3. Methodik
3.4. Auswertung polymodaler Sinkgeschwindigkeits-Verteilungen -
3.4.5. Turbidite
Abb. 35: Durch Korrelation mit transportäquivalenten N.
pachyderma-Gehäusen errechnete Dichten für gemessene Quarzkomdurchmesser mit den Mittelwerten, die durch die Geraden beschrieben werden. Die offenen Kreise wurden nach dem mathematisch analytischen Verfahren von BAGNOLD
(1966) berechnet, die schwarzen Punkte nach dem
experimentell-empirischen Verfahren. Bei Quarzpartikeln ist kein Zusammenhang zwischen Korngrößen- und Dichteänderungen festzustellen.
Es ergeben sich abweichende mittlere Dichten, die auf den unterschiedlichen Lösungs-verfahren beruhen. Für das empirisch-analytische Verfah -ren liegt die mittlere Dichte bei 1,737 g/cm3 mit einer geringen Schwankungsbreite, während beim mathematisch-analyti-schen Verfahren die mittlere Dichte 2,069 g/ cm3 beträgt und die Schwankungsbreite recht groß ist. Abb. 35 zeigt die Streuung der Werte. Es ist jedoch in beiden Fällen keine Abhängigkeit von der Korn-größe zu erkennen, so daß die ungsge-strömungsbeeinflußten Quarz-Partikel verwendet
Parallel zum skizzierten Verfahren wurde die kritische Strömungsintensität nach folgender Formel von ZANKE (1982) bestimmt:
2 8 (Ps
-p!J
V hohen Gehalte an feinkörnigem Sediment an fast allen Lokalitäten gegeben ist, zu simulieren.3.4.5. Turbidite
Turbidite zählen zu den unter physikalisch-strömungsmechanischen Gesichtspunkten relativ gut untersuchten Sedimenttransport-Prozessen. Sie zeigen im allgemeinen 3 unterschiedliche Bereiche: einen dicken Strömungskopf, einen schlankeren mittleren Teil und ein ausdünnendes Ende. MIDDLETON (1966b) hat für das generelle Modell eines Turbidit-Körpers eine Strömungsgleichung vom Chezy-Typ aufgestellt:
Pr-Pi gHtancr u2
=
Pr_S_
l+e
(13)
Pr ist die Dichte der Suspension, H ist die Mächtigkeit der Turbidit-Strömung, tan er die Hangneigung in Strömungsrichtung, Cf der dimensionslose Reibungskoeffizient und e der Schubspannungskoeffizient.
Von den angeführten Parametern sind nur die Hangneigung tana, die Dichte des Wassers p
1 und die Erdbeschleunigung g bekannt. Eine Berechnung weiterer Parameter gelingt unter Berücksichtigung des 'suspension criterion', der Abhängigkeit von in Suspension gehaltenen Korngrößen und dazu benötigten Strömungsgeschwindigkeiten; der Begriff wurde von BAGNOLD (1966) und MIDDLETON (1976) geprägt. Bei einer Bilanzierung der beteiligten potentiellen Energie, der gravitativen Energie und der Energie des Strömungswiderstandes kommt BAGNOLD (1962) zu folgender Formel für den Beginn der Suspension von bestimmten Korngrößen in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit:
- w
u~--'- (14)
tancr
u ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und w, die gemessene Sinkgeschwindigkeit der Partikel.
Die Variablen Ct und e können in Annäherung aus der Geometrie des Systems bzw. der Struktur der Sedimentoberfläche abgeschätzt werden. Das Abschätzen des Reibungskoeffizienten Ct für natürliche Systeme auf Grund von experimentellen Laborversuchen ist jedoch auf Grund der unterschiedlichen Skalen schwierig. Ct nimmt mit zunehmender Bodenrauhigkeit und hohen Reynolds-Zahlen der Strömung zu (MIDDLETON & SOUTHARD 1984). Daher wird die relative Rauhigkeit mit abnehmender Strömungsmächtigkeit bedeutender. In Experimenten wurde für gerippelten Feinsand Ct mit 0,005-0,01 und für Mittelsand mit Megarippeln mit 0,006-0,019 bestimmt (Daten von ALLEN 1970 und GUY et al. 1966). Für natürliche Turbidite, bei denen größere Strömungsmächtigkeiten auftreten und die Bodenrauhigkeit für vernachlässigbar gehalten wird, wenn größere Rauhig-keitselemente wie Rippeln und Sedimentwellen fehlen, wurde Ct auf 0,0035 bis 0,005 geschätzt (MIDDLETON 1966a, KOMAR 1969, VAN TASSELL 1981, BOWEN et al.
1984). Für die Berechnungen wurde hier ein Wert von 0,005 angenommen.
Der Schubspannungskoeffizient e ist eine Funktion der Schubspannung an der Oberseite und den Rändern der Strömung relativ zu der Bodenschubspannung.
Experimentelle Untersuchungen ergaben eine Zunahme von e mit zunehmender Hangneigung (MIDDLETON 1966a). Für das Modellieren von Tiefseesystemen wurde ein Wert von 0,42 angenommen (KOMAR 1969, BOWEN et al. 1984).
Die Bestimmung eines weiteren Parameters von Turbiditen, der Dichte der Suspension Pr oder der Mächtigkeit der Turbidit-Strömung H ist nur mit Hilfe einer weiteren aus geophysikalischen Untersuchungen bekannten Größe, der Morphologie von Turbidit-Rinnen möglich. Die Mächtigkeit der turbiditischen
-66-Strömung kann aus der Geometrie von Turbidit-Rinnen annähernd abgeleitet werden, wie dies z. B. MIDDLETON & SOUTHARD (1984) und ZENG et al. (1991) getan haben. Auf Seitensicht-Sonar-Aufnahmen, 3,5 kHz-Aufzeichnungen (MIENERT et.
al. 1993) und Parasound-Aufzeichnungen (SUESS et al. 1994) vom grönländischen und norwegischen Kontinentalhang sind zahlreiche Rinnen bekannt, die als Turbidit-Bahnen gedeutet werden. Die kleineren dieser Rinnen haben Tiefen von ca. 10 Metern und treten recht häufig auf. Unter der Annahme dieser 10 Meter als Mächtigkeit der Turbidit-Strömung kann man nach Gleichung 13 die Dichte der Turbidit-Strömung errechnen.
Ein anderer Weg der Bestimmung der Turbidit-Mächtigkeit führt über die maximale Suspensionsdichte eines Turbidites von 9 % (experimentell von BAGNOLD 1962 bestimmt). Das Ergebnis gibt die Mindestmächtigkeit des Turbidits an, der das untersuchte Sediment abgelagert hat. Für die gut sortierten Sedimente aus dem Bereich des Europäischen Nordmeeres wurden beide Berechnungen durchgeführt. Dabei traten bei manchen Probenpositionen unrealistisch hohe bzw.
niedrige Werte der Turbiditmächtigkeit oder -dichte auf. Dies bedeutet nicht unbedingt, daß die Sedimente nicht durch Turbidite abgelagert wurden, sondern lediglich, daß das beprobte Sediment unter turbiditisch-strömungsmechanischen Gesichtspunkten nicht im Gleichgewicht mit der Hangneigung steht. In Anbetracht des großen Trägheitsmomentes von Turbiditen ist es dennoch ohne weiteres denkbar, daß das Sediment von einem Turbidit an Ort und Stelle abgelagert wurde, vielleicht gerade, weil der Turbidit durch geringere Hangneigung an Transportkraft verliert. In den Darstellungen dieser Arbeit sind die Proben, deren Korn-größenspektrum nicht im Gleichgewicht mit der vorhandenen Hangneigung steht, als nicht turbiditisch abgelagerte, strömungssortierte Proben aufgeführt.
Die Hangneigung für die jeweiligen Kernpositionen wurden aus dem ETOP05-Datensatz (ETOP05 1986) extrahiert. Um eine repräsentative Hangneigung für die Kernpositionen zu bekommen, wurde über die Werte im Umkreis von ca. 20 km gemittelt.
Turbidite haben auf Grund ihres Trägheitsmomentes die Fähigkeit, ein Stück weiterzulaufen, ohne weitere kinetische Energie durch Hangabwärtsbewegung aufzunehmen. Um zu überprüfen, ob die vorhandene Hangneigung im Gleichgewicht mit dem sortierten Sediment steht, kann deshalb für bestimmte Korngrößen und Hangneigungen errechnet werden, ob der Turbidit durch die bei dieser Hangneigung aufgenommene kinetische Energie in der Lage ist, die durch Reibung und Strömungswiderstand verlorene Energie zu ersetzen und die Partikel weiterhin in Suspension zu halten. Dieser Prozeß nennt sich 'Autosuspension'.
Mit der folgenden Gleichung ('Bagnolds Kriterium für Auto-Suspension', BAGNOLD 1962) kann berechnet werden, ob für das betreffende Sediment und die vorhandene Hangneigung Autosuspension möglich ist:
c
wsin a= 1
+-'
2
((p, -P_!,igH) u
P1U
(15)
Mit Hilfe dieser Formel erfolgte bei den untersuchten Proben unabhängig von
anderen errechneten Resultaten der Test, ob das Sediment an der betreffenden Position im Gleichgewicht mit der Hangneigung steht. Dies bedeutet, daß für alle Proben, die als turbiditisch abgelagert gekennzeichnet sind (s. Abb. 38), für das sortierte Korngrößenspektrum und die gegebene Hangneigung 'Autosuspension' als Antriebsprozeß für Turbidite denkbar ist.
Rein rechnerisch genügt einem Turbidit bei einer Dichte von 1 % und einer Mächtigkeit von 10 m eine Hangneigung von 1,2 Grad, um Foraminiferengehäuse der Art N. pachyderma in Suspension zu halten und ohne Energieverlust seinen Weg fortzusetzen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit ca. 2,3 m/s beträgt (s. a.
Formel 14).