Geologia del sedimentario

IDRODINAMICA

L’idrodinamica è quella parte della fisica che, adeguata ai nostri studi, ci permette di definire il

comportamento idraulico di un sedimento in moto all’interno di un fluido.

Va subito precisato che, a seconda delle condizioni, statiche (ferme) o dinamiche (in moto), in cui

si trova il fluido il significato di sedimento è alquanto differente. Per il primo viene considerato

come l’insieme di particelle solide e degli interstizi che le separano, nel secondo caso, invece,

quello più interessante per i nostri scopi, si tratta delle sole particelle disperse nel fluido in

movimento.

Delle due condizioni, prima descritte, quella di cui ci interessiamo maggiormente è quella

dinamica ovvero di moto. Di essa esistono due diverse condizioni:

 In una in cui fluido e granuli si comportano come due fasi distinte. Presentano una flusso

denominato tipico o normale in cui la deposizione avviene per semplice separazione delle

particelle solide. In questo caso si parla di trasporto e deposizione particellare che è

quella che vedremmo in questo capitolo.

 L’altra, invece, in cui solido e fluido hanno un unico comportamento, come si trattasse di

un'unica fase. Il flusso, in questo caso, viene chiamato reologico oppure di scorrimento e

la deposizione avviene per semplice arresto. Per questa condizione si parla, quindi, di

trasporto e deposizione in massa.

Un altro aspetto fondamentale da sapere sui fluidi in condizioni dinamiche è che di essi esistono

due differenti regimi definibili da un parametro chiamato numero di Reynolds (R) che non è altro

che il rapporto tra forza inerziale e forza viscosa (resistenza allo scorrimento). Questi due regimi

sono:

 Quello laminare che si ha quando il moto del fluido avviene come se esso fosse costituito

da un numero infinitesimo di strati paralleli tra loro che non si rimescolano mai. R < 500.

 Quello turbolento che si ha quando il moto

avviene in maniera caotica senza seguire

traiettorie definite. R > 2000. 92

Idrodinamica

Processo Selettivo

Il comportamento idraulico di una particella sedimentaria, viene definito sulla base dei parametri

che lo condizionano, ovvero dimensioni, forma e peso specifico. Ma poiché tra i granuli comuni le

dimensioni variano maggiormente degli altri due, si può affermare che il comportamento idraulico

dipende principalmente dalla granulometria. Molti granuli, però, non seguono questa regola

generale e i propri pesi specifici e la propria forma influenzano considerevolmente il

comportamento idraulico comportando il manifestarsi di processi selettivi. Essi tendono a smistare

e concentrare in depositi distinti i vari granuli in base alle proprie caratteristiche fisiche.

Il processo selettivo si manifesta in due importanti processi sedimentari quali il trasporto e la

conseguente deposizione o sedimentazione che passeremmo ora in rassegna.

Trasporto

Il trasporto è uno dei principali processi sedimentari (segue quelli di degradazione ed erosione),

nel quale il sedimento viene portato, grazie alla presenza di diversi agenti, dalla sua propria zona

d’origine a quella di deposizione. Il principale di questi agenti di trasporto sono i corsi d’acqua

fluviali, che nel loro lungo percorso che va dalle cime dei rilievi più importanti fino alle foci deltizie,

trasportano con se i sedimenti secondo un tipo di trasporto selettivo.

Infatti, durante questo trasporto, il primo e più importante conseguenza della selezione è la

separazione tra carico di fondo e carico sospeso (meglio osservabile nel diagramma di Shields) che

normalmente corrisponde alla distinzione tra sedimenti grossolani (sabbie e ghiaie) e quelli fini

(silt e argilla). I primi avendo un peso maggiore e quindi richiedendo energie sempre più intense,

subiscono questo trasporto attraverso il trascinamento sul fondo che può avvenire per tre

differenti processi: rotolamento, scivolamento e saltellamento. I secondo, invece, presentando

granulometrie e pesi inferiori, vengono presi in sospensione e mantenuti sollevati dalla turbolenza

delle acque e successivamente deposti per decantazione.

L’azione selettivo del trasporto si riflette non solo sulla tessitura del deposito ma anche sulla

struttura geometrica

dello stesso, infatti, un

trasporto selettivo

tende ad originare un

deposito più ordinato o

organizzato a differenza

massa

di un trasporto di

in cui i depositi sono

completamente

disorganizzati. 93

Idrodinamica

Perciò il trasporto di sedimento selettivo verrà suddiviso in trasporto trattivo e decantativo.

Trasporto Trattivo

La trazione sul fondo viene generalmente descritta in base alla velocita media della corrente, ma

gli agenti veri e propri, di essa, sono

la forza fluida (F) e la pressione di

trascinamento (τ) che agiscono

tangenzialmente rispetto al fondo.

Questi due parametri sono

direttamente proporzionali alla

velocita media (u), ma essi

dipendono anche dal punto di

applicazione e quindi,

conseguentemente, dalla variazione verticale della velocita. Come è possibile osservare dal

seguente diagramma, il profilo della pressione tangenziale è opposto rispetto a quello della

velocità, infatti sul fondo τ raggiunge il massimo mentre la velocita u si trova nel suo punto di

minimo.

Osservando sempre il diagramma, si noterà che la velocita di fondo è nettamente inferire rispetto

a quella della corrente con conseguenza che per gli agenti trattivi il tasso di sedimentazione è

piuttosto basso. Quindi una corrente trattiva non apporta nuovo sedimento, ma al massimo ne

rielabora e risciacqua il preesistente. Dunque, riassumendo, i processi trattivi svolgono due azioni

principali: quella di trasporto e quella di modellamento del fondo.

Affinché le particelle possano essere rimosse dalla corrente di trazione, occorre che la pressione

tangenziale τ superi la loro resistenza al moto, fattore che dipende, essenzialmente, dalle

caratteristiche individuali di ogni particella (peso, volume, forma, ecc.). Quindi è possibile definire

un valore limite di τ, che chiameremmo soglia di rimozione ø, sopra il quale ogni singola particella

può essere presa in carico, che dipende essenzialmente dalla diametro (d) della particella stressa.

Tra ø e τ esiste una stretta relazione osservabile nel diagramma di Shields, nel quale questi due

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Idrodinamica

parametri vengono correlati, che ci mostra la relazione tra tipo di trasporto e dimensione dei

clasti. In esso si riscontrano 3 differenti zone: 1) nessun trasporto dove la pressione τ è inferiore al

valore critico per tutte le particelle presenti e quindi si assisterà all’immobilita del sedimento; 2)

trasporto sul fondo che interessa le particelle più grossolane attraverso i fenomeni di

rotolamento, scivolamento e saltellamento; 3) sospensione di particelle fini dove il valore della

pressione tangenziale è molto maggiore rispetto alla soglia. Osservando attentamente lo schema

si noterà, inoltre, che per sedimenti più fini di 0,2 mm la pressione necessaria per smuovere le

particelle è maggiore di quella richiesta per particelle più grossolane questo perché i sedimenti più

fini mostrano un elevata coesione dovuta dalla loro elevata superficie specifica.

Questo è un ulteriore diagramma del regime di trasporto di Shields per fiumi e flussi poco

profondi in canali. È molto simile al precedente, si differenzia da esso perché, oltre alla relazione

tra pressione tangenziale e dimensione delle particelle, viene considerato, in questo caso, anche il

tipo di regime del flusso. Tra l’altro al suo interno viene mostrato, anche, il campo di formazione

di tipiche strutture da corrente trattive quali ripple e dune che vedremmo ampiamente più avanti.

La lettura di questo diagramma è similare a quello visto precedentemente.

Ricapitolando, quindi, possiamo

affermare che la corrente trattiva

non è un tipo di flusso, ma bensì uno

dei modi con cui un flusso può

interagire col sedimento.

Strutture Trattive

Se su un fondo sabbioso agisce una corrente di acqua di profondità data, la cui velocità supera un

valore critico, si verifica, come abbiamo visto, un trasporto di tipo trattivo, in cui i granuli iniziano

a muoversi, tramite il quale si possono produrre, in base alla profondità, velocità media del flusso

e granulometria, diversi tipi di strutture sul fondo. Dal punto di vista dinamico, le varie forme,

tenendo la profondità costante, dipendono essenzialmente dal tipo di regime del flusso che viene

determinato dal numero di Froude (F). Esso è uguale al rapporto tra forza inerziale e forza

gravitativa e in base al suo valore ci permette di suddividere il regime in:

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Idrodinamica

 Subcritico o inferiore quando F<1;

 Critico o intermedio se F=0;

 Supercritico o superiore quando il valore di F>1.

Conoscendo il numero di Froude si potrà, ora, osservare che al suo costante aumento, quindi

conseguente passaggio da regime subcritico a supercritico e considerando la profondità costante,

si tenderanno ad originare in sequenza le varie strutture sedimentarie quali:

 Ripple;

 Dune con ripple sovrapposti;

 Dune;

 Fondo piatto;

 Antidune stazionarie;

 Antidune frangenti;

 Salti idraulici. 96

Idrodinamica

Strutture Da Corrente Unidirezionale

a) Strutture Da Regime Subcritico

Ripple e dune sono le più importanti, conosciute e tipiche strutture sedimentarie. Esse di

originano quando sul fondo incide una corrente con regime di flusso esclusivamente subcritico o

inferiore, quindi con numero di Froude < 1. Queste due strutture inferiori si differenziano tra loro

solo per le dimensioni, le prime di piccola e media scala mentre le seconde di grande, ma non per

forma e dinamica.

Si tratta di

I ripple sono increspature cicliche che si formano della superficie del sedimento inconsolidato,

approssimativamente organizzate in ripetizioni cicliche di allineamenti subparalleli fra loro

orientati in posizione

perpendicolare alla direzione

della corrente che li genera.

Praticamente sono tipiche

strutture sin-deposizionali, che

si accrescono durante la

deposizione, di forma

asimmetrica con un lato poco

inclinato, quello posteriore e uno più ripido e corto (inclinazione corrispondente all’angolo di

riposo del sedimento che è di circa 35-40°) quello anteriore. Il primo è interessato dall’azione

della corrente ed è perciò soggetto a fenomeni di trazione e trasporto del sedimento mentre nella

parte anteriore si manifestano esclusivamente processi di deposizione, in quanto i granuli, che si

trovano nella parte sopraccorrente, vengono spinti sul ciglio della duna e qui accumulati