Institute of Geophysics of the CAS, v. v. i.

Navigation:

Písečné vulkány

Zvodnění usazenin a vznik písečných vulkánů

>

Video 1: Pokus ukazuje vznik pískového vulkánu. Do akvária naplněného pískem a vodou je ze spodu přiváděna voda, která způsobuje ztekucení a zvodnění písku a pod málo propustnou vrstvou v jemném písku způsobuje přetlak. V okamžiku kdy tlak vody přesáhne pevnost svrchní vrstvy hrubého písku se tato vrstva prolomí a zvodnělý (fluidizovaný) písek velmi rychle unikne nad tuto vrstvu a vytvoří pískový vulkán. (podrobný popis v textu pod videem)

Písečné vulkány (obr. 1) patří mezi struktury vzniklé při úniku tekutiny (nejčastěji vody) z usazených hornin. Takové struktury geologové často pozorují v rychle usazených a málo stlačených horninách. Mohou být důležitým indikátorem zemětřesení v geologické minulosti, protože jednou z častých příčin jejich vzniku je zemětřesný šok. Stejné struktury ale také mohou být následkem prudkých změn tlaku tekutin v pórech hornin či zemin například v důsledku povodně.

 

Obrázek 1. Písečné vulkány vzniklé při zemětřesení v Loma Prieta, 17.10. 1989, Kalifornie, Magnitudo 6,9. Zdroj: www.usgs.gov (United States geological Survey)

Prvotním procesem, ke kterému většinou musí dojít, je ztekucení usazenin (tzv. likvefakce, angl. liquefaction). Ke ztekucení dochází, pokud část zrnek v hornině či zemině ztratí vzájemný kontakt (obr. 2a), například pokud jimi zatřese průchod zemětřesné vlny. Pak dojde ke ztrátě soudržnosti celé masy a ta může začít téci. Ztekucení je často doprovázeno zvodněním (tzv. fluidizací) – to je sice podobný termín jako ztekucení, ale označuje jiný proces. Ke zvodnění části usazeniny a úniku vody z pórů dojde tehdy, kdy zrnka usazené horniny „plavou“ v tekutině, tedy dostanou se do stavu vznosu, a při jejich novém usazení, které nastává téměř okamžitě, vytlačují pórovou vodu a ta proudí do míst s nižším tlakem. Část zrn horniny je obvykle unášena s proudící vodou vzhůru, často například prasklinami v pevnějších vrstvách nad tou vrstvou, která podlehla zvodnění. Změna tlaku v pórech a proudění vody může samo mít za následek narušení či prolomení vrstev hornin v nadloží.

Únik vody, unášející zrna písku, pak na povrchu vytvoří typické kuželovité útvary s kráterem nad přívodním kanálem či prasklinou – takzvané písečné vulkány.

Obrázek 2. Ilustrace stavby písku před ztekucením (A) a po něm (B), kdy může dojít k jeho zvodnění a úniku vody. 

 

Jak již je zmíněno v úvodu, ke ztekucení (likvefakci) usazených hornin vede nejčastěji seismický šok způsobený zemětřesením, ale také rychlé uložení zrn horniny například z bahnotoku, náhlé nasycení suché usazeniny vodou, vlnobití na písečných pobřežích, nebo jen smykové napětí způsobené prouděním vody na povrchu usazeniny. Při zemětřesení může nezpevněná usazenina zmenšovat svůj objem, protože zrnka z kterých je složena se při „zatřesení“ úsporněji uspořádají. Zmenšení objemu horniny vede k zvýšení tlaku vody v pórech mezi zrníčky, který způsobí ztrátu soudržnosti usazeniny

V seismicky aktivních oblastech může ztekucení usazených hornin vést k vážným následkům, kdy po úniku vody může dojít k propadu budov na těchto horninách (obr. 3).

 

Obrázek 3 (vlevo): Niigata, 16.6.1964, Zemětřesení M 7,5. Zdroj: University of Washington College of Engeneering. www.ce.washington.edu  (vpravo): Izmit, Turecko, 17.8. 1999. Zemětřesení M 7,4. Zdroj: T.Holzer, U.S. Geological Survey www.usgs.gov

Během Dnů vědy jsme pro veřejnost připravili pokus, který ukazuje vznik písečných vulkánu a vysvětluje vznik struktur pozorovaných v horninách bohdašínského souvrství z období triasu, tedy z počátku druhohor před přibližně 240 milióny let (obr. 4). Tyto pískovce, odkryté v lomu u Červeného Kostelce, vznikly v prostředí písečných dun, vytvářených větrem v pouštním či polopouštním prostředí, v sousedství říčního toku. Střídání suchých a vlhkých období vedlo k občasnému zaplavování dunového pole při povodních. Rychlé nasycení písku vodou způsobilo zvodnění písku a vznik písečných vulkánů. Jejich vynikající zachování je důsledkem rychlého zavátí pískem po povodni.

Podobné prostředí pole navátých písečných dun, kde se střídají vlhká a suchá období, období najdeme například na ostrově Padre v Mexickém zálivu (obr. 5).

  

 

Obrázek 4. Unikátní vzorek písečných vulkánů vzniklých v pouštním prostředí. Trias (starší druhohory) Červený Kostelec u Náchoda. Pro Geopark GFÚ AVČR věnovala firma Krákorka, a.s. v roce 2008.

Obrázek 5. Ostrov Padre v Mexickém zálivu. (Foto G. Kocurek, University of Texas, Austin).

Náš pokus je v podstatě replikou klasického analogového experimentu Nicholse (1994) a jeho kolegů, kteří svoji práci publikovali v časopise Sedimentology. Pokusná nádoba – vlastně plexisklové akvárium - obsahuje tři vrstvy písku lišící se od sebe velikostí zrn a tedy i mírou propustnosti. Spodní a vrchní vrstva jsou hrubozrnné a střední vrstva písku je jemnozrnná. Během usazení těchto vrstev dojde na svrchní hranici jemného písku s hrubým k vytvoření málo propustné vrstvy (obr. 6) díky vyplnění pórů hrubého písku zrníčky písku jemného. Do akvária je pak ze spodu přiváděna voda, která způsobuje ztekucení a zvodnění písku a pod málo propustnou vrstvou v jemném písku způsobuje přetlak. V okamžiku kdy tlak vody přesáhne pevnost svrchní vrstvy hrubého písku se tato vrstva prolomí a zvodnělý (fluidizovaný) písek velmi rychle unikne nad tuto vrstvu a vytvoří pískový vulkán (video 1 a obr. 7 a 8).

Obrázek 6. Ilustrace málo propustné vrstvy. (převzato z Nichols et al., 1994)

 

 

Obrázek 7. Ilustrace vzniku pískového vulkánu (převzato z Nichols et al., 1994)

Obrázek 8. Pískový vulkán připravený v naší laboratoři.

 

CITOVANÁ LITERATURA:
Nichols R.J., Sparks R.S.J., Wilson C.J.N. 1994. Experimental studies of the fluidization of layered sediments and the formation of fluid escape structures. Sedimentology, 41(2), 233-253