Flusso di detriti

I flussi di detriti sono fenomeni geologici in cui masse di suolo carichi di acqua e rocce frammentate si precipitano giù per le montagne, incanalano nei canali del torrente, trascinano oggetti lungo i loro percorsi e formano depositi densi e fangosi sui fondovalle. Generalmente hanno densità apparenti paragonabili a quelle delle valanghe di roccia e di altri tipi di frane (circa 2000 chilogrammi per metro cubo), ma a causa della diffusa liquefazione dei sedimenti causata da elevate pressioni poro-fluide, possono fluire quasi altrettanto fluidamente dell'acqua. I flussi di detriti che scendono dai ripidi canali raggiungono comunemente velocità che superano i 10 m / s (36 km / h), anche se alcuni flussi di grandi dimensioni possono raggiungere velocità molto maggiori. I flussi di detriti con volumi fino a circa 100.000 metri cubi si verificano frequentemente nelle regioni montuose di tutto il mondo. I maggiori flussi preistorici hanno avuto volumi superiori a 1 miliardo di metri cubi (ovvero 1 chilometro cubo). A causa delle loro elevate concentrazioni di sedimenti e mobilità, i flussi di detriti possono essere molto distruttivi.

Notevoli catastrofi di flusso di detriti del ventesimo secolo hanno coinvolto oltre 20.000 vittime in Armero, in Colombia nel 1985 e decine di migliaia nello stato di Vargas, in Venezuela nel 1999.

Caratteristiche e comportamento

I flussi di detriti hanno concentrazioni volumetriche di sedimenti che vanno dal 40 al 50% circa e il resto del volume di un flusso è costituito da acqua. Per definizione, i "detriti" includono granuli di sedimenti di diverse forme e dimensioni, che vanno comunemente da microscopiche particelle di argilla a grandi massi. I resoconti dei media usano spesso il termine mudflow per descrivere i flussi di detriti, ma i veri mudflow sono composti principalmente da granelli più piccoli della sabbia. Sulla superficie terrestre, i flussi di fango sono molto meno comuni dei flussi di detriti. Tuttavia, i fanghi sottomarini sono prevalenti sui margini continentali sottomarini, dove possono generare correnti di torbidità. I flussi di detriti nelle regioni boschive possono contenere grandi quantità di detriti legnosi come tronchi e ceppi di alberi. Inondazioni di acqua ricca di sedimenti con concentrazioni solide comprese tra circa il 10 e il 40% si comportano in modo leggermente diverso dai flussi di detriti e sono note come inondazioni iperconcentrate. I flussi di flusso normali contengono concentrazioni ancora più basse di sedimenti.

I flussi di detriti possono essere innescati da intense piogge o scioglimenti delle nevi, da allagamenti di dighe o sfoghi glaciali o da frane che possono o meno essere associate a piogge intense o terremoti. In tutti i casi, le condizioni principali richieste per l'avvio del flusso di detriti includono la presenza di pendenze più ripide di circa 25 gradi, la disponibilità di sedimenti sciolti abbondanti, terreno o roccia esposta all'aria e acqua sufficiente per portare questo materiale sciolto a uno stato di saturazione quasi completa . I flussi di detriti possono essere più frequenti a seguito di incendi boschivi e boschivi, come dimostra l'esperienza nel sud della California. Esse rappresentano un rischio significativo in molte aree ripide e montuose e hanno ricevuto particolare attenzione in Giappone, Cina, Taiwan, Stati Uniti, Canada, Nuova Zelanda, Filippine, Alpi europee, Russia e Kazakistan. In Giappone un grande flusso di detriti o frana viene chiamato yamatsunami (山 津 波), letteralmente tsunami di montagna .

I flussi di detriti sono accelerati in discesa dalla gravità e tendono a seguire ripidi canali montuosi che sfuggono ai fan alluvionali o alle pianure alluvionali. La parte anteriore, o "testa" di un'ondata di flusso di detriti, contiene spesso un'abbondanza di materiale grossolano come massi e tronchi che conferiscono una grande quantità di attrito. Trailing dietro la testa del flusso ad alto attrito c'è un corpo di flusso a basso attrito, per lo più liquefatto che contiene una percentuale più elevata di sabbia, limo e argilla. Questi sedimenti fini aiutano a mantenere elevate pressioni del fluido poro che aumentano la mobilità del flusso di detriti. In alcuni casi il corpo del flusso è seguito da una coda più acquosa che si trasforma in un flusso di flusso iperconcentrato. I flussi di detriti tendono a muoversi in una serie di impulsi, o impulsi discreti, in cui ogni impulso o impulso ha una testa, un corpo e una coda distintivi.

I depositi di detriti sono facilmente riconoscibili sul campo. Costituiscono percentuali significative di molti fan alluvionali e coni di detriti lungo ripidi fronti di montagna. I depositi completamente esposti hanno comunemente forme lobate con musi ricchi di massi e i margini laterali dei depositi e dei percorsi di flusso di detriti sono comunemente contrassegnati dalla presenza di argini laterali ricchi di massi. Questi argini naturali si formano quando detriti relativamente mobili, liquefatti, a grana fine nel corpo di detriti scorrono le spalle da detriti grossolani e ad alto attrito che si raccolgono nelle teste a flusso di detriti come conseguenza della segregazione granulometrica (un fenomeno familiare nella meccanica granulare ). Gli argini laterali possono limitare i percorsi dei flussi di detriti che ne conseguono e la presenza di argini più vecchi fornisce un'idea delle dimensioni dei flussi di detriti precedenti in una determinata area. Attraverso la datazione di alberi che crescono su tali depositi, si può stimare la frequenza approssimativa dei flussi di detriti distruttivi. Queste sono informazioni importanti per lo sviluppo del territorio in aree in cui i flussi di detriti sono comuni. Gli antichi depositi di detriti esposti solo negli affioramenti sono più difficili da riconoscere, ma sono comunemente caratterizzati dalla giustapposizione di grani con forme e dimensioni molto diverse. Questo scarso ordinamento dei granuli di sedimenti distingue i depositi di detriti dalla maggior parte dei sedimenti deposti nell'acqua.

tipi

Altri flussi geologici che possono essere descritti come flussi di detriti in genere hanno nomi più specifici. Questi includono:

lahar

Un lahar è un flusso di detriti correlato in qualche modo all'attività vulcanica, sia direttamente a seguito di un'eruzione, sia indirettamente dal collasso di materiale sciolto sui fianchi di un vulcano. Una varietà di fenomeni può innescare un lahar, tra cui lo scioglimento del ghiaccio glaciale, intense piogge su materiale piroclastico sciolto o lo scoppio di un lago precedentemente arginato da sedimenti piroclastici o glaciali. La parola lahar è di origine indonesiana, ma ora viene abitualmente usata dai geologi di tutto il mondo per descrivere i flussi di detriti vulcanogenici. Quasi tutti i flussi di detriti più grandi e più distruttivi della Terra sono lahar che hanno origine su vulcani. Un esempio è il lahar che ha inondato la città di Armero, in Colombia.

jökulhlaup

Un jökulhlaup è un alluvione glaciale. Jökulhlaup è una parola islandese e in Islanda molte inondazioni di sfoghi glaciali sono innescate da eruzioni vulcaniche sub-glaciali. (L'Islanda si trova in cima alla cresta del Medio Atlantico, che è formata da una catena di vulcani prevalentemente sottomarini). Altrove, una causa più comune di jökulhlaups è la rottura di laghi con dighe di ghiaccio o di morena. Tali eventi di rottura sono spesso causati dall'improvviso parto del ghiaccio del ghiacciaio in un lago, che provoca un'onda di spostamento che fa breccia in una morena o diga di ghiaccio. A valle del punto di rottura, un jökulhlaup può aumentare notevolmente di dimensioni attraverso il trascinamento di sedimenti sfusi dalla valle attraverso la quale viaggia. Un ampio trascinamento può consentire all'alluvione di trasformarsi in un flusso di detriti. Le distanze di viaggio possono superare i 100 km.

Teorie e modelli dei flussi di detriti

Numerosi approcci diversi sono stati usati per modellare le proprietà del flusso di detriti, la cinematica e la dinamica. Alcuni sono elencati qui.

• I modelli a base reologica che si applicano ai flussi di fango trattano i flussi di detriti come materiali omogenei monofase (esempi includono: Bingham, viscoplastic, fluido dilatante di tipo Bagnold, tixotropico, ecc.)
• Dam break wave, ad esempio Hunt, Chanson et al.
• Rotolo d'onda, ad esempio Takahashi, Davies
• Onda progressiva
• Un tipo di traduzione di una diga di roccia

Bifase

La teoria della miscela, originariamente proposta da Iverson e successivamente adottata e modificata da altri, tratta i flussi di detriti come miscele di fluido solido a due fasi.

Nei flussi di massa reali a due fasi (detriti) esiste un forte accoppiamento tra il trasferimento del momento solido e quello del fluido, in cui la normale sollecitazione del solido è ridotta dalla galleggiabilità, che a sua volta diminuisce la resistenza di attrito, migliora il gradiente di pressione e riduce la pendenza trascina sul componente solido. La galleggiabilità è un aspetto importante del flusso di detriti a due fasi, poiché migliora la mobilità del flusso (distanze di viaggio più lunghe) riducendo la resistenza all'attrito nella miscela. La galleggiabilità è presente fintanto che c'è liquido nella miscela. Riduce la sollecitazione normale solida, le sollecitazioni normali laterali solide e la sollecitazione a taglio basale (quindi, resistenza all'attrito) di un fattore (1 − γ {\ displaystyle 1- \ gamma}), dove γ {\ displaystyle \ gamma} è il rapporto di densità tra il fluido e le fasi solide. L'effetto è sostanziale quando il rapporto di densità (γ {\ displaystyle \ gamma}) è grande (ad es. Nel flusso di detriti naturale).

Se il flusso è neutrale, ovvero γ = 1 {\ displaystyle \ gamma = 1}, (vedi, ad esempio, Bagnold, 1954) la massa di detriti viene fluidificata e si sposta su distanze di viaggio più lunghe. Ciò può accadere in flussi di detriti naturali altamente viscosi. Per flussi di galleggiamento neutro, l'attrito di Coulomb scompare, il gradiente di pressione solido laterale svanisce, il coefficiente di resistenza è zero e anche l'effetto della pendenza basale sulla fase solida scompare. In questo caso limitante, l'unica forza solida rimanente è dovuta alla gravità, e quindi alla forza associata alla galleggiabilità. In queste condizioni di supporto idrodinamico delle particelle da parte del fluido, la massa di detriti è completamente fluidizzata (o lubrificata) e si muove in modo molto economico, promuovendo lunghe distanze di viaggio. Rispetto al flusso di galleggiamento, il flusso di galleggiamento neutro mostra un comportamento completamente diverso. In quest'ultimo caso, le fasi solida e fluida si muovono insieme, la massa voluminosa dei detriti viene fluidificata, la parte anteriore si sposta sostanzialmente più lontano, la coda è indietro e viene ridotta anche l'altezza di flusso complessiva. Quando γ = 0 {\ displaystyle \ gamma = 0}, il flusso non subisce alcun effetto di galleggiamento. Quindi l'effettiva sollecitazione a taglio per attrito per la fase solida è quella del flusso granulare puro. In questo caso la forza dovuta al gradiente di pressione viene modificata, la resistenza è alta e l'effetto della massa virtuale scompare nel momento solido. Tutto ciò porta a rallentare il movimento.

Prevenzione dei danni

Al fine di impedire che i flussi di detriti raggiungano proprietà e persone, è possibile costruire un bacino di detriti. I bacini dei detriti sono progettati per proteggere il suolo e le risorse idriche o per prevenire danni a valle. Tali costruzioni sono considerate l'ultima risorsa perché sono costose da costruire e richiedono impegno per la manutenzione annuale.

Nella cultura popolare

Nel 1989, come parte del suo pezzo su larga scala David Gordon negli Stati Uniti , e successivamente, nel 1999, come parte dell'Autobiografia di un bugiardo , il coreografo David Gordon riunì la musica di Harry Partch e le parole di John McPhee di The Control of La natura , letta da Norma Fire, in una danza intitolata "Debris Flow", una "narrativa straziante registrata del calvario di una famiglia in un'enorme frana di LA ..."