Введение
Подводный поток, обычно быстро движущейся воды, насыщенной взвешенными частицами осадка, стекающий по склону. Поток мутности, как правило, представляет собой подводный поток, обычно быстро движущейся воды, насыщенной взвешенными частицами осадка, стекающий по склону; однако современные исследования (2018 г.) указывают на то, что насыщенный водой осадок может быть основным фактором в этом процессе. Потоки мутности могут возникать и в других жидкостях, помимо воды. Исследователи из Монтерейского залива (Monterey Bay Aquarium Research Institute) обнаружили, что слой воды, насыщенной осадком, быстро перемещался по дну моря, мобилизуя верхние несколько метров существующего морского дна. Во время событий, связанных с потоками мутности, наблюдались шлейфы воды, насыщенной осадком, но исследователи полагают, что они были вторичны по отношению к импульсу движения осадочного слоя морского дна. Исследователи считают, что водный поток является заключительной стадией процесса, начинающегося на морском дне. Однако термин "поток мутности" был принят для описания природного явления, чья точная природа часто остается неясной. Турбулентность внутри потока мутности не всегда является механизмом, поддерживающим взвешенное состояние осадка; однако, вероятно, что турбулентность является основным или единственным механизмом удержания частиц в разбавленных потоках (<3%). Определения усложняются также неполным пониманием структуры турбулентности в потоках мутности и путаницей между терминами "турбулентный" (т.е. возмущенный вихрями) и "мутный" (т.е. непрозрачный из-за взвеси осадка). Kneller & Buckee (2000) определяют суспензионный поток как "поток, вызванный действием силы тяжести на мутную смесь жидкости и (взвешенного) осадка, вследствие разницы в плотности между смесью и окружающей жидкостью". Поток мутности – это вид суспензионного потока, в котором интерстициальной жидкостью является жидкость (обычно вода), а пирокластический поток – это поток, в котором интерстициальной жидкостью является газ. Средняя концентрация взвешенных осадков в большинстве речной воды, поступающей в океан, значительно ниже концентрации, необходимой для формирования гиперпикнического шлейфа. Хотя некоторые реки могут иметь постоянно высокую концентрацию осадка, что приводит к образованию непрерывного гиперпикнического шлейфа, например, река Хайле (Китай) со средней концентрацией взвеси 40,5 кг/м³. Контроль за отложением осадка в водохранилищах можно осуществлять с помощью правильно спроектированных твердых и проницаемых преград. После знаменитого случая повреждения подводных кабелей потоком мутности, вызванного землетрясением на Гранд-Бэнкс в 1929 году, землетрясениями индуцированные турбидиты были исследованы и подтверждены в зоне субдукции Каскадия, вдоль Северного разлома Сан-Андреас, в ряде европейских, чилийских и североамериканских озер, в японских прибрежных и озерных регионах, а также в различных других геологических условиях.
A turbidity current is most typically an underwater current of usually rapidly moving, sediment laden water moving down a slope; although current research (2018) indicates that water saturated sediment may be the primary actor in the process. Turbidity currents can also occur in other fluids besides water. Researchers from the Monterey Bay Aquarium Research Institute found that a layer of water saturated sediment moved rapidly over the seafloor and mobilized the upper few meters of the preexisting seafloor. Plumes of sediment laden water were observed during turbidity current events but they believe that these were secondary to the pulse of the seafloor sediment moving during the events. The belief of the researchers is that the water flow is the tail end of the process that starts at the seafloor. However, the term "turbidity current" was adopted to describe a natural phenomenon whose exact nature is often unclear. The turbulence within a turbidity current is not always the support mechanism that keeps the sediment in suspension; however it is probable that turbulence is the primary or sole grain support mechanism in dilute currents (<3%). Definitions are further complicated by an incomplete understanding of the turbulence structure within turbidity currents, and the confusion between the terms turbulent (i. e. disturbed by eddies) and turbid (i. e. opaque with sediment). Kneller & Buckee, 2000 define a suspension current as 'flow induced by the action of gravity upon a turbid mixture of fluid and (suspended) sediment, by virtue of the density difference between the mixture and the ambient fluid'. A turbidity current is a suspension current in which the interstitial fluid is a liquid (generally water); a pyroclastic current is one in which the interstitial fluid is gas. The average concentration of suspended sediment for most river water that enters the ocean is much lower than the sediment concentration needed for entry as a hyperpycnal plume. Although some rivers can often have continuously high sediment load that can create a continuous hyperpycnal plume, such as the Haile River (China), which has an average suspended concentration of 40.5 kg/m3. Controlling this sedimentation within the reservoir can be achieved by using solid and permeable obstacles with the right design. Since the famous case of breakage of submarine cables by a turbidity current following the 1929 Grand Banks earthquake, earthquake triggered turbidites have been investigated and verified along the Cascadia subduction Zone, the Northern San Andreas Fault, a number of European, Chilean and North American lakes, Japanese lacustrine and offshore regions and a variety of other settings.
Промывка каньона
Когда крупные потоки мутности (турбидиты) впадают в каньоны, они могут становиться самоподдерживающимися и увлекать осадок, который ранее был внесён в каньон литоральным дрейфом, штормами или более мелкими потоками мутности. Промыв каньона, связанный с импульсными течениями, вызванными обрушениями склонов, может создавать потоки, конечный объем которых может в несколько раз превышать объем обрушившейся части склона (например, Гранд-Банк).
Спускается
Осадок, накопившийся в верхней части континентального склона, особенно в начале подводных каньонов, может вызывать возникновение турбидных потоков из-за перегрузки, что приводит к обрушению и сползанию.
Конвективная осадочность под речными шлейфами
Плавучий шлейф, насыщенный осадочным материалом, может вызвать вторичный поток мутности на дне океана посредством конвективной седиментации, приводя к неустойчивости плотного нижнего слоя. Эта конвективная седиментация ведет к быстрому вертикальному переносу материала на наклонное дно озера или океана, потенциально формируя вторичный поток мутности. Вертикальная скорость конвективных шлейфов может значительно превышать скорость оседания Стоукса отдельной частицы осадка. Большинство примеров этого процесса получены в лабораторных условиях, однако возможные наблюдательные данные о вторичном потоке мутности были получены в Хоу-Саунде, Британская Колумбия, где периодически наблюдался поток мутности в дельте реки Сквамиш. Поскольку подавляющее большинство рек, несущих осадочный материал, имеют плотность ниже, чем у океана,
Депозиты
Когда энергия потока мутности снижается, уменьшается его способность удерживать взвешенные осадочные породы, и происходит осаждение. Когда материал останавливается, сначала оседает песок и другой крупный материал, затем ил и, в конечном итоге, очень мелкие частицы. Именно эта последовательность осаждения создает так называемые последовательности Бума, которые характеризуют отложения турбидитов. Поскольку потоки мутности происходят под водой и возникают внезапно, их редко удается наблюдать непосредственно в природе, поэтому турбидиты могут быть использованы для определения характеристик потоков мутности. Примеры: размер зерен может указывать на скорость потока, литология зерен и использование фораминифер позволяют определить происхождение, распределение зерен отражает динамику потока во времени, а толщина осадка указывает на нагрузку осадка и продолжительность. Турбидиты обычно используются для изучения прошлых потоков мутности, например, Перу-Чилийский жёлоб у южно-центрального побережья Чили (36° ю.ш. – 39° ю.ш.) содержит многочисленные слои турбидитов, которые были взяты на пробу и проанализированы. На основе этих турбидитов была определена предполагаемая история потоков мутности в этом районе, что углубило общее понимание этих потоков. Эта область осадочных волн занимает площадь не менее 29 000 км² на глубине воды 4400–4825 метров. В конечном итоге эти потоки мутности останавливаются, поскольку осаждение приводит к изменению плавучести, и поток отрывается от дна, точка отрыва оставаясь постоянной при постоянном расходе. Экспериментальные и полевые наблюдения показывают, что форма лопасти отложения, образованная восходящим шлейфом, уже, чем у аналогичного шлейфа без отрыва.
Прогноз
Прогнозирование эрозии, вызванной мутными потоками, и распределения турбидитов, включая их распространение, толщину и гранулометрический состав, требует понимания механизмов переноса и отложения осадочного материала, которые, в свою очередь, зависят от гидродинамики этих потоков. Чрезвычайная сложность большинства турбидитных систем и пластов способствовала разработке количественных моделей поведения мутных потоков, основанных исключительно на изучении их отложений. Небольшие лабораторные эксперименты, таким образом, предоставляют один из наиболее эффективных способов изучения их динамики. Математические модели также могут дать ценные сведения о динамике потока. В долгосрочной перспективе, числовые методы, вероятно, являются наиболее перспективным способом понимания и прогнозирования трехмерных процессов и отложений, связанных с мутными потоками. В большинстве случаев количество переменных превышает число управляющих уравнений, и модели опираются на упрощающие предположения для получения результатов.
Нефтяная разведка
Нефтяные и газовые компании также проявляют интерес к турбидным потокам, поскольку они отлагают органическое вещество, которое в течение геологического времени погребается, сжимается и превращается в углеводороды. Для изучения этих вопросов обычно используются численное моделирование и лабораторные установки (флумы). Большая часть моделирования направлена на воспроизведение физических процессов, определяющих поведение и отложения турбидных потоков, а затем применяется и к самим турбидным потокам. Типичные предположения, используемые совместно с моделями мелкой воды, включают: гидростатическое давление, отсутствие вовлечения (или вымывания) чистой жидкости и независимость концентрации частиц от вертикального положения. Благодаря простоте реализации, эти модели обычно достаточно точно предсказывают характеристики потока, такие как положение фронта или скорость фронта, в упрощенных геометриях, например, в прямоугольных каналах.
Модели с разрешением глубины
С увеличением вычислительной мощности модели с глубинным разрешением стали мощным инструментом для изучения гравитационных и турбидных течений. Эти модели, как правило, сосредоточены главным образом на решении уравнений Навье-Стокса для жидкой фазы. При малых концентрациях частиц эйлеров подход оказался точным для описания эволюции частиц в терминах поля непрерывного распределения концентрации частиц. В рамках этих моделей не требуются упрощения, характерные для моделей мелководья, что позволяет проводить точные расчеты и измерения для изучения этих течений. К таким измерениям относятся, например, поле давления, энергетические балансы, вертикальное распределение концентрации частиц и точное определение высоты отложений. Для моделирования этих течений используются как прямое численное моделирование (DNS), так и методы моделирования турбулентности.
Примечательные примеры туманных течений
Через несколько минут после землетрясения 1929 года в Гранд-Бэнксе у побережья Ньюфаундленда трансатлантические телефонные кабели начали последовательно обрываться, все дальше и дальше вниз по склону, от эпицентра. Было повреждено двенадцать кабелей в общей сложности в 28 местах. Точное время и местоположение каждого обрыва были зафиксированы. Исследователи предположили, что подводный оползень или мутный поток насыщенных водой отложений, двигавшийся со скоростью около 100 км/ч, прошел 600 километров вниз по континентальному склону от эпицентра землетрясения, обрывая кабели на своем пути. Последующие исследования этого события показали, что обрушения осадочных пород континентального склона в основном происходили на глубинах более 650 метров. Обвалы, происходившие в мелководье (5–25 метров), переходили вниз по склону в мутные течения, которые развивались импульсно, что хорошо коррелирует с другими свидетельствами землетрясений, зафиксированных в прибрежных заливах и озерах в голоцене. Сорок один мутный поток голоцена были сопоставлены вдоль всей или части примерно 1000-километровой границы плиты, простирающейся от северной Калифорнии до середины острова Ванкувер. Сопоставление основано на радиоуглеродном датировании и подповерхностных стратиграфических методах. Предполагаемый интервал повторения крупных землетрясений в Каскадии составляет около 500 лет вдоль северной границы и около 240 лет вдоль южной границы. Во время землетрясения в Пингтуне в 2006 году у юго-западного побережья Тайваня одиннадцать подводных кабелей, проложенных через каньон Каопин и Манильскую впадину, были последовательно повреждены на глубинах от 1500 до 4000 метров из-за вызванных этим мутных течений, в районе Порт-Вале. Эти работы, возможно, стали первым описанием мутных течений, в них обсуждалось формирование подводного канала из дельты. В этом пресноводном озере погружение притока в основном обусловлено холодной водой. Нагрузка осадков сама по себе обычно недостаточно велика, чтобы преодолеть летнюю термическую стратификацию в Женевском озере. Самый длинный зарегистрированный мутный поток произошел в январе 2020 года и продолжался в течение двух дней в каньоне Конго, повредив два подводных коммуникационных кабеля. Течение было вызвано отложениями, принесенными наводнениями реки Конго в 2019–2020 годах.