научная статья по теме ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗВЕСЕНЕСУЩИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ПРИ АКТИВНОМ ВЗМУЧИВАНИИ ДОННЫХ ОСАДКОВ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗВЕСЕНЕСУЩИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ПРИ АКТИВНОМ ВЗМУЧИВАНИИ ДОННЫХ ОСАДКОВ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 3, с. 344-354

УДК 551.46

ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗВЕСЕНЕСУЩИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ПРИ АКТИВНОМ ВЗМУЧИВАНИИ

ДОННЫХ ОСАДКОВ © 2014 г. И. Н. Завьялов, В. В. Жмур

Московский физико-технический институт 141700Долгопрудный, Московская обл., Институтский пер., 9

E-mail: Ivenzz@mail.ru Поступила в редакцию 23.04.2013 г., после доработки 07.08.2013 г.

В данной работе изучались особенности распространения гравитационных взвесенесущих потоков вдоль наклонного дна, при условии интенсивного вовлечения в движение донных осадков. В ходе данной работы было установлено, что скорость распространения подобного потока остается постоянной, а головная часть сохраняет размеры и избыточную массу вовлеченной твердой фракции. Была предложена гипотеза о том, что скатывающая сила тяжести, действующая на поток, компенсируется антиреактивной силой, связанной с вовлечением в движение донных осадков, лобовым сопротивлением и трением о дно. Основной силой сопротивления в экспериментах являлась антиреактивная сила сопротивления.

Ключевые слова: гравитационный поток, донные осадки, антиреактивная сила, наклонное дно, взвесенесущие потоки.

Б01: 10.7868/80002351514030122

ВВЕДЕНИЕ

В работе изучаются гравитационные взвесенесущие (мутьевые) потоки более плотной жидкости на наклонном дне, движущиеся вниз по склону под действием сил тяжести в окружении менее плотной воды. Во взвесенесущих потоках более высокая плотность достигается наличием внутри потока мелких частиц осадочных пород. Нас будут интересовать именно такие течения. Для му-тьевых потоков характерна большая плотность из-за наличия в них большого количества взвешенных частиц ила, песка и т.п. Взвесенесущие потоки активно участвуют в переносе донных осадков, в формировании океанического рельефа и осадочных пород.

В процессе движения гравитационный поток может взмучивать находящуюся на дне взвесь и увлекать ее вместе с собой. С другой стороны, частицы, находящиеся внутри потока, под действием гравитации должны опускаться вниз, обратно на дно. Этому процессу противодействует достаточно интенсивная турбулентность, которая может поддерживать более тяжелые частицы донного материала во взвешенном состоянии. Таким образом, в общем случае поднятые со дна частицы будут двигаться вместе с потоком, частично

осаждаясь на дно. Скатывающей силе противодействуют несколько сил разной природы. Во-первых, сила трения гравитационного потока о дно и вышележащую воду. Во-вторых, сила лобового сопротивления, если мы изучаем движение гравитационного потока с головной частью. Наконец, "антиреактивная сила", которая тоже тормозит гравитационное течение. Здесь имеет смысл сделать дополнительные пояснения. Рассмотрим единичный акт захвата твердой частицы течением и выброс ее из потока. При захвате частицы первоначальная ее скорость равна нулю. После захвата частица разгоняется потоком до скорости самого потока. В силу закона сохранения импульса основной поток должен "притормозиться". Следовательно, каждый акт захвата частиц потоком сопровождается его торможением. Теперь рассмотрим, что происходит при выпадении частиц из потока. Частица покидает поток, имея скорость, равную скорости потока. В силу того же закона сохранения импульса сам поток при этом скорости не меняет. Следовательно, при захвате каждой частицы поток тормозится, а при высыпании твердых частиц из потока не разгоняется. Рассмотренное явление (вовлечение донных частиц в поток) можно трактовать как воздействие допол-

нительной тормозящей силы. Физическое происхождение такой силы напоминает силу реактивной тяги с противоположным знаком. Поэтому в данной работе мы назвали эту силу антиреактивной.

Таким образом, несколько сил сопротивления противодействуют силе скатывания. Эволюция потока главным образом зависит от результирующей силы.

Однако теоретически предсказать соотношение сил сопротивления и выделить из них главную составляющую является проблематичным. С учетом того, что интенсивные гравитационные течения, несомненно, турбулентные, а сама турбулентность эволюционирует во время движения потока, то силы турбулентного трения, а также захват частиц твердой фракции со дна, тоже связанны с турбулентностью и представляют самостоятельные трудные задачи.

До сих пор остаются слабо исследованными механизмы вовлечения в плотностной поток окружающей жидкости и твердых частиц донных пород. Особенности движения гравитационного потока, распространяющегося при активном массообмене с донными осадками, также слабо изучены. Кроме того, затруднительны надежные количественные оценки массы вовлекаемых в движение донных фракций. Самым, пожалуй, важным вопросом является вопрос о физике развития катастрофически сильных мутьевых потоков, т.е. потоков, способных к повреждению подводной инфраструктуры.

Обычно, но не всегда, сооружения добычного комплекса располагают на участках с относительно простыми инженерно-геологическими условиями, а подводные протяженные объекты (трубопроводы и кабели связи) зачастую пересекают участки континентальных склонов, где возможно развитие подводных гравитационных процессов [1].

Приведем несколько примеров разрушительного действия взвесенесущих потоков:

— 1929 г., взесенесущий поток, возникший из-за землетрясения на большой Ньюфаундленской банке, оборвал кабели на 500 км вниз по склону от эпицентра [2];

— 1935 г., поток, возникший из-за оползня на взморье в районе р. Магдалены, уничтожил волнолом на протяжении 480 метров и разорвал телефонный кабель на глубине 1400 м [3];

— 1964 г., взевесенесущий поток, возникший из-за половодья р. Заир, оборвал кабели на глубине от 500 до 2300 м [4];

— 1969 г., взвесенесущий поток, возникший из-за урагана Камиль, разрушил несколько буровых платформ [5];

— 1982 г., поток, возникший из-за урагана Ива, порвал несколько кабелей на склоне юго-западного побережья о. Оаху [6];

— 2006 г., подводный поток, возникший в проливе Лусон, порвал множество подводных кабелей, парализовав связь между Китаем, Тайванем и Гонконгом [7].

Видно, что основными "жертвами" гравитационных потоков становятся кабели связи, а буровые платформы страдают заметно реже.

Эволюция придонных гравитационных потоков исследовалась в во множестве работ, например [8— 15]. Наиболее полное рассмотрение динамики придонных течений изложены в книгах [14, 15].

Сценарий поведения плотного потока при учете двух важных факторов: захват внешней жидкости в поток и вовлечение донных отложений в движение — рассматривался в работах [12, 13] в предположении, что главными действую -щими силами являются скатывающая сила и противодействующая ей сила трения о дно. Остальными силами авторы пренебрегали. Это предположение, несомненно, справедливо для относительно слабых гравитационных течений, например, при каскадинге. В результате авторы получили три режима поведения. Первый — режим затухающих течений. Толщина головной (самой толстой) части потока монотонно уменьшается при движении потока вниз по склону. Начальная скорость частиц равнялась нулю, передний фронт течения вначале быстро укорялся, а затем монотонно затухал. Этот тип течений наблюдался при малых начальных избыточных плотностях потоков и малых углах уклона дна. Второй — режим развивающихся течений возникал при увеличении угла уклона дна или при увеличении начального перепада плотности потока. В этом режиме толщина головы течения вначале увеличивалась вместе со скоростью переднего фронта, а затем и само течение и его головная часть затухали. Последний третий режим наблюдался при достаточно больших углах уклона дна, превышающих некоторое критическое значение (зависящее от начальной избыточной плотности течения и свойств материала донных пород). В этом режиме расчетные скорости переднего фронта, а также толщина головной части быстро и монотонно нарастали на всем интервале расчета. Этот режим получил название — катастрофические сильные течения.

Вопрос о соотношении сил в подобных потоках рассматривался в экспериментальной работе [16], где было отмечено, что главной тормозящей силой в гравитационных течениях с интенсивным массобменом потока с донными отложениями является антиреактивная сила, а силы трения иг-

Рис. 1. Движение взвесенесущего потока на наклонном дне с учетом интенсивного вовлечения в движение донных осадков. Временной сдвиг между снимками составляет 0.25 с, снимки пронумерованы в порядке следования.

рают второстепенную роль. При этом скорость движения головы потока и его форма выходили на стационарный режим и далее не менялись. Этот результат ставит под сомнение один из выводов работ [12, 13] о неограниченном росте скорости движения в катастрофически сильных течениях. До тех пор, пока сила трения о дно является главной тормозящей силой, поток ускорятся. По мере увеличения количества захватываемого в движение донного материала растет и антиреактивная сила, которая не учитывалась в работах [12, 13]. Если антиреактивная сила заметно превысит силу трения, то выводы работ [12, 13] не могут быть применены к таким течениям. В результате учета эффекта от действия антиреактивной силы как главного фактора торможения потока был получен вывод о выходе наиболее интенсивных течений на стационарный режим вместо режима неограниченного роста.

Данная работа посвящена изучению особенностей распространения интенсивных гравитационных потоков при активном массообмене с донными осадками. В ходе работы гравитационный поток моделировался в лабораторных условиях, в качестве донных осадков использовался молотый полистирол (плотность около 1.08 г/см3), такой легкий донный осадок применялся, потому что его легко взмучивать, что приводило к максимизации массообмена между потоком и донными осадками.

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА

Движение взвесенесущего потока на наклонном дне с учетом интенсивного вовлечения в движение донных осадков представлено на рис. 1, где снимки пронумерованы в порядке следования. Временной сдвиг между снимками составляет 0.25 с. Граница взвесенесущего потока и окружающей его среды отмечена сплошной кривой л

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком