NTF Oddelek za geologijoREČNA SEDIMENTACIJA NA PRIMERU MEANDRA NA GRADAŠČICI PRI HRASTENICAH 2. seminarska naloga Jošt V. Lavrič študent IV. letnika - 1996 / 97 Mentor: prof.dr. Jože Čar, dipl.ing.geol.
KAZALO 0. ZAHVALA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1. UVOD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 2. ZBIRANJE IN OBDELAVA PODATKOV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 2.1 Raziskave meandrskih rečnih sedimentov v literaturi. . . . . . .3 2.2 Terensko in laboratorijsko delo . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Izmera terena in izdelava pregledne karte ozemlja. . . . . . . .4 Meritev vodnega pretoka in Froudovo število . . . . . . . . . .4 Analiza prodnikov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Granulometrična analiza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 3. INTERPRETACIJA REZULTATOV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.1 Energija vodnega toka in transport materiala. . . . . . . . . . .5 3.2 Strukturni in teksturni elementi. . . . . . . . . . . . . . . . .6 4. ZAKLJUČEK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 5. LITERATURA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Opomba: Priloge zaenkrat žal še niso dosegljive. V Ljubljani, dne 2.6.1997 Jošt V. Lavrič
0. ZAHVALA Na tem mestu bi se rad zahvalil tistim, ki so mi pomagali pri izdelavi seminarske naloge: mentorju J. Čarju za podporo, potrpežljivost in konstruktivno kritičnost, kolegicama M. Bizjak in S. Čertalič za pomoč pri delu na terenu, A. Šešelj za opravljene analize ter nenazadnje svoji mami za materialno-tehnična sredstva in vse ostalo, brez česar tega dela ne bi bilo.
1. UVOD Osnovna karakteristika rečnega toka je enosmerni transport materiala po toku navzdol, tako v tej smeri tudi prihaja do sprememb v sedimentih in dnu reke. Značilnost rek je nihanje vodne gladine in spreminjanje hitrosti toka ter s tem tudi nihanje količine prenešenega materiala. Pri tem se spreminja tudi granulometrijska sestava transportiranega materiala ter razmerje med erozijo in sedimentacijo. Glede na to, da so lahko pogoji na relativno kratkih razdaljah tako vertikalno kot tudi bočno precej različni, so lahko zelo različni tudi sedimenti, ki pri tem nastajajo. Seminar ni mišljen kot popoln pregled meandrske sedimentacije z vsemi svojimi posebnostmi, temveč je bil moj cilj opisati tiste elemente rečne sedimentacije (predvsem sedimentološke teksture in strukture ter značilne oblike), ki sem jih lahko na obravnavanem meandru in v njegovi bližnji okolici prepoznal. Rečno sedimentacijo sem študiral na primeru meandra na Gradaščici pri vasici Hrastenice, ki leži ob cesti Ljubljana - Polhov gradec, približno 10 kilometrov iz Ljubljane (priloga 1). Na tem mestu je tok reke Gradaščice od ceste oddaljen 50 do 150 metrov. Razume se, da ni bilo mogoče pričakovati idealnih pogojev za delo, saj so človeški posegi v naravno okolje tu že zelo veliki. Med drugim je bilo opravljeno delno utrjevanje levega rečnega brega in narejen umeten nasip. Tudi desnemu bregu ni bilo v celoti prizanešeno. Namen teh del je bila preprečitev nadaljnega odnašanja in pretiranega poplavljanja obdelovanih površin (njive, travnik), ki ležijo tik ob reki na njenem levem in desnem bregu. V bistvu so opisani posegi v prostor pomenili še dodatno zanimivost pri delu, saj je bilo možno opazovati razlike pri razvoju meandra na utrjenem in na neutrjenem delu brega. Delo je bilo razdeljeno na terenski in laboratorijski del ter interpretacijo dobljenih rezultatov. Pri delu na terenu sem uporabljal geološki kompas, geološko kladivo, meter, (umerjeno) vrv za izmero večjih razdalj, lopato; za dokumentiranje svojega dela sem uporabil fotoaparat in terenski dnevnik. Na terenu so bili vzeti različni vzorci (za sejalno analizo, prodniki) in opravljene določene meritve (slemenitev, vpad, velikost prodnikov,itd.). Naredil sem nakaj razkopov, tako da sem lahko opazoval bočne in vertikalne spremembe v sedimentaciji. Za potrebe izdelave pregledne karte meandra in postavljanja opaženih elementov v prostor, je bila opravljena izmera terena (kroki). Opravil sem tudi meritev vodnega pretoka. Po obdelavi na terenu in v laboratoriju pridobljenih podatkov (izdelava ustreznih preglednic in diagramov), je sledila interpretacija le-teh.
2. ZBIRANJE IN OBDELAVA PODATKOV 2.1 Raziskave meandrskih rečnih sedimentov v literaturi Model bočne migracije meanderskih sipin in pripadajočih sedimentoloških sekvenc je bil razvit koncem 50-ih in v začetku 60-ih let (Bersier, 1958; Friend, 1961; Allen, 1962). V začetku 60-ih let se je pokazalo, da ima lahko bočna migracija rečnega korita za posledico nastanek sekvenc s postopno zrnavostjo pri čemer tipične oblike korita niso nujno vidne (Frazier & Osanik, 1961; Oomkens & Terwindt, 1960). Sekvence in strukture, ki nastajajo kot posledica bočne migracije meanderskih sipin je še posebej učinkovito opisal Allen (1963) (priloga 2). Leta 1964 so na simpoziju v Torontu (SEPM) sprejeli znameniti "idealiziran fluvijalni model", ki je bil pozneje veliko uporabljan po celem svetu. Allenov model je šele leta 1976 kritično ocenil R.G. Jackson, ki je ugotovil, da je model preveč preprost, saj ni jemal v obzir nikakršnih sprememb toka (letne, dolgoročne, katastrofične spremembe) in ostalih dejavnikov (tektonika, spremembe klime, itd.). Dejstvo je, da tako kompleksnih sistemov, kot meandrska sedimentacija gotovo je, nikakor ne smemo preveč poenostavljati, saj je odvisna od mnogih dejavnikov, ki vsi prispevajo k podobi in sestavi meandra. Kakšna naj bi bila značilna morfologija in facies aluvijalne poplavne ravnine (značilna sekvenca), ki je prerezana z meandrirajočimi koriti, je podano v prilogi 3 (Selley, 1975). Shemo dolinskega zasipa ter slovensko poimenovanje glavnih morfoloških in sedimentnih oblik meandrskega rečnega toka, je objavil Skaberne (1996) (priloga 4). 2.2 Terensko in laboratorijsko delo Izmera terena in izdelava pregledne karte ozemlja Da bi lahko pregledno predstavil obliko, velikost in orientacijo terena, ki sem ga raziskoval, sem uporabil tehniko krokija. Pri delu smo uporabili dve palici, deset metrov umerjene vrvi in geološki kompas. V izgotovljen kroki sem naknadno vrisal večino opaženih sedimentacijskih in morfoloških elementov (priloga 5) ter izdelal še shematski profil S-S' (priloga 6). Meritev vodnega pretoka in Froudovo število Pretok reke sem zgolj ocenil z metodo plovca in ga je treba jemati kot približek. Meritev sem ponovil trikrat; podroben zapis je podan v prilogi 7. Poleg pretoka sem na osnovi dobljenih podatkov izračunal še Froudovo število (priloga 7). Enako kot pri pretoku, velja tudi tu rezultat upoštevati zgolj kot približek. Analiza prodnikov S pomočjo prodnikov lahko določimo smer vodnega toka in transporta. V ta namen sem na petih različnih mestih na meandrski sipini omejil prodnike v obliki kvadrata 50x50cm in izmeril njihov vpad in velikost, ocenil zaobljenost (po Powersu, 1953) ter odstotek finozrnatega materiala med njimi. Meritve in statistična obdelava dobljenih podatkov so podani v prilogah od 8 do 14. Z litološko sestavo prodnikov se nisem podrobneje ukvarjal. Kolikor pa sem lahko ocenil med delom, je zelo raznolika. Granulometrična analiza Da bi pokazal razlike pri meanderski sedimentaciji, ki so odvisne od mikrolokacije v meandru, sem na treh mestih vzel vzorec rečnega sedimenta. V laboratoriju sem naredil sejalno analizo; frakcije vzorcev, ki so vsebovale delce s premerom manjšim od 0,063mm, pa sem dal analizirati s pomočjo lasersko podprte sedimentacijske metode. Podatki in rezultati analize so razvidni iz prilog od 15 do 20. Zakaj je laserska analiza še vedno pokazala določen odstotek delcev, ki imajo večji premer od 0,063mm, ne vem zagotovo. Po vsej verjetnosti gre razlog za to iskati v več dejavnikih. V poštev pride kontaminacija posameznih frakcij vzorca pri sejalni analizi iz različnih vzrokov (nepazljivost, poškodovanost sit,...), sistematična napaka laserske metode, nepredvideni dejavniki itd. Kljub tej napaki pri meritvah, je viden določen trend granulometrične sestave sedimenta glede na svojo lokacijo v meandru.
3. INTERPRETACIJA REZULTATOV 3.1 Energija vodnega toka in transport materiala Pretok Gradaščice je močno spremenljiv in se dokaj hitro odziva na spremembe v svojem hidrološkem zaledju. že ob malo daljšem obdobju (1 do 2 dneva) močnih padavin, lahko pretok občutno naraste in gladina se zviša tudi za 2 metra (na opazovanem mestu pri meandru). če gre verjeti pričevanju lastnice okoliške zemlje, je v zadnjih 75 letih voda le enkrat v celoti preplavila tudi ravnino med občasno aktivnim opuščenim koritom (mrtvica - ob visokih vodah jo voda poplavi) in koritom Gradaščice. Ob prenehanju padavin pretok tudi hitro upade. V času dela na terenu sta bila nivo vode in s tem pretok relativno nizka (ocena pretoka v času opazovanja je podana v prilogi 7). Glede na ocenjeno hitrost vodnega toka izračunano Froudovo število (Fr 0,29) kaže na spodnji tokovni režim oz. subkritične pogoje. Sklepam, da v času nizke vodne gladine poteka transport materiala v pretežni meri v suspenziji in je transport materiala po dnu omejen le na delce manjših premerov (kvečjemu do velikosti peska). Ob povečanih pretokih gre seveda pričakovati določeno spremembo tokovnega režima ter s tem tudi razmerja transport/sedimentacija, vendar do prehoda v zgornji tokovni režim po mojem mnenju pride samo redko (ob večjem deževju,ipd.). 3.2 Strukturni in teksturni elementi Material, ki zapolnjuje aktivna korita, predstavljajo večinoma sipine. Pri sipinah ločimo tri osnovne elemente oz. skupine: plastne oblike, koritne oblike in enotne sipine (Ashley, 1990). Valovne sipinice spadajo k plastnim oblikam in sem jih našel na delih korita, kjer se je globina vode zmanjša (pred vstopom v žleb, na koncu meandra). Nastajajo v peščenem sedimentu prečno na smer vodnega toka. Valovne sipinice so relativno slabo obstojne oblike in lahko hitro menjajo svoj položaj in velikost. Neredko povsem izginejo in se potem oblikujejo na novo (odvisno od trenutnih pretočnih razmer). Dolžina valovnih sipinic je nihala približno od 0,1 do 1,0m, v eni skupini pa je bilo sipinic lahko od dveh, treh do deset in več. H koritnim oblikam spadata obe meandrski sipini, ki se našem primeru stikata. Poleg tega sem določil tudi vzporedne sipine (vsaj tri), ki potekajo vzporedno z meandrskima sipinama. Natančneje jih nisem mogel preučiti, ker so bile večinoma močno prerasle z grmičevjem in travo. Opažene vzporedne sipine so vseeno lep pokazatelj, na kakšen način se je rečno korito bočno premikalo. Zato sklepam, da je s travo poraslo ozemlje med reko in mrtvico sestavljeno iz večih sipin. Ob izhodu žleba leži lepo izražena žlebna sipina, ki spada k enotnim sipinam. Nastaja iz materiala, ki ga voda nosi po žlebu in zasipa korito reke. Tako nastaja na koncu najglobjega dela meandra neke vrste prag, ki povzroča še dodatno zmanjšanje hitrosti vodnega toka (na kar kaže tudi pojav valovnih sipinic na tem mestu) V grebenu meandrske sipine (vzorčno mesto 1) je material najbolj grobozrnat (delež delcev s premerom >2,0mm je kar 41%) - delcev velikosti peska in manjših, je tam samo dobrih 58%. Takšno porazdelitev lahko razložimo z načinom nastanka meanderskega grebena. Nastaja, ko ima vodni tok relativno veliko moč t.j. takrat, ko lahko še poteka transport bolj grobozrnatega materiala, za usedanje materiala, ki potuje v suspenziji, pa še ni ugodnih pogojev. Naslednje vzorčno mesto je bilo ob vznožju grebena sipine, na začetku žleba (vzorčno mesto 2). žleb nastane, ko vodni tok prebije meandrsko sipino oz. po domače povedano, seka ovinek. Del vodnega toka, ki se odcepi v žleb, ima lahko precej veliko energijo, kar se kaže tudi v določenem odstotku delcev s premerom >2,0mm (3,3%). Ko začenja gladina vode v reki počasi upadati, začne upadati tudi energija vodnega toka v žlebu. Upadanje energije toka je še toliko večje, ker je globina vode v žlebu veliko manjša od globine vode v strugi. Posledično se v žlebu začne med in nad grobe delce (2r > 2mm) odlagati bolj droben material. V tem drobnejšem materialu sem našel v prvi tretjini žleba tokovne sipinice, katerih glavna smer je sicer vzporedna s tokom, v bistvu pa kar opazno vijugajo. Razlog za to je ponovno v upadanju gladine vode in energije toka. V žlebu so tako v daleč največji meri zastopane frakcije s premerom 2 - 0,315mm. Za odlaganje finejših delcev postanejo z upadanjem vodne gladine pogoji vse slabši, saj je za usedanje delcev iz suspenzije pomembno mirno okolje t.j. po možnosti stoječa voda. Tako predstavlja v vzorcu, vzetem iz žleba, delež delcev, s premerom manjšim od 0,315mm, samo 7% celotne mase. Povsem drugačni pogoji sedimentacije se pojavljajo na poplavni ravnini in v poplavnih kanalih. Da bi preveril in ponazoril to trditev, je bil vzet vzorec na meji mrtvice in poplavne ravnine (vzorčno mesto 3). Sedimentacija na poplavljenih delih terena je zaradi majhne količine materiala, ki ga voda nosi čez ta del, relativno skromna. Tako se ob poplavah na poplavnih površinah vertikalno odložijo manjše količine drobnozrnatega materiala, ki ga je voda prinesla s seboj v suspenziji. Plastnatost ali laminacija sicer ni bil vidna, lahko pa to trditev podkrepim z rezultati analize vzorca št.3. Delcev s premerom večjim od 0,315mm v vzorcu sploh ni bilo, glavnina materiala (slabih 95%) pa je imela manjši premer od 0,125mm. Pri tem moram opozoriti na težave, ki sem jih imel pri obdelavi vzorca. Zaradi drobnozrnatosti, se je vzorec pri sušenju začel sprijemati v različno velike strukturne agregate, ki jih je bilo pred analizo skoraj nemogoče v celoti spet razpustiti, ne da bi pri tem poškodoval primarnih delcev v vzorcu. Vsled tega sem mnenja, da je vzorec v resnici še bolj drobnozrnat, kot to kažejo rezultati analize. Naj bo tako ali drugače; razlika v zrnavosti med posameznimi vzorci je kljub temu več kot očitna. Pri obdelavi prodnikov dobljene vrednosti za sploščenost (2,7 - 4,3) precej presegajo standardne vrednosti za rečno korito (1,2 - 1,6), poleg tega prevladujejo podolgovati prodniki nad okroglimi. Ta podatek kaže na relativno kratko dolžino transporta materiala. Na nizko energijo vodnega toka kaže imbrikacija, ki je vidna v prodnikih meandrske sipine. Orientirani so značilno za nizkoenergetska okolja (večja ploskev obrnjena proti smeri vodnega toka). Podatke o orientiranosti prodnikov sem vnesel na rozetni diagram in Schmidtovo mrežo (prilogi 13 in 14). Iz njih je, kljub majhnemu številu meritev, relativno lepo razločna smer vodnega toka. Iz diagramov je razvidno, da podatki najbolj variirajo na vzorčnem mestu št.2. To lahko razložimo z lego tega vzorčnega mesta, saj se nahaja v centru meandrske sipine. Od tam se sipina rahlo spušča na eni strani proti rečnemu koritu in žlebu na drugi. Poleg tega se sipina v smeri toka tudi rahlo dviguje, tako da je najvišja prav proti koncu meandra. Seveda gre pri teh naklonih za zelo majhne naklonske kote (ne več kot nekaj stopinj). Tam kjer je sipina najvišja, sem našel prodnike manjših premerov in več drobnozrnatega materiala, kot na osrednjem delu sipine. Sklepam, da je to posledica izgube energije vodnega toka, ki pada od začetka proti koncu meandra. Drobnejši material se odlaga pozneje, tako da v bistvu nastaja sipina, katere slemenitev poteka prečno na smer toka reke. Poleg tega je na sipini opazno bočno spreminjanje velikosti prodnikov; od obale proti vodi so namreč vse večji. Medtem, ko jih ima ob obali večina premer okoli 5 cm (max. 10cm - pri tem nisem upošteval prodnikov v žlebu), znaša povprečen premer prodnika ob samem toku reke okoli 12cm (max. 25cm). Razlog, da se sipina ne dviguje enakomerno proti obali, gre iskati v žlebu. Le-ta seka sipino ravno na njenem stiku z obalo, zato je na tem mestu, namesto najvišjega dela sipine, poglobitev. če povzamem - opazil sem postopno zrnavost na meandrski sipini v dveh, med seboj skoraj pravokotnih smereh. Ni torej nenavadno, da so prav na vzorčnem mestu št.2 bili zabeleženi najbolj kaotični vodni tokovi, saj se le-ti zaradi oblike dna (ob visokih vodah je sipina poplavljena) tu cepijo oziroma prihajajo iz različnih smeri. Na ostalih vzorčnih mestih prodnikov so podatki precej bolj enotni in so sprejemljivo blizu pričakovanih vrednosti glede na lego vzorčnih mest. Na grebenu meandrske sipine sem naredil razkop, v katerem je bilo možno opazovati slabo izraženo navzkrižno plastnatost, v posameznih plasteh pa slabo izraženo normalno postopno zrnavost (priloga 21). V žlebu sem na dveh mestih izkopal približno 0,75m globoko luknjo, tako da sem lahko opazoval vertikalno zgradbo žleba in pod njim ležeče meandrske sipine. Opazna je bila dokaj izražena normalna postopna zrnavost v vsaj dveh sekvencah, kar je bilo, glede na tipično sekvenco za taka okolja, tudi pričakovati. Na konkavnem delu meandra (levi breg) ležijo v drobnozrnatem sedimentu oz. tleh vložki bolj grobozrnatega materiala. Vse kaže na to, da gre za ostanke nekdanjih prebojnih pahljač, zagotovo pa tega brez dodatnih raziskav ne morem trditi.
4. ZAKLJUČEK Na opisanem meandru je bilo možno opazovati in preučevati večje število sedimentnih struktur in tekstur ter morfologijo, značilnih za rečno sedimentacijsko okolje. Zaradi posegov v okolje s strani človeka razmere seveda niso bile idealne, kar sem moral pri svojem delu vseskozi upoštevati. Vsekakor je ostalo še dovolj snovi za morebitno nadaljevanje dela. Predvsem bi bilo zanimivo podrobneje preučiti vertikalno zgradbo ozemlja.
5. LITERATURA - Dimitrijević, Mara & Milorad, 1989, Depozicioni sistemi klastita. Jugoslavenski komitet svjetskih kongresa za naftu, časopis "Nafta" in Institut za geološka istraživanja, Zagreb. - Lapidus, D.F., 1987, Collins dictionary of geology. Collins, Glasgow. - Scholle, P.A. & Spearing, D.(ed.), 1982, Sandstone Depositional Environments. The American Association of Petroleum Geologists, Tulsa (Oklahoma,ZDA). - Skaberne, D., 1996, Rečni sistemi in njihovi sedimentacijski modeli. Geologija 37/38, Geološki zavod Ljubljana in Slovensko geološko društvo, Ljubljana. - Summerfield, M.A., 1991, Global Geomorphology. Longman Scientific & Technical, New York. - terenski zapiski - zapiski s predavanj Sedimentologija v šolskem letu 1995/96.