Ensaios experimentais foram realizados com o intuito de criar condições ao escoamento das correntes de turbidez a alcançar um estado de equilíbrio dinâmico, o qual é associado à escoamentos com alta capacidade de transferência de sedimentos para a bacia submarina. De-vido à sua imprevisibilidade e dificuldades de medição, os dados obtidos em ambientes natu-rais das correntes de turbidez são escassos, porém sua importância na geração de reservas de hidrocarbonetos é amplamente reconhecida. Duas séries experimentais foram realizadas, para tanto, um canal unidirecional (5,38 m (C) x 0,30 m (L) x 0,38 m (A)) foi utilizado, sob uma declividade de 3°. As correntes foram compostas por caulim fino (ds = 23um) e uma des-carga contínua ( q = 21/s) foi mantida em todo o experimento. Nos ensaios de maior concen-tração (Fase A – Cv = 2,7%), o escoamento acelerou ao longo do tempo, diluindo-se e di-minuindo a resistência junto ao leito. Já a Fase B (menor concentração – Cv = 1,25%) indica uma retração do fluxo (redução na espessura), desenvolvendo uma camada basal de maior concentração e cisalhamento. O estado de equilíbrio do escoamento, a partir da formação e equilíbrio das formas de fundo, foi atestado através da análise dos modelos teóricos e das equações governantes, sendo função do número de Richardson normal (RiN ≈ 0,41). Inclusi-ve, o escoamento assemelhou-se ao escoamento uniforme em canal, de modo que, para uma mesma descarga, o escoamento ajustou-se a uma mesma declividade (S ≈ 0,07) e coeficiente de resistência (cf ≈ 0,015). Os resultados indicam para a potencialidade das correntes de tur-bidez em gerar as chamadas Ondas Sedimentares, estruturas encontradas em ambientes natu-rais semelhantes às antidunas fluviais. A evolução temporal da declividade e sua importância para obtenção de um estado de equilíbrio, indica que, através da manutenção de uma descarga de sedimentos (e.g. por cheias fluviais, instabilidades de acumulação deltaica), as correntes tem capacidade de alcançar um estado de equilíbrio com o leito, mesmo em regime de deposi-ção. Boas correlações dos experimentos simulados com o uso de modelos de previsão de for-mas de fundo fluviais e a desenvolvimento similar das ondulações geradas são novos indícios que atestam a semelhança entre os mecanismos de geração e formação das formas de fundo às geradas por escoamentos fluviais. Além disso, a caracterização da camada basal da corrente, responsável pela maior parte do transporte sedimentar e com perfis característicos semelhan-tes aos de escoamento fluviais, geraram melhor correlação dos dados experimentais com os modelos fluviais. / Turbidity currents were simulated in laboratory in order to allow the flows to reach an dynamic equilibrium condition, which is related to natural flows of great potential of transfer-ring sediment into the submarine basin. Natural observation and measurements from turbidity currents are very rare due to its unpredictability and difficulties, however its role in the gener-ation of hydrocarbons reservoirs it is widely recognized. Two experimental series were per-formed with the use of an unidirectional tank (5,38 m long, 0,30 m wide and 0,38 m high), which sited in a slope of 3 degrees. The flows were composed by kaolin (ds = 23um) and fed the tank continuously with the same discharge (q = 21/s). High concentration (Phase A – Cv = 2,7%) flows accelerated trough time, diluting it and reducing shear on the bed. Phase B experiments (low conc. – Cv = 1,25%) indicated flow retraction (lower H and U) and the development of a high concentration basal layer, together with higher bed shear. The equilib-rium stage between the flow and the bedforms was verified with the use of theoretical models and governing equations, at the end it was verified that it was a function of the normal Rich-ardson number (RiN ≈ 0,41). Plus, a similar behavior of the flow with uniform open channel flows was verified, in a way that for a given discharge, the flow was set to the same slope (S ≈ 0,07) and drag coefficient (cf ≈ 0,015). Also, new results indicate the potential of tur-bidity currents to generate sedimentary waves, particular features found in natural environ-ments generally associated with antidunes. The temporal evolution of the bed slope was very relevant to the flow equilibrium stage; so that in the natural environment periodic discharges (e.g. river floods, instabilities of deltaic accumulation) could allow turbidity currents reach an equilibrium stage with the bed through deposition. Good correlation with experimental data of fluvial bedforms prediction models and similar development of resulting ripples are new evi-dence of similarity between mechanisms of generation and evolution of the fluvial and turbid-ity currents bedforms. Besides that, an improvement of the correlation was observed when characteristic scales of the basal layer were used, which is a region of high sediment transport having typical profiles very similar to fluvial ones.

As correntes de turbidez de alta densidade e seus depósitos resultantes, ainda hoje, não são um fenômeno totalmente explicado/classificado, tanto no meio científico, como na indústria, em especial, a do petróleo. Visando buscar o entendimento hidrodinâmico e deposicional desses fluxos gravitacionais de sedimentos naturais, este trabalho realizou um estudo experimental (modelagem física) deste fenômeno em laboratório. Através da modelagem física foi possível realizar 25 simulações experimentais com diferentes tipos de materiais sedimentares, no caso, esferas de vidro ( m ~ 2600kg/m³), simulando as frações areia fina e silte, e o caulim ( m ~ 2600kg/m³), representando as frações de argila nesses escoamentos. As faixas de concentrações volumétricas utilizadas nos experimentos foram de 2,5%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30% e 35%. Para esses intervalos de concentrações foram utilizadas três diferentes proporções de argila na mistura, no caso fluxos não coesivos (0% de argila), fluxos mistos (com 50% de argila) e fluxos coesivos (100% de argila). Ainda, para a concentração volumétrica de 20%, foram realizados quatro ensaios adicionais com 10%, 25%, 75% e 90% de argila na mistura, englobando a transição de um fluxo não coesivo para coesivo. Os experimentos utilizaram um canal de acrílico (4,5 x 0,2 x 0,5 m) e a simulação se deu através da metodologia de pulso de material, a qual utilizou 120 litros de mistura de água e sedimento, que era lançada, instantaneamente, no interior do tanque, através da abertura de uma comporta. Para o registro dos ensaios foram utilizadas duas câmeras digitais, além de um medidor de velocidade ultrassônico (UVP) com dez transdutores, distribuídos ao longo de 15 cm e instalado a 340 cm da fonte. Ao seu lado, foram colocadas quatro sondas de medição da concentração da mistura (UHCM), as quais amostravam uma faixa de 10 cm do interior do fluxo. Para todas as misturas utilizadas, foi realizada a sua caracterização reológica, com o uso de um reômetro. Para a avaliação do depósito, foram coletadas amostras indeformáveis do depósito, em três locais distintos que foram, posteriormente, processadas em um microscópio eletrônico de varredura - MEV. A partir dos dados da caracterização reológica das misturas utilizadas nos experimentos, foi possível estabelecer o modelo da relação tensão/deformação, bem como as equações constitutivas de determinação da viscosidade dinâmica (e/ou aparente) da mistura em relação a concentração volumétrica, gradiente de deformação e presença de argila. Com os dados do registro de vídeo foi possível caracterizar, via um método desenvolvido com uso de uma lousa interativa, a série temporal de três espessuras geométricas da corrente. Aliado aos dados de velocidade e de concentração obtidos nos equipamentos de medição, foi possível avaliar as propriedades hidrodinâmicas das correntes, tais como as séries temporais de velocidade, concentração e geometria, os seus perfis verticais médios, a adimensionalização dos perfis de velocidade e concentração, relações adimensionais entre esses parâmetros, bem como as definições da tensão de cisalhamento junto ao fundo, da espessura da subcamada viscosa e da vazão mássica de sedimentos. Os depósitos foram avaliados em duas escalas distintas: em macro-escala, com a avaliação da espessura e granulometria do depósito ao longo da distância, balanço de massa de sedimentos e determinação da taxa de deposição (com o auxílio das imagens do vídeo); e em micro-escala, através do uso de imagens microscópicas obtidas a partir de amostras indeformáveis do depósito resultante, onde foi possível obter a distribuição do tamanho do grão médio ao longo da vertical (gradação), a porcentagem de cada tipo de sedimento e laminações dos grãos. A partir dos resultados apresentados na caracterização reológica das misturas, nas propriedades hidrodinâmicas, geométricas e deposicionais, foi realizado uma síntese agrupando estas propriedades, considerando, ao todo, 22 parâmetros de classificação. Um diagrama de três entradas (concentração volumétrica, presença de argila e o comportamento reológico da mistura) foi construído e, como resultado, foi possível definir seis regiões de reologia/fluxo/depósito que apresentam uma condição de causa (fluxo) com consequência (depósito) características. As seis regiões podem ser resumidas no que segue: Região I – Fluxo Newtoniano de baixa concentração, turbulento e subcrítico, mantidos pela componente ascendente da turbulência, com deposição de partículas individuais que geraram depósitos gradados normalmente com ou sem presença destacada de camada selante de argila no topo. Região II – Fluxo Newtoniano de média concentração, turbulento e supercrítico com a formação de uma camada turbulenta ondulada (deformável) e mais concentrada e com presença de argila junto ao fundo, mantido pela turbulência e com influência da decantação impedida que geraram depósitos parcialmente segregados (maciços) junto à base e gradados normalmente junto ao topo, com ou sem presença destacada de camada selante de argila. Região III – Fluxo Newtoniano de mais alta concentração, turbulento, supercrítico com nítida estratificação (bipartição) de uma camada turbulenta fortemente ondulada (deformável) e mais concentrada junto ao fundo, mantido pela turbulência e com influência da decantação impedida, com uma deposição de grãos mais abrupta (próximo ao congelamento friccional), gerando depósitos menos segregados (maciços) junto à base e com uma gradação normal junto ao topo, com ou sem presença destacada de camada selante de argila. Região IV – Fluxo não Newtoniano de média concentração, baixa turbulência, supercrítico, com formação de uma camada lamosa mais concentrada junto ao fundo com menores ondulações, com influência das forças viscosas e coesivas, com formação de um “plug” de sedimentos (congelamento coesivo) que formou depósitos do topo à base por congelamento coesivo com uma camada de grãos não coesivos levemente gradados junto ao fundo, com uma camada lamosa com grãos não coesivos dispersos não gradados na matriz e com a presença de uma camada selante. Região V- Fluxo não Newtoniano de alta concentração, com uma turbulência nos instantes iniciais, subcrítico, com formação de uma camada lamosa mais concentrada junto ao fundo com ondulações, influência das forças viscosas, empuxo e coesivas (matriz coesiva), com formação de um “plug” homogêneo de sedimentos (congelamento coesivo) que formou depósitos do topo à base por congelamento coesivo, depósito não gradado com predominância de uma matriz lamosa com grãos dispersos, com ou sem a presença de um depósito gradado no topo resultado do fluxo remanescente do corpo e cauda. Região VI – Fluxo não Newtoniano de alta concentração, dominado pelas forças viscosas, subcrítico, com formação de uma camada lamosa mais concentrada junto ao fundo com poucas ondulações, fortemente resistente ao escoamento (yield strength) devido ao empuxo e as forças coesivas (matriz coesiva), com formação de um “plug” homogêneo de sedimentos (congelamento coesivo) que formou depósitos do topo à base por congelamento coesivo, depósito não gradado com predominância de uma matriz lamosa com grãos dispersos, com ou sem a presença de um depósito gradado no topo resultado do fluxo remanescente do corpo e cauda. Por fim, as características de fluxo e depósito obtidas nesses seis modelos foram comparadas com as classificações encontradas na literatura sobre fluxos gravitacionais de sedimentos, mais especificamente, com correntes de turbidez de alta densidade. Foi proposta então, uma classificação inédita para esses fluxos, baseada na concentração volumétrica, presença de argila e comportamento reológico das misturas, além de considerar a evolução e transformação destes fluxos ao longo do espaço. Pela nova classificação proposta, os fluxos extremos seriam aqueles que são amplamente aceitos: correntes de turbidez de baixa densidade (região I) e os fluxos de detritos (regiões V e VI). Os fluxos das regiões II, III foram classificados com as correntes de turbidez de alta densidade inercial, devido à predominância das forças inerciais no escoamento e a região IV foi classificada como correntes de turbidez de alta densidade viscosa, devido à influência do aumento da presença de argila no escoamento, o que causou significativas mudanças no fluxo e depósito. / Our ability to interpret the deposits of sediment gravity flows in the marine realm has been greatly restricted by our lack of understanding of their flow processes. This limitation is reflected in the numerous classification schemes and the difficulty in using terms such as low and high-density turbidity currents. Here we report a novel experimentally-derived classification scheme that for the first time identifies flow types and quantifies their transition points. A series of 25 experiments with non-cohesive, mixed and cohesive high-density turbidity currents were performed in order to study the depositional-process based hydrodynamic and rheological properties of these flows. Three types of turbidity current were studied at eight different volumetric concentrations between 2.5% and 35%. The flows carried a mixture of non-cohesive (siltsized glass beads) and cohesive sediment (kaolin) at different clay-silt ratios. Detailed time-series of flow structure, suspended sediment concentration and flow velocity were collected using Digital Video Cameras, Ultra-High Concentration Meters and Ultrasonic Doppler Velocity Probes. The rheological properties of the mixtures were also evaluated. The hydrodynamic properties of the flows were determined using changing flow geometry, and high-frequency time-series, depth-average values and vertical profiles of velocity and sediment concentration. Moreover, the deposits were studied using Scanning Electron Microscopy. Six types of flows were distinguished based on a comparison of hydrodynamic, depositional and rheological properties. A 3D phase diagram was created, showing the boundaries between these flow types in terms of rheological behaviour, bulk volumetric concentration and clay concentration. The main characteristics of the flow types are: Type I: Low density flow; Newtonian; grains supported by upward component of turbulence; no hindered settling; segregation of grains and normally graded beds. Type II: Newtonian; grains supported by turbulence; turbulent flow with gently undulating high-concentration near-bed layer; partial hindered settling and partial size segregation forming partially graded beds. Type III: Newtonian; fully turbulent flow with strongly undulating high-concentration near-bed layer; hindered settling resulting in rapid deposition and generation of partially graded beds. Type IV: non-Newtonian; viscous flow; formation of “plug” and shear flow (mud layer close the bottom); viscous forces cause freezing of the flow and forming graded beds of muddy sand. Types V and VI: non-Newtonian; viscous flow with thick mud layer; grain support by matrix strength; weakly undulating internal mud layer; cohesive freezing forms an ungraded muddy sand with coarse-tail grading on top. A new process-related classification of sediment gravity flows is proposed. Type I resembles classic low-density turbidity current behavior, and types V and VI are close to the debris flow behavior. Types II and III are classified as inertial high-density turbidity currents, due to flow turbulence and model IV represents a viscous high-density turbidity current, due to the high concentrations of clay and its cohesive influence on flow and deposit.

[pt] A combinação de modelos numéricos com modelos computacionais tem contribuido muito para o melhor entendimento matemático de fluxos gravitacionais, porém esses modelos não podem substituir a análise através de trabalhos experimentais. O uso de modelos físicos em escala provou ser essencial na validação de equações para modelagem de correntes de turbidez. Com o objetivo de diminuir o nível de dificuldade em modelar numericamente essas correntes e de gerar modelos computacionais de alto desempenho, algumas simplificações foram feitas durante o desenvolvimento das equações de velocidade. Dessa forma, para provar que tais simplificações não iriam alterar os resultados numéricos do modelo, foram realizados inúmeros experimentos, coletando informações sobre a evolução espaço- temporal de velocidades das correntes de turbidez não- confinadas com e sem partículas. Comparando os resultados do modelo numérico com os do modelo físico, foi concluído que, infelizmente, as aproximações influenciaram os resultados. Contudo, os dados e a comparação visual entre as simulações também revelaram alguns resultados encorajadores, os quais estimularão pesquisas futuras para se melhorar a precisão da equação de velocidade utilizada no modelo numérico. / [en] The combination between numerical and computer models has improved dramatically the mathematical understanding of gravity currents; however, these models can not replace the analysis by experimental work. The use of scaled analogue models, or physical models, proved to be essential in validating velocity equations for turbidity currents. In order to reduce the level of difficulty to model mathematically these currents, some approximations were applied during the development of the velocity equation. Therefore, willing to prove that these approximations would not compromise the numerical results, innumerous experiments were performed to acquire a spatio-temporal velocity evolution database for both unconfined particle free and particulate turbidity flows. Comparing the results from the numerical and physical simulations, it was concluded that, unfortunately, the approximations have influenced the numerical results. Nevertheless, the data and visual comparisons between the simulations also revealed some encouraging results, which will stimulate some future research to improve the accuracy of the depth-averaging velocity equation.

[pt] Correntes de turbidez ocorrem tanto na natureza como em situações criadas pelo homem. Segundo alguns pesquisadores, grande parte das reservas de petróleo conhecidas no mundo estão armazenadas nos reservatórios de hidrocarbonetos formados a partir dos sistemas turbidíticos. Tendo em vista a importância dessas correntes, este trabalho pretende propor um modelo numérico consistente e com baixo custo computacional, capaz de auxiliar na previsão de sedimentação de bacias nos processos de modelagem estratigráfica no contexto do simulador numérico de sedimentação tridimensional com ênfase nos processos deposicionais em ambientes de talude plataforma e bacia, chamado Steno, e validar o modelo numérico proposto através de simulações físicas conduzidas no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. O modelo numérico proposto é baseado nas equações de Navier-Stokes, que são resolvidas tirando-se a média na profundidade do perfil de velocidades característico. Além disso, uma aplicação gráfica tridimensional para simulação numérica de correntes de turbidez, chamada Turb3D, foi desenvolvida com base nas equações propostas. O programa possui uma interface gráfica amigável para o usuário no que diz respeito à entrada de dados, solução e visualização dos resultados. Os resultados obtidos mostraram que apesar do modelo numérico possuir um bom desempenho computacional, se comparado com os complexos modelos numéricos existentes, não foi possível reproduzir com precisão a evolução das correntes de turbidez e seus depósitos. Contudo, acredita-se que a abordagem dada ao problema de simulação numérica de correntes de turbidez apresentada neste trabalho pode fornecer bons resultados. Entretanto, é fundamental que seja dada continuidade a pesquisa, de modo que ajustes e melhorias ao modelo proposto possam ser realizadas. / [en] Turbidity currents occur in both natural and man-made situations. In agreement with some researchers, most of the world’s oil reserves are stored in hydrocarbon reservoir built by turbidity systems. Because of the importance of these currents, this work proposes a consistent and efficient numerical method for simulations of turbidity currents for basin sedimentations predictions in the stratigraphic modelling process, which will be incorporated to the numerical simulator of sedimentation 3D called Steno. In order to validate the proposed numerical model experiments were conducted at the Hydraulics Research Institute of Federal University of Rio Grande do Sul. The proposed numerical model is based on Navier-Stokes equations that are solved in the depth-average. Moreover, a three-dimensional graphic application for numerical simulations of turbidity currents called Turb3D was developed. The application user interface provides a common, user-friendly, graphical environment for pre-processing, solution and post-processing. Despite the good computational performance achieved by using this approach, the method presented did not reproduce accurately the evolution of turbidity current and their deposits. However, it is believed that the approach to the numeric simulation of the turbidity current problem given in this work can provide better results, although this research should continue and improvements should be made.