proses transportasi sedimen

Proses Sedimentasi

1

Transportasi Sedimen and Pengendapan

Media Transportasi

• Air•Overland flow, Aliran alur (channel flow)•Gelombang, pasang surut (tides), Arus laut

• Udara• Es• Campuran Sedimen dan air• Gravitasi

•Jatuhan batuan (tidak ada media transportasi yang terlibat)

•Aliran rombakan (debris flow), Arus turbit (turbidity currents) (melibatkan air)

2

AirSebagai media transportasi yang paling

signifikan.Media transportasi air dapat berupa

Sungai dan Laut. Sungai gaya pembangkitnya berasal dari

aliran air sungai. Laut gaya pembangkitnya berasal dari arus bawah permukaan dan gelombang permukaannya.

Material sedimen yang dapat diangkut dari partikel yang halus hingga kasar.

Jarak transportasinya bisa ratusan atau ribuan kilometer.

3

Udara

• Sebagai media transportasi untuk sedimen dengan ukuran halus (debu atau pasir)

• Sedimen dengan grain size besar hanya dapat ditransportasikan dalam jarak dekat.

• Kapasitas angin sebagai media transportasi dibatasi oleh densitas angin/udara itu sendiri.

5

Es

• Pergerakan material detritus hanya terjadi di dalam dan sekitar area pegunungan es saja.

• Material yang terkandung di dalam sebuah bongkahan es akan ditransportasikan bersama bongkahan es itu sendiri.

• Pergerakan sebuah volume es sering terjadi bersamaan dengan proses glasiasi.

6

Gravitasi

• Mekanisme sederhanya adalah pergerakan partikel sedimen pada lereng – lereng bukit

7

Campuran sedimen dan air

• Jika sedimen dengan konsentrasi yang tinggi dicampur air, maka akan menghasilkan fluida dengan viskositas tinggi.

• Aliran fluida dengan viskositas tinggi ini disebut : DEBRIS FLOW.• Jika aliran Debris bergerak di bawah permukaan air, maka akan

menghasilkan ARUS TURBIDIT (TURBIDITE CURRENT).

8

10

PERILAKU FLUIDA DAN PARTIKEL DALAM FLUIDA

Perilaku Fluida dapat dibedakan berdasarkan tipe alirannya :

•Aliran Laminar•Aliran Turbulen

11

Aliran laminar (laminar flow)

•Semua molekul dalam fluida bergerak sejajar satu sama lain dalam arah transportasi.•Jika fluida nya hiterogen maka hampir tidak ada percampuran ‐selama aliran berlangsung.

12

Aliran turbulen (turbulent flow)

•Molekul dalam fluida bergerak ke segala arah tapi tetap menghasilkan aliran utama (mainstream) yang searah dengan arah transportasinya.•Jika Fluida nya heterogen, maka semuanya akan bercampur ‐dalam aliran turbulen.

BILANGAN REYNOLD

• Suatu aliran dapat ditentukan berdasarkan suatu parameter, yang disebut : Bilangan Reynold (Re)

• Bilangan Reynold tidak berdimensi, dan digunakan untuk menentukan jenis aliran, Laminar atau Turbulen.

• Bilangan Reynold dihasilkan dari hubungan sbb :.

: Kecepatan aliran fluida: viskositas kinematika fluida: Diamater pipa atau kedalaman aliran pada chanel terbuka.

13

BILANGAN REYNOLD

• Aliran fluida Laminar terjadi ketika rendah (<500)• Aliran fluida Turbulen terjadi ketika tinggi (>2000)• Aliran laminar terjadi pada : Aliran Debris, aliran lava dan semua

yang memiliki viskositas kinematika tinggi.• Aliran turbulen terjadi pada aliran fluida yang memiliki viskositas

kinematika rendah.• Aliran air akan laminar jika kecepatannya sangat rendah dan

kedalamannya sangat dangkal• Aliran yang berperan penting dalam proses deposisi adalah aliran

turbulen.• Aliran fluida pada air atau udara yang mungkin membawa

partikelpartikel sedimen adalah Aliran Turbulen.

14

Transportasi partikel dalam fluida

• Partikel dari setiap ukuran dapat bergerak dalam fluida mengikuti salah satu dari 3 mekanisme berikut :

15

Hubungan partikel dengan aliran fluida

16

Aplikasi prinsip bernoulli pada transportasi sedimen

17

HUBUNGAN ANTARA KECEPATAN ALIRAN DENGAN UKURAN BUTIR SEDIMEN

18

PEMBENTUKAN STRUKTUR DASAR SEDIMEN

19

PEMBENTUKAN STRUKTUR DASAR SEDIMEN

• Dipengaruhi oleh penurunan kecepatan aliran (Settling velocity).• Penurunan kecepatan tersebut dinyatakan dalam hukum Stokes :

: Kecepatan Terminal: Percepatan Gravitasi : Diameter butir sedimen.: perbedaan densitas partikel dengan densitas fluida.: Viskositas fluida.

20

Densitas fluida dan ukuran partikel

• Denistas fluida akan mempengaruhi kecepatan dari partikel yang melaluinya.

• Ukuran partikel sedimen juga berpengaruh terhadap pergerakan butir sedimen di dalam fluida.

• Dengan demikian, Densitas Fluida dan Ukuran Partikel menjadi bagian penting dalam proses pengendapan suatu partikel.

21

Aliran satu arah dan Transportasi Sedimen

Penurapan/pengambilan (Discharge)

• volume air yang mengalir sepanjang penampang alur per satuan waktu• Q = w d U

w = lebar alirand = kedalaman aliran rata-rata U = kecepatan aliran rata-rata

• X-S daerah aliran, a adalah lebar x kedalamanQ = a U

23

Beberapa istilah aliran• Karakteristik aliran (kedalaman, lebar, kecepatan) tidak berubah dengan

waktu: steady flow• Karakteristik aliran (kedalaman, lebar, kecepatan) tidak berubah dari satu

tempat ke tempat yang lain: uniform flow• Garis alir (streamline) adalah garis imajiner yang digambarkan sejajar

arah aliran rata-rata lokal

24

Dianggap tetap, aliran non-uniform

25

Plan View

streamlines

a1

a2

Garisalir – gambaran dari kecepatan aliran – Menunjukkan arah aliran dan kecepatan(spasi garis aliran lebih dekat menggambarkanaliran adalah lebih cepat

Kekentalan Fluida

Kekentalan Fluida

• Kekentalan = daya hambat internal untuk mengalir• Kekentalan air menghasilkan friksi antara air dan lapisan (bed/banks)• Friksi dari bed/banks adalah dipancarkan sepanjang fluida• Hasil: kecepatan bertambah dengan jarak dari bed/banks

28

Persamaan Bernoulli• Dalam sistem yang tertutup energi total tidak berubah

• Sebenarnya air adalah tidak ideal; ada friksi maka total head menurun ke arah hilir

• Dalam beberapa kasus, friksi adalah kecil maka persamaan tersebut dapat digunakan dengan baik.

29

22

22

22

21

11

ugyp

ugyp

30

Velocity gradient, the rate of change of velocity with distance from aboundary,

can be written u/y

Shear stress within the fluid, , is proportional to the velocity

gradient. Viscosity, , is the proportionality constant

y

u

31

d

bed

flow

Definition diagram for spatially-averaged bed shear stress in steady, uniform flow

W

Fd

Consider column of water with unit area (A=1)

A

Fd0

Bed shear stress (for steady, uniform flow)

Fd=VgsinV is volume; V=A x d; is water density; g is acc. due to gravity

gdsinis bed shear stressFor small , sin=S, the water surface slopegdS “DuBoys Equation”

32

Transportasi Sedimen dan pengendapan

• Efek Bernouilli adalah pengurangan tekanan, proportional dengan bertambahnya kecepatan aliran sebagai encounters aliran sebuah partikel sedimen, gaya angkat (leading to a lift force) dan entrainment dari partikel

• Gaya seret (Drag forces) and gaya angkat (lift forces) bertindak bersama-sama menyebabkan entrainment dari butiran sedimen

• Batas perlapisan (The boundary layer) adalah bagian dari aliran dipengaruhi oleh efek friksi.

33


• Parameter yang digunakan secara luas dalam konteks transportasi sedimen adalah shear stress, dinyatakan dalam N m-2, yang dapat ditentukan disembarang tempat dalam aliran atau lapisan

=fluid density; d=flow depth; S=slope; =dynamic viscosity;

u=flow velocity

• Bed shear stress (σ0) harus lebih dari kritikal critical shear stress (σc) untuk butiran sedimen dapat tertransport

34

dd

duμρgdSτ0

Dua Tipe Aliran: Laminer & Turbulen

Bilangan Reynolds

36

Ud

Re

is fluid density

U is mean flow velocity

d is mean flow depth

is fluid viscosity


Reynolds number (laminar vs. turbulent flow)

u=flow velocity; l=characteristic length (flow depth); =kinematic

viscosity (dynamic viscosity/fluid density)

• Turbulensi adalah dibentuk oleh tingginya kecepatan aliran dan kedalaman aliran, dan kekentalan rendah (Re>2000); aliran laminar terjadi kebalikannya (Re<500)

• Udara dan air adalah selalu turbulen

37

ul

Re

38

Re = Ul/U = velocity of flowL = depth or pipe diameterdensity of fluidviscosity of fluidRe< 500 is laminar, Re > 2000 turbulent

39Allen, Earth Surface Processes, Blackwell Science

Aliran Laminer

• Garis aliran hampir sejajar• Pikirkan bahwa aliran tersusun sebagai lapisan fluida yang saling bergeser

antara satu dengan yang lainnya.• Ada friksi diantara lapisan (fluida mempunyai kekentalan)• Momentum tertransfer dalam jarak yang sedikit

40

Aliran Turbulen

• Aliran adalah TIDAK berlapis-lapis yang rata.• Pusaran Turbulen dapat mentransfer momentum melebihi kedalaman

aliran.• Fluida kecepatan tinggi dapat menyapu ke bawah lapisan dan menambah

jumlah sedimen yang dipindahkan.• Aliran sungai adalah hampir selalu turbulen

41

Apakah yang menentukan aliran laminer atau turbulen?

• Aliran laminer terjadi pada kecepatan aliran rendah dalam.• Aliran Turbulen terjadi pada kecepatan tinggi dan dalam.• Bilangan Reynolds (Re) digunakan untuk menentukan apakah aliran

tersebut laminer atau turbulen.

42

Hukum Newton Viskositas untuk aliran laminer

• Viskositas mendominasi dalam sebuah aliran laminer

u/y is shear stress in fluid is fluid viscosity; “dynamic viscosity”

43

44Allen, Principles of Physical Sedimentology, George Allen & Unwin

Profil Kecepatan – Gambaran dari bertambahnyadengan jarak dari lapisan

Profil Kecepatan Laminer

u(y) is velocity, u, at height y above bedo is shear stressd is flow depth is fluid viscositymean velocity is at height above bed = 0.4d

45

d

yyyu o

2)(

2

Aliran Turbulen

• Turbulensi menghasilkan perpindahan melebihi seluruh kedalaman aliran dalam turbulent eddys

• Membentuk shear stresses lebih tinggiTherefore, for turbulent flows

du/dy

46

47Allen, Principles of Physical Sedimentology, George Allen & Unwin

Velocity Profile - Graph of velocity increase with distance from bed

Profil Kecepatan Turbulen

• Flow near bed obeys the“Law of the Wall”

48

oy

yuyu ln)( *

u is the velocity at height y above the bed is von Karman’s constant u* is the shear velocity yo is the height above bed where velocity = 0

Aliran Kritis vs. Superkritis

• Kecepatan aliran bertambah, aliran dapat memperlihatkan gelombang berdiri aliran kritis.

• Ketika aliran dangkal dan cepat, dapat terlihat meluncur dan menggenang (cepat/rapids) aliran superkritis

49

Bilangan Froude, Fr• Bilangan tanpa dimensi digunakan untuk menentukan apakah aliran

subkritis atau superkritis.

• Jika Fr>1, aliran adalah superkritis• Jika Fr<1, aliran adalah subkritis• Fr=1 untuk aliran kritis

50

gd

UFr


Bilangan Froude (subcritical vs. supercritical flow)

u=flow velocity; d=flow depth; gd=celerity (wave velocity)

• Flow velocities exceeding wave propagation velocities (Fr>1) yield supercritical flow, lower velocities (Fr<1) cause subcritical flow

• A spatial transition from subcritical to supercritical flow (or vice versa) is characterized by a ‘hydraulic jump’

51

gdu

Fr


Hukum Stokes (kecepatan mengendap dalam fluida statis)

vg=settling velocity; D=grain diameter; g=grain density;

f=fluid density; =dynamic viscosity

• Hukum Stokes hanya dipakai untuk butiran halus (<100 m), densitas butiran kuarsa dalam air

54

μ 18

)ρ(ρgDv fg

2

g


• Kecepatan kritis adalah berbeda untuk pengangkutan sedimen dan pengendapan, terutama untuk fraksi lebih halus

• Densitas fluida dan viskositas memainkan peranan penting dalam menentukan ukuran partikel mana yang dapat di transport

• Jumlah transportasi sedimen tidak hanya berhubungan dengan kecepatan aliran (atau bed shear stress) dan ukuran butir, tetapi juga:

• Densitas butiran• Bentuk butir

62


Current ripples

• Once movement of sand grains (<0.7 mm) occurs, current ripples are formed as a result of boundary layer separation, commonly accompanied by a separation vortex

• Current ripples have a stoss side (erosion and transport) and lee side (deposition), the latter with a slope of ~30° (angle of repose)

• Current ripples only form under moderate flow velocities, with a grain size <0.7 mm

• Height: 0.5–3 cm; wavelength: 5–40 cm

63


Dunes

• Dunes are distinctly larger than current ripples• There is a relationship between boundary-layer thickness

( flow depth in rivers) and the dimension of dunes• Dunes only form in grain sizes >0.2 mm• Low flow velocities (bed shear stresses) yield straight-

crested bedforms (valid for both dunes and current ripples); higher shear stresses result in sinuous to linguoid crest lines

• Sand waves constitute the largest category of subaqueous dunes

64


Plane beds and antidunes

• In coarse sands (>0.7 mm) lower-stage plane beds develop instead of current ripples

• At high (but still subcritical) flow velocities upper-stage plane beds are formed in all sand grain sizes

• Supercritical flow conditions (Fr1 or higher) enable the formation of antidunes, characterized by bedform accretion in an upstream direction

65


Waves

• Waves are wind-generated oscillatory motions of water

• Wave height is dependent on wind strength and fetch

• The depth to which the oscillatory motion due to wave action extends is known as the wave base; shallow water leads to breaking waves

• Wave ripples are distinct from current ripples due to their symmetry, and include low-energy ‘rolling grain ripples’ and high-energy ‘vortex ripples’

66


Tides

• Tides are formed by the gravitational attraction of the Moon and Sun on the Earth, combined with the centrifugal force caused by movement of the Earth around the center of mass of the Earth-Moon system

• Semi-diurnal or diurnal tidal cycles• Neap-spring tidal cycles• Annual tidal cycles

67


Ocean currents

• The circulation of sea water in the world’s oceans is driven by wind and contrasts in density due to variable temperature and salinity (thermohaline circulation), combined with the Coriolis effect

• Ocean currents transport clay and silt in suspension, and sand as bed load, and their effects are especially important in deep waters, where storms and tides are less important

68


Gravity flows

• Debris flows have a high (>50%) proportion of sediment to water and can be both subaerial and subaqueous

• Low Reynolds numbers

• Turbidity currents have a higher proportion of water, are always subaqueous, and move due to density contrasts

• Higher Reynolds numbers

69

Konsep-konsep Sedimentologi

Fluid flow and bedforms

• Unidirectional flow leads predominantly to asymmetric bedforms (two- or three-dimensional) or plane beds

• Current ripples• Dunes• Plane beds • Antidunes

• Oscillatory flow due to waves causes predominantly symmetric bedforms (wave ripples)

• Combined flow involves both modes of sediment transport and causes low-relief mounds and swales

70

Struktur Sedimen

• Lower plane beds (planar laminae)• Ripples• Dunes• Upper plane beds (also planar laminae)• Antidunes• See your handout

71

Lower plane beds

• Fine to coarse sand, low flow velocity• Sand grains like to make ripples • So this means a really slow velocity!

72

Lower plane beds

73

Ripple marks

• Fine silt to fine sand• Slow to fast flow velocity

74

Ripplemarks

75

Dunes

• Fine to coarse sand• Medium to high flow velocities• Sand loves to make dunes!

76

Modern Dunes

77

Ancient Dunes

78

Upper planar beds (laminae)

• Fine silt• High flow velocity• Hard to tell apart from lower planar beds

• Use grain size

79

Antidunes

• Fine silt to coarse sand• High flow velocity• Rarely seen in rocks!

80

Antidunes

81

Flow direction

• You can tell which way the water was flowing by looking at the structures, even if the rock is millions of years old!

82

Flow directions

• You can also tell when water flow has changed direction!• These structures are called crossbeds

83

Crossbeds

84

Crossbeds

85

Konsep-konsep Sedimentologi

Sedimentary structures

• Planar stratification is primarily the product of aggrading plane beds

• Cross stratification is formed by aggrading bedforms• Planar and trough cross stratification are the result of

straight-crested (2D) and linguoid (3D) bedforms, respectively

• Small-scale cross stratification (current ripples)• Large-scale cross stratification (dunes)• Wave cross stratification (wave ripples)• Hummocky cross stratification (mounds and swales)

• A single unit of cross-stratified material is known as a set; multiple stacked sets of similar nature form co-sets

86

proses transportasi sedimen

Documents