Morphologie und Dynamik von Felsgerinnen

1. Morphologie und Dynamik von Felsgerinnen Jens M. Turowski Swiss Federal Research Institute WSL Vorlesung 4. Mai 2011, ETH jens.turowski@wsl.ch

2. Ziel • Die verschiedenen Erosionsprozesse, die in Flüssen passieren, vorzustellen • Zu beschreiben, wie Felsgerinne funktionieren (nach momentanem Verständnis) • Die Wichtigkeit von Sedimenten im Felsgerinne aufzuzeigen

3. Literatur • Tinkler & Wohl: Rivers over Rock – Fluvial processes in bedrock channels, AGU 1998 • Turowski: Semialluvial channels and sediment-flux-driven bedrock erosion, Wiley, im Druck

4. Erosionsprozesse • Chemische Erosion / Lösung (solution) • Kavitation (cavitation) • Schererosion (shear detachment, fluid stressing) • Impakterosion (impact erosion, abrasion) • Makroabrasion und Ausbruch (macro abrasion and plucking / quarrying)

5. Chemische Lösung der Minerale im Fels im Wasser Wichtig in Kalkstein und Evaporiten, aber auch z.B. Marmor Physische Prozesse dominieren in anderen Gesteinen Chemische Erosion

6. Kavitation • Bei hohen Geschwindigkeiten formen sich Gasblasen im Wasser • Benötigt hohe Fliessgeschwindigkeiten • Bisher im Fels nicht nachgewiesen

7. Schererosion • Felsmaterial wird durch die Scherspannungen des fliessenden Wassers gelöst • Nur in weichen Gesteinen möglich

8. Impakterosion • Aufschlagende Geschiebesteine entfernen kleine Splitter aus dem Fels Einschlagmarken auf Marmor (aus Wilson, Diss. 2009)

9. Vorbereitung durch Makroabrasion Risse im Gestein werden durch aufschlagendes Geschiebe vergrössert Blöcke werden durch Druckunterschiede mobilisiert und als Geschiebe abtransportiert Makroabrasion und Ausbruch

10. Dominante Erosionsprozesse • Allgemein wird angenommen, dass: • Impakterosion in massiven Gesteinen dominiert • Ausbruch in brüchigen Gesteinen dominiert • Wir haben aber wenige konkrete Verbindungen zwischen Prozess und Form „Upstream-facing concave form“ (UFCF) - Neue Studien in Feld und Labor weisen darauf hin, das diese typische Form durch Impakterosion entsteht… Fliessrichtung

11. Schubspannungsmodelle • Die verschiedenen Erosionsprozesse wurden als einfache Potenzfunktionen der Schubspannung am Bett beschrieben Exponent (prozessabhängig) Erosionsrate Schubspannung am Bett Koeffizient (substratabhängig) • Theoretische Werte für den Exponenten: • Kavitation: 3.5 • Schererosion: 1.5 • Impakterosion: 2.5 • Ausbruch: 1-1.5 (nach Whipple u.a., GSA Bull. 2000)

12. Auswirkungen auf die Gerinnemorphologie… • Lassen sich die Modelle auf Felddaten anwenden? • Ist es wirklich so einfach?

13. Ein paar Felsgerinne…

14. Ein paar Felsgerinne…

15. Ein paar Felsgerinne…

16. Ein paar Felsgerinne…

17. Ein paar Felsgerinne…

18. Gerinnemorphologie • Wie sind diese verschiedenen Typen entstanden? • Wie wirkt sich die unterschiedliche Sedimentmenge auf das Gerinne aus?

19. Es ist kompliziert… Kontrolparameter adapted from Schumm, River Variability and Complexity, CUP 2005

20. Kontrolparameter Stetige Gerinne… Fixpunkt in der Dynamik Nur lokale Eigenschaften sollten das Gerinne beeinflussen Erosionsrate gleich Hebungsrate Man muss den stetigen Zustand verstehen, um die Dynamik zu verstehen!

21. Kontrolparameter • Einfluss tektonischer Hebung • Hebung versteilt das Gerinne • Erosion verflacht das Gerinne • Ohne Hebung verlandet das Felsgerinne und wird alluvial!

22. Lieferung flussaufwärts Wasser Sediment Ausgangsniveau Untergrund (Fels) Kontrolparameter • Stetige Gerinne… Sedimentanlieferung Alluvium Qs Fels Sedimentfracht Erosion Hebung (tektonisch)

23. Kontrolparameter • Der Fluss hat zwei Aufgaben: • Transport des angelieferten Sediments • Erosion mit gleicher Rate wie die Hebung Sedimentanlieferung Alluvium Qs Fels Sedimentfracht Erosion Hebung (tektonisch)

24. Zwei einfache Erosionsmodelle • Erstes Modell: Erosion dominiert die Gerinnedynamik • Erosions-limitiertes Modell • Zweites Modell: Transport dominiert (alluviale Gerinne) • Transport-limitiertes Modell Abfluss Erosionsrate Neigung Geschiebetransportformel

25. Probleme • Die beiden Modelltypen liegen im Widerspruch • Keines der beiden beschreibt die vorhandenen Felddaten

26. Transientes Verhalten Erosions-limitiert:Advektion Knickpunktbewegung Viele Beispiele… Transport-limitiert:Diffusion Wenige Beispiele...

27. Transientes Verhalten • Beispiel: Quartäre Erosion einer alpinen Schlucht • (Valla, Van der Beek and Lague, JGR, 2010) Erosions-limitiert Transport-limitiert Original Original Elevation Heute Höhe Gemischtes Verhalten… Heute Longitudinal distance Distanz

28. Mehr Probleme… • Viele aktiv erodierende Flüsse sind semi-alluvial

29. Mehr Probleme… Viele aktiv erodierende Flüsse sind semi-alluvial Impakterosion ist in vielen Flüssen dominant

30. Mehr Probleme… Viele aktiv erodierende Flüsse sind semi-alluvial Impakterosion ist in vielen Flüssen dominant Man hat sowohl im Feld als auch im Labor gezeigt, dass Erosionsraten vom Sedimenttransport abhängen Sedimenttransportabhängige Modelle sind eine Lösung

31. Hydraulische Geometrie • Empirische Methode zur Beschreibung des Fliesquerschnitts Entlang des Gerinnes (downstream hydraulic geometry) An einem Querschnitt (at-a-station hydraulic geometry) Concavity index Steepness index ~0.5 ~0.4

32. Steilheit der Gerinnewände Taiwan: Alluviale Gerinne Exponent Taiwan: Felsgerinne Durchschn. Sedimentkonzentration Exponent Mass der Steilheit aus Turowski et al., Geomorphology 2008 Durchschn. Sedimentkonzentration

33. Werkzeuge und Bedeckung Werkzeugeffekt • Geschiebe erodiert durch Impakte • Mehr Sediment = höhere Erosionsraten Bedeckungseffekt • Sediment bedeckt und schützt das Bett • Mehr Sediment = kleinere Erosionsraten Einschlagmarken auf Marmor (aus Wilson, Diss. 2009) Teilweise bedeckter Fels in einem Gerinne in Taiwan

34. Werkzeuge und Bedeckung Werkzeugdominiert Bedeckungsdominiert Einschlagmarken auf Marmor (aus Wilson, Diss. 2009) Teilweise bedeckter Fels in einem Gerinne in Taiwan

35. Beispiel aus dem Labor • Werkzeug- und Bedeckungseffekt nachgewiesen • Sklar & Dietrich, Geology 2001 • Sediment in einer Erosionsmühle Machine a Lavé, Attal et al. JHE 2006

36. Landschaftsentwicklung • Cowie u.a., Geology 2008 • Felduntersuchung in Italien und Griechenland • Nachweis des Werkzeug- und Bedeckungseffekts im Feld über lange Zeiträume

37. Werkzeug, Bedeckung, Gerinnemorphologie… • Asymmetrische Erosion auf Bank und Bett • Bedeckung nicht aktiv auf der Bank • Hohes Sedimentaufkommen - Bedeckungsdominiert - Bankerosion • Niedriges Sedimentaufkommen – Werkzeugdominiert - Betterosion

38. Steilheit der Gerinnewände Taiwan: Felsgerinne Mass der Steilheit Steilere Bänke Exponent Durchschnittliche Sedimentkonzentration aus Turowski et al., Geomorphology 2008

39. Erosion in Lushui, Liwu Dry season • Bankerosion in grossen Abflüssen • Betterosion in kleinen und mittleren Abflüssen Typhoon Bilis From Hartshorn et al., Science, 2002

40. Taifun Long-Wang Messstation Lushui vor (Juli 2004) und nach (Dezember 2005) Taifun Long-Wang, 1. Oktober 2005 aus Turowski et al., ESPL 2008

41. Erosion und Bedeckung Nicht wie Bild skaliert • Kumulative Erosion in Lushui in 2005 • Maximale Erosion auf der Höhe der höchsten Terrassen nach Taifun Long-Wang aus Turowski et al., ESPL 2008

42. Konzeptionelles Modell • Transportkapazitität proportional zum Abfluss • Sedimentanlieferung als Potenzgesetz Exponent legt die Dynamik fest

43. Konzeptionelles Modell • Möglichkeit I – λ>1 (Liwu) Kleine / mittlere Ereignisse erodieren Grosse Ereignisse lagern ab • Feldbeispiele: • Liwu (Hartshorn u.a., Science 2002; Turowski u.a., ESPL 2008) • Henry Mts (Johnson u.a., JGR 2010) • Sabie, Südafrika (Heritage u.a., 2004)

44. Dynamisches Model: SSTRIM • Dieses Verhalten ist auch in komplexeren Modellen gezeigt worden (SSTRIM, Lague, JGR 2010; Howard, in Rivers over Rock, 1998) Abfluss Sedimentmächtigkeit Betterosion Bankerosion

45. Konzeptionelles Modell • Möglichkeit II – λ<1 Sedimentevakuierung und Erosion während Hochwasser Während Niedrigwasser alluviales Verhalten • Feldbeispiele • Erlenbach, Alptal (nicht publiziert) • Sabie, Südafrika (Heritage u.a., 2004)

46. Schlussfolgerungen • Sowohl Sedimenttransport als auch Erosion sind wichtig!

47. Schlussfolgerungen Sowohl Sedimenttransport als auch Erosion sind wichtig! Mit Transportabhängigen Erosionsgesetzen können wir vorhersagen: Verschiedene Gerinnetypen Hydraulische Geometrie für Neigung und Breite

48. Schlussfolgerungen Sowohl Sedimenttransport als auch Erosion sind wichtig! Mit Transportabhängigen Erosionsgesetzen können wir vorhersagen: Verschiedene Gerinnetypen Hydraulische Geometrie für Neigung und Breite Ein einziger, repräsentativer Abfluss ist nicht ausreichend, um die Gerinnedynamik zu verstehen

49. Danke für‘s Zuhören! Fragen?