula é maior que o subleito viscoso, o topo dela que está em uma zona mais turbulenta de maior velocidade é mais fácil esse efeito acontecer, e é um efeito que tem mais eficiência em tirar as partículas daí. Se as partículas forem muito pequenas em relação ao subleito viscoso aqui embaixo, e ainda mais se tiver em formas que facilitam a passagem da água sem gerar turbulência, mantendo o caráter laminar do subleito viscoso, aí é difícil tirar essa partícula do repouso. E depois que tira do repouso, que normalmente é discutir em, discutir o transporte sedimentar nesses termos aqui. Então tem um modo de transporte que a gente chama de arrasto. Uma partícula é razoavelmente grande e é transportada pelas componentes da corrente que estão atuando na superfície da partícula; pode ser arrastada no fundo; geralmente é um modo de transporte de fragmentos grandes, de seis para cima. Sejus também é uma forma adequada, vão sofrer aquele efeito de assentamento, porque a velocidade da água perto do fundo é menor do que mais longe; então o topo tem a velocidade maior do que a base, isso induz o rolamento da partícula. Isso aqui é um modo de transporte, funciona muito para partículas maiores, também partículas menores, por exemplo, na fração areia muito grossa, areia, depende da velocidade do fluxo, podem ser transportadas por saltação. E o que é isso? A partir do momento que ela foi retirada do repouso, a partir dela tava aqui, foi retirada do repouso por uma componente vertical para cima da turbulência, ela vai para águas cada vez mais rápidas, e é claro que ela vai ter uma trajetória totalmente nem ardem a turbulência do fluxo, ela vai para águas cada vez mais... ela tem uma densidade maior do que a da água, então ela tende a descer aqui, ela foi para velocidades grandes e depois ela desce voltando para velocidades menores; faz uma trajetória desse tipo. Na hora que ela chega no fundo, ela pode ficar, ela bate e é logicamente devolvida para... assim ela fica nesse modo de saltação. É claro que o comprimento de onda média dessas oscilações vai depender da massa da partícula; então partículas maiores podem fazer uma saltação mais perto do fim, uma saltação curta, partículas menores, uma saltação mais longa. Existe um outro modo de transporte que é a suspensão, que mesmo a partícula sendo mais densa do que a água, ela se mantém sem tocar o fundo por muito tempo. Então ela vai ser influenciada pela turbulência e vai fazer uma trajetória influenciada pela turbulência e não toca o fundo. Isso acontece se a massa dela for pequeno suficiente para a tendência de ser profundo por, pela gravidade, ser muito pequeno em relação aos componentes vetoriais para todos os lados da turbulência. Então ela é jogada para cima e jogada para baixo pela turbulência com uma energia muito boa, pior do que aquela da, do movimento gravitacional para baixo, então ela tende a ficar em suspensão, como uma pipa no vento forte, né? Se o vento para a pipa cai, mas como o vento é forte, é levada muito longe pelas células de turbulência. Então são esses modos de transporte que a gente vai discutir ao longo de todo o curso sobre sedimentologia e transporte de partículas. Então a gente tem arrastamento, rolamento, saltação, suspensão. E a gente define uma carga de fundo como as coisas que estão sempre no fundo, tocando, filme intermitentemente; então arrasto, rolamento, saltação é carga de fundo, e a carga de suspensão é o que está sendo levado sem tocar o fundo periodicamente, né? É claro que as partículas menores tendem a estar em suspensão e as partículas maiores tendem a estar como carga de fundo, mas dependendo do vigor da corrente a gente pode ter sim areia em suspensão. Então essa ideia de que a carga de suspensão é só argila ou silt, ela não é confirmada pela realidade; areia em carga de suspensão, principalmente em eventos de descarga aumentada de correntes de água, que podem ser consideradas marinhas ou continentais.

Bom, esse diagrama é um diagrama de início de movimento, e a gente tem as nossas relações que a gente discutiu agora pouco aqui em cima: gravações, agir, assiut, areia, grama, ou seja, calhau e atacam a gravação em milímetros aqui embaixo, e a velocidade que o fluxo tem que ter em centímetros por segundo numa profundidade aproximada de um metro de água corrente para iniciar o movimento dessas partículas e para depositar. Então a curva vermelha é a curva de início de movimento e a curva azul é a curva de transporte. Então vamos pegar um exemplo aqui: uma partícula que é de areia grossa. Para iniciar o movimento da areia grossa, a gente precisa de algo em torno de 30 centímetros por segundo neste diagrama. Se a partícula é maior, ela tem mais massa, você vai precisar de velocidades cada vez maiores para iniciar o movimento, e se a partícula é menor, velocidades cada vez menores, até que a gente chega no mínimo, e o mínimo tá aqui na areia fina e no silt grosso. O que é esse mínimo? Esse mínimo é quando o efeito do tamanho do grão começa a interferir. Silt é muito pequeno e por um fluxo de um metro de profundidade com essas velocidades o subleito viscoso é muito maior do que o silt; então é como se o filme fosse liso e o silt não induz turbulência nesse fundo; além do atrito, em ciência, tudo aqui para cima a massa que conta; daqui para baixo, quanto maior o grão, menor turbulência – turbulência linda. E a partir de uma certa relação de silt fino para a argila tem um segundo efeito, além de ter a turbulência inibida, então é difícil colocar a partícula em movimento; a gente tem um segundo efeito que os agentes, minerais têm cargas excedentes na superfície das partículas que fazem com que um grão tenha coesão com o outro. Então o grupo é mais difícil separá-los, então você teria que movimentar todos juntos, fica mais difícil também. Então uma velocidade mínima é para transportar é muito fina, não cite grosso, dali para baixo sete velocidades cada vez maiores, e também para iniciar o transporte pelos dois efeitos combinados: a redução da ociosidade que não induz à turbulência que induzida desse lado, e a coesão das partículas pela presença dos argilos minerais. Já a curva de deposição ela não tem esse efeito: o quanto menor a partícula, menor velocidade que você precisa ter para depositar. Então para coisas nessas relações fino e argila, praticamente você precisa cessar o fluxo, velocidade em muito perto de zero para que ela saia do transporte; quer dizer, basicamente a suspensão e depositar no fundo. Partículas cada vez maiores, velocidade de posição maior, mas sempre é mais... a velocidade de posição é sempre menor do que a velocidade de início de movimento para a mesma gravação. Então colocar a partícula em movimento é mais difícil do que cessar o movimento; é natural, isso acontece por causa do subleito viscoso. Se ela está em movimento, em saltação, por exemplo, uma areia grossa em saltação, colocar em movimento foi difícil porque ela estava lá no subleito viscoso, sob uma energia grande para tirá-lo daí, com componentes verticais da turbulência. Depois que ela entra em saltação, para parar a saltação uma velocidade menor do que aquela para iniciar o movimento. Que o contrário também é verdade: depois que depositou, para iniciar o movimento representa uma velocidade bem maior do que aquela em que ela estava sendo transportada antes. E isso é uma coisa bastante interessante porque a gente já começa a tentar entender onde e quando as partículas são de posição ou quando elas estão depositadas, estão em repouso, estão sendo transportadas; isso vai condicionar toda a dinâmica sedimentar em canais de rios e em depósitos costeiros e sistemas... todo o sistema tiver água corrente levando o sedimento, a gente pode pensar nesses termos de potência da corrente para imaginar onde você tem erosão do sedimento depositado e onde tem deposição e como ficam esses depósitos, né?

Então é interessante a gente pensar em termos de potência, e aqui potência ela tá, tá sendo usada no conceito mecânico, né? A gente tem a potência como, como a dissipação de energia da corrente contra o fundo. Então você tem um objeto, e que no caso é a água que está fluindo numa determinada velocidade e tem uma força que é a força de atrito com as paredes, se opõe a esse movimento; isso gera trabalho, né? Então a gente vai pensar que a potência dada... essa potência aqui é dada num, num embate, mas embate por metro, porque não é o canal inteiro; a gente vai ver isso daqui a pouco. Então você tem um determinado trecho de água corrente, aquele nosso canalzinho, você pega uma medida linear de um metro, e a gente vê o quanto o trabalho está sendo realizado nas margens. Isso é claro que vai ser a densidade da água vezes a aceleração da gravidade vezes a descarga. Com isso a gente vai ter a densidade vezes a gravidade vezes a descarga, vai ser densidade em tonelada por metro cúbico, o quilo aqui para mil quilos por metro cúbico, metro por segundo ao quadrado, e descarga em metro cúbico por segundo. Juntando esses três a gente vai ter o quê? Aquilo vezes metro dividido por metro cúbico, tranquilo, por metro quadrado por segundo ao quadrado. Se você multiplicar pela descarga, o metro quadrado acima corta, então você vai ter aquilo, o metro cúbico, o porto, o metro cúbico sobrou metro em cima e segundo ao cubo em baixo. Note que potência aqui, no vezes metro quadrado por segundo. Okubo, a gente ficou com o quilo metro segundo okubo, por isso que essa nossa medida de potência é watts por metro, porque isso é um watt; a gente não tem metro quadrado em metro, a gente tá com watts por metro. Se você multiplica isso pela declividade do canal, que é adimensional, você tem uma medida da potência da corrente, porque a declividade do canal, essa diferença de altura entre um ponto e outro aqui, vai mudar a potência da corrente. Quanto maior a declividade, maior potência da corrente, para a mesma densidade, a mesma gravidade e a mesma descarga. Você pode pensar que a declividade vai definir a componente paralela ao fluxo dessa força peso, por isso que ela tá aí. Então essa potência ela é um elemento que que é o que age no grão. Então você tem um grão aqui, ele resiste ao fluxo da água no fundo, nas paredes, então ele entra nessa definição; você tem um objeto em movimento com uma certa velocidade, e aí você tem uma força econômica e à energia necessária para mover isso é a potência. Uma coisa útil em sedimentologia é a gente fazer o cálculo dessa potência considerando que o canal tem uma certa largura; só vamos entender por que. Então a gente estava vendo watt por metro linear de comprimento, se a gente divide watts por metro quadrado, considerando também a largura do canal, dividir pela largura do canal, e a gente tem uma potência unitária da corrente. Isso é interessante porque se o canal, se a declividade aumenta, a potência aumenta; se o canal estreita, a potência aumenta também. A gente já pode imaginar onde acontece o transporte, a deposição num determinado canal pensando nesses termos. Imagina que a gente tem um canal aqui, o canal sofre um alargamento, vendo ele implanta o canal sofre alargamento. Então a gente tem a mesma descarga de água, densidade, gravidade aqui do que tem aqui, só que aqui o B que era isso aqui inicialmente aumento. O que acontece com a potência? Ela cai. Então nesses trechos de expansão de frutos, como a gente diz, a expansão do fluxo faz com que a potência unitária caia, e uma coisa que era transportada aqui tende a ser depositada aqui onde o canal alarga. O mesmo vai acontecer de forma contrária quando ele estreita; se o canal estreita, você tem um aumento da potência, mantendo todas as outras variáveis constantes. Então isso acontece especialmente, mas também acontece no tempo. Então a gente pode ter um determinado, um determinado canal que tem uma descarga aqui, e num segundo momento essa descarga que aumenta. O que acontece com a potência? Aumenta. Durante o aumento da descarga, a tendência é que há potencialmente, e com isso você vai conseguir transportar mais do que transportava antes; a tendência é que você erodir do fundo e as margens durante o momento da descarga, e quando a descarga de novo só se tiver avaliação da descarga no tempo, que a descarga aumenta depois cai de novo. Durante o pico das descargas tende a ser o didi, e durante a queda da descarga a depositar outra vez. E esse é essa, esse ciclo é fundamental para a gente entender como que a carga de fundo é levada de um ponto para o outro; os picos de descarga até que ela chega na deposição final, e esses depósitos parciais foram preservados em sistemas fluviais ou qualquer sistema de canal de transporte de longa distância. Então a variação do espaço, alargamento do canal, a variação do tempo, mas a gente viu que as duas coisas se relacionam, porque, por exemplo, aumento de descarga aumenta a capacidade de transporte, erode do fundo e as bordas, também afeta tanto a largura quanto a declividade, porque a erosão também pode aumentar a declividade. Imagina ser o do fundo num determinado trecho, a declividade até o momento da mesma forma. Quando você deposita a declividade diminui de volta. Então essas coisas são dinâmicas, e essa dinâmica que a gente vai estudar quando for entender o sistema de profissionais, a dinâmica de erodir, depositar, onde erói, onde deposita, com isso muda no tempo e no espaço; esse alargamento pela erosão também reduziu B. Então o efeito da deposição quando a descarga cair vai ser muito maior porque se a descarga era ajustada a uma determinada, a largura e a descarga toma um determinado ponto, se uma determinada potência, se a descarga aumenta, você alargar o canal, quando você volta para a mesma descarga anterior, a potência não vai ser a mesma anterior porque a largura aumentou, vai ser menor ainda, só que aí você acaba depositando por causa disso, e se reduz também a largura, reduz a profundidade. Então essa dinâmica de uma potência que varia no tempo e no espaço com variação da morfologia e variação da descarga é o que vai fazer com que a gente entenda esses depósitos sedimentares, como se distribuem no espaço e no tempo, considerando essas questões quantitativas. Bom, era isso que eu tinha para discutir hoje.