Formas de fundo experimentais geradas por correntes de densidade salinas e de turbidez : análise do escoamento e do leito móvel

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Koller, Débora Karine
• Orientador(a): Manica, Rafael
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Modelagem física; Leitos moveis; Correntes de densidade; Correntes de turbidez; Transporte de sedimentos; Correntes salinas; Hidráulica
• Palavras-chave em Inglês: Physical modeling; Saline currents; Turbidity currents; Bedforms
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/217497

As correntes de densidade são escoamentos originados da diferença de massa específica entre dois meios fluidos, como variações de temperatura, salinidade e/ou material particulado suspenso. As correntes de turbidez são correntes de densidade causadas pela presença de sedimentos em suspensão e os depósitos por elas gerados são denominados turbiditos, potenciais reservatórios de hidrocarboneto e, por isso, de grande interesse da indústria do petróleo e de grupos de pesquisa. As formas de fundo são estruturas sedimentares geradas pela interação desses escoamentos com o leito oceânico, que amparam a interpretação dos parâmetros hidráulicos das correntes geradoras dos depósitos turbidíticos. A modelagem física é uma ferramenta amplamente empregada no estudo das formas de fundo, na qual, muitas vezes, misturas salinas são utilizadas na representação das correntes de turbidez, em função da menor complexidade na operacionalização e obtenção de dados. Apesar das correntes salinas também serem observadas na natureza, e de gerarem formas de fundo, as mesmas não são capazes de gerar depósitos turbidíticos. Dessa forma, o presente estudo teve como objetivo investigar experimentalmente se correntes de densidade salinas (CS) podem ser utilizadas como substitutas de correntes de turbidez (CT) de similares parâmetros de entrada, no que se refere à reprodução dos processos hidráulicos e sedimentológicos e à habilidade de geração e desenvolvimento de formas de fundo do mesmo tipo e dimensões. Para tanto, foi construído um canal de acrílico, de 18 m de comprimento e 3° de inclinação, dentro de um tanque maior, preenchido com água antes de cada experimento. Foram utilizadas três vazões de injeção (270, 320 e 370 L min-1) para cada tipo de corrente, as quais escoaram sobre o fundo do canal de acrílico, preenchido com microesfera de vidro. Os perfis de velocidade e de concentração das correntes foram registrados ao longo do canal, utilizando-se aparelhos UVP e ADV e amostradores compostos de tubos e mangueiras. Fotografias do depósito obtidas de topo e lateralmente permitiram a análise espacial dos comprimentos (λ) e alturas (η) das formas de fundo geradas, e a distribuição granulométrica do material presente no leito foi analisada a partir de amostras coletadas ao longo do canal. Os seis experimentos resultaram em escoamentos de regime supercrítico (Frd > 1), e plenamente turbulentos (42566 < Re < 66850). Em todos os casos foi observada a geração de formas de fundo do tipo ondulações, assim classificadas em função dos baixos valores das tensões de cisalhamento junto ao fundo (τb), do número Reynolds do grão (Re*), das suas dimensões, da ausência de carreamento de sedimentos em suspensão e em conjunto com o uso de diagramas de previsão. A seção montante do depósito (até o 10º m) teve sua inclinação inicial acrescida durante a passagem das CT, em função da característica deposicional desses escoamentos. Esse fato, juntamente com o incremento das concentrações (cb) e tensões (τb) junto ao fundo, resultou em formas de fundo com maiores λ em todas as CT, em relação às CS. Ao longo da seção jusante (a partir do 10º m), a inclinação de leito foi equivalente para as CT e CS e, por isso, considerou-se viável a comparação das dimensões das ondulações nessa região do canal. Diferentemente da seção montante, essa região do canal, a distribuição vertical das velocidades e concentrações e, consequentemente, as estratificações verticais, foram semelhante para ambos os tipos de corrente. Os valores de λ e η das formas de fundo geradas por ambos os tipos de corrente de densidade foram muito próximos, mas ligeiramente maiores quando gerados pelas CS. Esse fato é atribuído aos maiores valores de cb e d50 dos grãos presentes no leito das CS, os quais, por sua vez, influenciaram no acréscimo dos valores de urms junto ao fundo. Isto posto, o presente estudo concluiu que CS podem ser utilizadas experimentalmente na reprodução de formas de fundo do tipo ondulações, como substitutas de CT diluídas (Cvol < 1%, Cvol,b < 2%), cenário reproduzido na seção jusante do canal. Essa condição foi alcançada pela diluição das CT, que permitiu a aproximação das suas condições hidráulicas àquelas observadas nas CS, no que se refere, principalmente, às distribuições de concentrações e velocidades, o que acabou por garantir, também, semelhanças nos mecanismos de geração das formas de fundo. A metodologia desenvolvida foi eficaz no atendimento dos objetivos propostos, uma vez que permitiu a identificação de diferenças nos parâmetros hidráulicos e sedimentológicos das CS e CT, e a associação desses mecanismos à geração das ondulações, ao longo do espaço e do tempo. Além disso, o papel da suspensão de sedimentos na alteração dos processos turbulentos e da estratificação correntes de densidade foi evidenciado. Os resultados desse estudo apresentam semelhança com parâmetros medidos em sistemas deposicionais encontrados na natureza. As ondulações geradas no modelo físico representam aquelas encontradas em regiões posicionadas nas bordas de depósitos turbidíticos, nas quais as correntes de turbidez apresentam baixas velocidades e geram depósitos de menores espessuras e tamanhos de grão. Os perfis normalizados das correntes supercríticas deste estudo são similares àqueles observados em correntes de turbidez presentes no Canyon Monterey, sugerindo que os resultados experimentais podem ser usados para interpretar os fluxos responsáveis pela formação da arquitetura dos principais sistemas submarinos. Por fim, cabe mencionar que os dados obtidos a partir do desenvolvimento desse trabalho são adequados para elaboração e/ou calibração de modelos de simulação numérica, uma vez que foram baseados no uso de correlações e parâmetros adimensionais que amparam a caracterização do leito móvel, das correntes de densidade, e dos mecanismos de interação entre esses meios.