Bài giảng Địa chất biển đại cương Phần 3: Thủy động học của biển và đại dương

CHƯƠNG 3

THỦY ĐỘNG HỌC
CỦA BIỂN VÀ ĐẠI DƯƠNG


Vịng tuần hồn của các dịng hải lưu có vai trị rất
quan trọng đối với:
• xói mịn và vận chuyển vật liệu trầm tích
• Điều hịa nhiệt độ thủy quyển và khí quyển
• cân bằng sự ổn định/bền vững của môi trường sống

Sự phân bố và hoạt động của các dịng hải lưu phụ
thuộc mạnh mẽ vào:
• Sự chênh lệch tỉ trọng của nước mà nó là kết quả của sự chênh
lệch về: nhiệt độ, độ mặt
• Tuần hồn của khí quyển
• Địa hình đáy biển


• Do có sự chênh lệch về tỉ trọng nên nước biển và đại
dương có sự phân tầng/phân đới theo chiều thẳng đứng
• Đới trên cùng có độ sâu vài trăm mét chịu tác động mạnh
của sóng, thủy triều, bức xạ mặt trời nên được gọi là đới
hỗn hợp. Các hoạt động của dòng chảy chủ yếu diễn ra
theo phương ngang
• Các đới nằm sâu hơn có chu trình thủy hải lưu hoạt động
do sự chênh lệch về tỉ trọng và có đặc điểm ngèo oxi.

Hoạt động quay của trái đất làm lệch hướng
chuyển động của vật thể về bên phải ở bán cầu
bắc và lệch về bên trái ở bán cầu nam.


(Ekman) do hiệu ứng
coriolis mà gió có thể
làm cho nước trên
mặt chuyển động ở
một góc tối đa là 45o
so với hướng gió.

Liên quan đến xoắn Ekman là hiện tượng dịng trồi (upwelling),
xảy ra khi bờ biển nằm bên trái hướng gió thổi. nước ấm và
nhẹ được vận chuyển đi xa và nước lạnh là nặng giàu chất
dinh dưỡng ở dưới sâu trồi lên

Lực coriolis làm lệch
hướng của từng lớp
nước nhiều hơn so
với hướng gió theo
độ sâu cho đến khi
lực ma sát và
chuyển động của
dịng do gió khơng
cịn đáng kể. Do vậy
mà vận tốc giảm dần
và độ lệch tăng dần

theo độ sâu. Cấu
trúc vận tốc dạng
xoắn này đc gọi là
xoắn Ekman


Các dạng dịng chảy khác
1. Dịng phân kì
2. Dịng hội tụ =>hình thành lên dịng
hút chìm (trụt, downwelling)
3. Dịng nước sâu/dòng đáy


CÁC QUÁ TRÌNH THỦY ĐỘNG
HỌC ĐỚI VEN BIỂN VÀ VẬN
CHUYỂN TRẦM TÍCH


SĨNG
•

Phần lớn sóng ở đại dương được hình thành do gió. Sóng có thể di
chuyển trên một diện tích và qng đường rất lớn. Trong q trình
di chuyển, sóng có thể thay đổi biên độ nhưng vẫn duy trì được
bước sóng và chu kỳ ổn định.

•

Khi vào đến ven bờ, biên độ, bước sóng và chu kỳ của sóng biển
do tác động của một loạt các yếu tố như độ sâu đáy biển, địa mạo

đáy biển, hình thái đường bờ,...


L
c=
T

H
x t
η = cos 2Π ( − )
2
L T

•

Mặc dù sóng biển/đại dương thường thay đổi theo thời gian và khơng gian nhưng
trong phạm vi hẹp có thể coi là sóng tuyến tính (sóng airy) khi chiều cao sóng có giá
trị nhỏ so với bước sóng và độ sâu đáy biển.

•

ƞ – độ cao sóng theo thời gian so với mực nước tĩnh

•

c – vận tốc truyền sóng

•

x – Khoảng cánh theo phương nằm ngang

Độ sâu Vs tốc độ truyền sóng
•

Nước sâu: h/L ≥ 0,5

gT
Co =
2Π
gLo
Co =
2Π
Nước nông: h/L ≤ 0,04

C = gh
Vùng chuyển tiếp: 0,5 > h/L > 0,04

gT
C=
tan g (kh) = Co tan g (kh) < Co
2Π
k – Trị số sóng,

2Π
k=
L


Sự khúc xạ của sóng

Sinα
L
C
=
=
= tan g (kh)
Sinα o Lo C0

• Khi sóng tiếp bờ với đường đỉnh sóng lệch so với đường đồng mức độ
sâu đáy biển một góc α nào đó sẽ làm cho đường đi của sóng bị khúc xạ
và có xu hướng // với đường đồng mức độ sâu và đường bờ.
• Vận tốc và bước sóng cũng giảm theo




Sóng đổ

•

Sóng đổ khi chiều cao sóng đạt mức độ tới hạn, Một phần lớn năng
lượng sóng chuyển sang dạng động năng rối (turbulent)


Sóng đổ
Điều kiện sóng đổ
• Trường hợp chung:
hb=1,28.Hb
(b- thời điểm sóng đổ)
• Đối với sóng đơn:

H/L<1/7
ɣ = H/h ≥ 0.78
• Trong thực tế ɣ thay
đổi từ 0,4 – 1,2, tùy
thuộc vào độ dốc của
bãi biển.



•

Đới sóng đổ (surf zone) đặc trưng bởi nước có
nhiều bọt và hịa tan khơng khí nhiều hơn


Dịng chảy dọc bờ

•

Dịng dọc bờ hình thành khi sóng tiếp cận đường bờ theo một góc lệch nào đó.

•

Độ rộng của dòng dọc bờ tương đương với độ rộng của đới sóng đổ

•

Có khả năng vận chuyển trầm tích lớn

Dịng ngang bờ
•

Độ rộng của dịng ngang bờ hẹp

•

Chảy vng góc với đường bờ

•

Di chuyển qua đới sóng đổ và nhanh
chóng bị triệt tiêu khi đi ra ngồi vùng
nước sâu

•

Vận chuyển trầm tích từ bãi biển ra
vùng nước sâu


Dịng ngang bờ

Hướng thốt hiểm ra khỏi khu vực nước cuốn bởi dòng ngang bờ


Vận chuyển trầm tích
Vật liệu trầm tích được vận chuyển do tác dụng của ứng suất trượt đáy Ƭo
Ƭo= Ƭos + Ƭof + Ƭot
Ƭos Ma sát tương tác hạt

Ƭof Lực cản bề mặt đáy
Ƭot Lực vận chuyển do chuyển hóa moment làm dịch chuyển vật liệu
Ở thời điểm vật liệu bắt đầu chuyển động ta có Ƭo = ƬCR

θ=
θ CR

τ
( ρ s − ρ ) gD
τ CR
=
( ρ s − ρ ) gD

θ CR

0,3
=
+ 0,055[1 − exp(−0,02 D* )]
1 + 1,2 D*

Ʋ: độ nhớt động lực học của nước =µ/ρ
θ: Trị số Shield
ρ=1000kg/m3 cho nước ngọt và bằng 1035 kg/m3 cho
nước biển
Ʋ = 1,0x10-6 m2/s µ ~1,0x10-3 N s/m2

1
3

 g ( s − 1) 

D* = 
2
 D
 υ

s=

ρs
ρ


•

θs< θCR: Khơng có vận chuyển trầm tích

•

θCR≤ θs ≤0,8: Có vận chuyển tt trên bề mặt lượn sóng

•

θs ≥0,8: Trầm tích vận chuyển dưới dịng chảy dạng tấm