21Sedimen klastik dan lingkungannya

Ambil segenggam pasir di pantai dan biarkan ia mengalir di sela jari: butirannya hampir semua berukuran sama, membulat dan bersih, dan mereka mengalir seperti air. Beberapa ratus kilometer ke pedalaman, di kaki bukit yang ditinggalkan oleh gletser purba, tanahnya adalah campuran kaku dari batu besar, kerikil, pasir dan lumpur, tanpa aturan. Kedua endapan itu tersusun dari jenis puing yang sama, pecahan dari jenis batuan yang sama; yang memisahkan keduanya adalah cara butiran-butiran itu berpindah dan di mana mereka berhenti. Ombak yang naik dan turun di pantai ribuan kali sehari memilah butiran menurut ukurannya, membawa yang halus pergi dan membulatkan sisanya; es membawa segala yang diambilnya dan menjatuhkannya sekaligus ketika mencair. Bab ini belajar membaca kisah semacam itu dari butirannya sendiri, dari struktur yang mereka bangun di dasar sungai dan laut, dan dari urutan tempat endapan-endapan itu bertumpuk.

Yang sudah kamu ketahui

Sedimen adalah material lepas yang diendapkan oleh air, angin atau es, dan seiring waktu sedimen bertumpuk dalam lapisan yang mengeras menjadi batuan sedimen (Buku 1, kelas 6 dan 7). Sungai yang berayun dari sisi ke sisi di dataran bantarannya membentuk meander; di tempat ia masuk ke laut atau danau dan menjatuhkan muatannya, ia membangun delta; ombak menumpuk pasir menjadi pantai dan memindahkannya sepanjang pantai melalui hanyutan sepanjang pantai (Buku 1, kelas 5 dan 9). Sebuah sungai membawa muatannya sebagai muatan dasar, muatan melayang dan muatan terlarut; sebutir butiran mengendap dengan kecepatan mengendapnya; ia mulai bergerak ketika tegangan geser dasar melewati ambang geraknya, dan diagram Hjulström menunjukkan kecepatan rerata erosi, transpor dan pengendapan terhadap ukuran butir (Bab 20). Rerata vektor dari sekumpulan arah adalah arah jumlah vektor-vektor satuannya (Definisi 6.4).

21.1 Ukuran butir dan pemilahan

Ukuran butiran adalah hal pertama yang dicatat seorang geolog dalam sedimen klastik, yakni sedimen yang tersusun dari pecahan batuan lama, karena ia mengukur energi arus yang meletakkannya. Ukuran butir di alam membentang lebih dari tujuh orde besaran, dari batu besar selebar meter hingga partikel lempung selebar seperseribu milimeter, dan diukur pada skala rasio.

Definisi 21.1 (Skala ukuran butir, skala phi)

Skala ukuran butir sedimentologi membagi diameter butiran menjadi kelas-kelas yang batasnya berlipat dua dari satu kelas ke kelas berikutnya, dimulai dari $1\,\mathrm{mm}$; setiap kelas diberi nama (pasir, lanau…). Skala phi menyatakan diameter $d$ dengan

$$\varphi = -\log_2 \frac{d}{1\,\mathrm{mm}},$$

sehingga $d = 2^{-\varphi}$ mm: $1\,\mathrm{mm}$ adalah $\varphi = 0$, $2\,\mathrm{mm}$ adalah $\varphi = -1$, $0.25\,\mathrm{mm}$ adalah $\varphi = 2$, dan butiran yang lebih halus memiliki nilai $\varphi$ yang lebih besar.

Pada skala phi setiap kelas skala ukuran butir selebar satu satuan: kelas yang berjalan dari $d$ hingga $2d$ berjalan dari $\varphi$ hingga $\varphi - 1$. Kelas-kelas utama, dengan nama yang lazim dipakai, terdaftar dalam Table 21.1.

kelas	diameter ($\mathrm{mm}$)	$\varphi$
batu besar	di atas 256	di bawah $-8$
kerakal	64 hingga 256	$-6$ hingga $-8$
kerikil	4 hingga 64	$-2$ hingga $-6$
granul	2 hingga 4	$-1$ hingga $-2$
pasir (sangat kasar, kasar, sedang, halus, sangat halus)	$1/16$ hingga 2	4 hingga $-1$
lanau (kasar, sedang, halus, sangat halus)	$1/256$ hingga $1/16$	8 hingga 4
lempung	di bawah $1/256$ ($3.9\,\text{µ}\mathrm{m}$)	di atas 8

Kata lempung memiliki dua makna dalam buku ini: di sini ia adalah kelas ukuran, di Bab 19 ia adalah keluarga mineral. Sebagian besar partikel berukuran lempung adalah mineral lempung dan sebagian besar mineral lempung berukuran lempung, tetapi keduanya tidak selalu berimpit: kuarsa yang digiling sangat halus berukuran lempung, dan sebuah tumpukan kaolinit dapat seukuran lanau.

Mengukur ukuran. Kerikil diukur butir demi butir dengan jangka sorong. Pasir diayak: sebuah tumpukan ayakan dengan mata jaring pada setiap satuan phi utuh atau setengah sedang digoyang, dan tangkapan setiap ayakan ditimbang. Lanau dan lempung, yang lebih halus dari $4\,\varphi$, diukur dengan pengendapan: sedimen diaduk ke dalam air, dan karena setiap butiran tenggelam dengan kecepatan yang ditentukan oleh ukurannya (hukum Stokes, Proposisi 20.5), massa yang masih melayang pada kedalaman dan waktu tertentu menunjukkan berapa bagian sampel yang lebih halus dari diameter tertentu. Instrumen laser yang mengukur hamburan cahaya oleh butiran kini juga umum. Hasilnya adalah daftar berat persen pada setiap kelas.

Definisi 21.2 (Rerata ukuran butir, pemilahan)

Misalkan ukuran butir sebuah sedimen, dalam satuan phi, memiliki distribusi yang diberikan oleh berat pada setiap kelas. Rerata ukuran butir adalah rerata distribusi itu, dan pemilahannya adalah sebaran distribusi itu, diukur dengan simpangan bakunya dalam satuan phi: sebuah sedimen terpilah baik ketika butirannya hampir semua berukuran sama, dan terpilah buruk ketika butirannya mencakup banyak kelas. Keduanya dihitung baik dari persentase pada kelas-kelas, dengan metode momen, maupun dari kurva kumulatif, dengan ukuran grafis Folk:

$$M_z = \frac{\varphi_{16} + \varphi_{50} + \varphi_{84}}{3}, \qquad \sigma_I = \frac{\varphi_{84} - \varphi_{16}}{4} + \frac{\varphi_{95} - \varphi_{5}}{6.6},$$

di mana $\varphi_p$ adalah ukuran dalam satuan phi yang lebih kasar daripadanya ada $p$ persen sampel.

Metode 21.3 (Rerata dan pemilahan dari analisis ayakan)

1. Daftar berat persen $w_i$ pada setiap kelas, dari yang paling kasar hingga yang paling halus, dan periksa bahwa jumlahnya $100\,\%$ (atau bagi dengannya).
2. Metode momen. Dengan $x_i$ titik tengah kelas $i$ dalam satuan phi, hitunglah rerata $m = \sum w_i x_i / 100$ dan simpangan baku $s = \sqrt{\sum w_i (x_i - m)^2 / 100}$.
3. Ukuran grafis. Kumulasikan persentase untuk memperoleh berat persen yang lebih kasar daripada setiap batas kelas, dan plot terhadap $\varphi$: inilah kurva kumulatif.
4. Bacalah padanya, dengan interpolasi linear di antara batas kelas, ukuran $\varphi_5$, $\varphi_{16}$, $\varphi_{50}$, $\varphi_{84}$ dan $\varphi_{95}$.
5. Hitunglah $M_z$ dan $\sigma_I$ (Definisi 21.2), ubah $M_z$ menjadi milimeter dengan $d = 2^{-M_z}$, dan beri nama pemilahannya dari skala di bawah.

Kedua metode memberi jawaban yang hampir sama, dan alasannya adalah sifat berikut.

Proposisi 21.4 (Ukuran grafis dari distribusi normal)

Jika ukuran sebuah sedimen, dalam satuan phi, terdistribusi normal dengan rerata $\mu$ dan simpangan baku $\sigma$, maka $M_z = \mu$ dan $\sigma_I = 0.996\,\sigma$.

Konstanta 6.6 dalam rumus Folk dipilih untuk ini: interval dari persentil ke-5 hingga ke-95 membentang $3.29$ simpangan baku distribusi normal, dan rumus itu merata-ratakan perkiraan $\sigma$ dari kedua interval, $(\varphi_{84}-\varphi_{16})/2$ dan $(\varphi_{95}-\varphi_5)/3.3$. Dengan memakai ekor distribusi serta dua pertiga tengah kurva, $\sigma_I$ menjadi peka terhadap campuran kasar dan halus yang paling banyak mengungkapkan bagaimana sebuah sedimen diendapkan.

Kata-kata untuk pemilahan. Dari banyak sedimen terukur Folk mengusulkan skala verbal untuk $\sigma_I$: di bawah $0.35$ terpilah sangat baik, $0.35$ hingga $0.50$ terpilah baik, $0.50$ hingga $0.71$ cukup baik, $0.71$ hingga $1.0$ agak terpilah, $1.0$ hingga $2.0$ buruk, $2.0$ hingga $4.0$ sangat buruk, dan di atas $4.0$ amat sangat buruk. Pemilahan terbaik yang dicapai sedimen alami adalah sekitar $0.20$ hingga $0.25$, dan pasir dari bukit pasir dan pantai yang diukurnya berada di antara $0.25$ dan $0.35$; sedimen sungai berkisar dari $0.40$ hingga $2.5$, lanau dan lempung dari dataran banjir dan paparan dari sekitar $2.0$ hingga $3.5$, dan yang paling buruk pemilahannya adalah till glasial dan aliran lumpur. Pasir pantai dalam gambar, pada $0.36$, terpilah baik, di tepi terpilah sangat baik; till, pada $3.84$, terpilah sangat buruk. Pada till metode momen memberi rerata $1.89\,\varphi$ dan simpangan baku $3.64\,\varphi$, dekat dengan nilai grafis; selisihnya berasal dari ekor distribusi dan kemiringan distribusi.

Pemilahan adalah catatan dari transpor. Sebuah arus memilah muatannya karena butiran yang dapat ia gerakkan, dan tahan dalam suspensi, bergantung pada ukurannya (Bagian 20.3): ombak di pantai dan angin di atas bukit pasir mengerjakan butiran yang sama berulang-ulang, menyingkirkan yang lebih halus dan meninggalkan yang terlalu berat untuk digerakkan, dan endapan mereka adalah yang paling terpilah dari semuanya. Es, aliran puing dan pembuangan mendadak oleh banjir tidak memilah apa pun.

Bentuk dan kebulatan. Kebulatan butiran menggambarkan ketajaman sudut-sudutnya, terlepas dari bentuk keseluruhannya: Wadell mendefinisikannya sebagai rerata jari-jari kelengkungan sudut-sudut dibagi jari-jari lingkaran terbesar yang dapat disisipkan dalam garis tepi butiran, dari 1 untuk bola hingga mendekati 0 untuk serpihan. Mengukurnya membosankan, dan butiran dibandingkan sebagai gantinya dengan bagan foto; pada skala Wadell sebagian besar butiran pasir memiliki kebulatan $0.3$ hingga $0.4$, dan pada skala logaritmik Folk, dari 0 (sangat bersudut) hingga 6 (sangat membulat), sekitar $2.5$, sub-bersudut. Pembulatan lambat untuk pasir: kuarsa yang diterbangkan angin membulat jauh lebih cepat daripada kuarsa yang dibawa air, yang meredam benturan, dan pasir pantai lebih cepat daripada pasir sungai, sementara butiran pasir hampir tidak membulat sama sekali di sungai. Kerikil membulat dengan cepat di sungai, yang lunak lebih dulu: di Sungai Colorado, kerikil batu kapur mencapai kebulatan akhirnya dalam beberapa mil, sementara kerikil kuarsa memerlukan sekitar 150 mil untuk menyusul.

Definisi 21.5 (Kematangan tekstur, kematangan komposisi)

Kematangan tekstur sebuah pasir atau batu pasir mengukur seberapa jauh pemilahan, abrasi dan pengayakan oleh arus telah bekerja padanya, dalam empat tahap: belum matang, dengan lebih dari $5\,\%$ matriks lempung; hampir matang, dengan lebih sedikit lempung tetapi butiran yang terpilah buruk ($\sigma > 0.5\,\varphi$); matang, dengan sedikit atau tanpa lempung dan terpilah baik ($\sigma < 0.5\,\varphi$) tetapi butiran bersudut; sangat matang, tanpa lempung dan dengan butiran yang terpilah baik sekaligus membulat baik. Kematangan komposisi mengukur seberapa jauh mineral tak stabil dan pecahan batuan telah dibuang, menyisakan kuarsa: ia tinggi pada batu pasir yang hampir seluruhnya kuarsa dan rendah pada batu pasir yang kaya feldspar, mika atau pecahan batuan.

Kematangan tekstur dibaca dari endapan sebagaimana ia diendapkan: mineral lempung yang mengkristal belakangan dalam pori-pori, dan semen yang mengikat butiran (Bab 23), tidak dihitung. Ia mencerminkan energi tempat pengendapan: sedimen yang belum matang menumpuk di dataran banjir, kipas aluvial dan di laguna, tempat arus lemah atau pengendapan terlalu cepat bagi butiran untuk dikerjakan, dan yang sangat matang di pantai dan di bukit pasir gurun, tempat energi dihabiskan pada butiran tanpa henti. Kematangan komposisi mengikuti dari abrasi dan pelapukan bersama-sama. Feldspar, yang lebih lunak daripada kuarsa dan memiliki belahan yang baik, lebih cepat terkikis; sebuah arkose dari kuarsa dan feldspar bersudut yang berukuran sama dapat, oleh abrasi saja, berakhir sebagai batu pasir sangat matang yang pasirnya hampir seluruhnya kuarsa dan feldsparnya bertahan hanya sebagai lanau. Pelapukan, di daerah sumber dan selama penyimpanan lama di sepanjang jalan, melakukan hal yang sama dengan mengubah feldspar menjadi lempung (Bagian 19.2). Batu pasir yang diendapkan pada masa gejolak kerak, yang tererosi dengan cepat dari pegunungan yang naik, cenderung belum matang dalam kedua arti; yang dari masa tenang, yang diolah ulang dalam waktu lama, cenderung menjadi batu pasir kuarsa yang sangat matang; tetapi pengecualiannya banyak, dan komposisi apa pun dapat terjadi pada tahap kematangan tekstur apa pun.

21.2 Bentuk dasar dan struktur sedimen

Ketika arus menggerakkan pasir di atas dasar, dasar jarang tetap datar: ia menata dirinya menjadi gelombang-gelombang pasir yang bergerak bersama aliran. Bentuk-bentuk ini, dan perlapisan yang mereka tinggalkan di dalam endapan, adalah catatan paling langsung tentang arus masa lampau.

Definisi 21.6 (Bentuk dasar, riak, bukit pasir)

A bentuk dasar adalah relief teratur yang dibentuk oleh arus pada dasar butiran lepas, berulang sepanjang aliran. Sebuah riak adalah bentuk dasar kecil, tingginya beberapa sentimeter dan berjarak 10 hingga $20\,\mathrm{cm}$ dari puncak ke puncak, dengan sisi hulu (stoss) yang landai dan sisi hilir (lee) yang curam; sebuah bukit pasir memiliki bentuk serupa tetapi sedikitnya sepuluh kali lebih besar, dari desimeter hingga meter tingginya di bawah air.

Sisi hulu riak landai kurang dari sekitar $10{}^{\circ}$; sisi hilirnya, muka lereng, berdiri dekat sudut tumpuk pasir di dalam air, sekitar $30{}^{\circ}$. Pasir terkikis dari sisi hulu, dibawa melewati puncak, dan longsor ke bawah atau jatuh ke muka lereng, sehingga seluruh riak bergerak searah hilir, jauh lebih lambat daripada air, dengan mengambil butiran dari punggungnya dan menambahkannya ke bagian depannya. Angin membentuk riak dan bukit pasir jenis yang sama di darat, dengan bukit pasir gurun jauh lebih besar daripada yang ada di sungai.

Proposisi 21.7 (Migrasi bentuk dasar dan muatan dasar)

Sederet bentuk dasar berprofil segitiga, dengan tinggi $H$, yang bergerak searah hilir dengan kecepatan $c$ tanpa mengubah bentuk, oleh erosi sisi hulu dan pengendapan di sisi hilir, membawa melewati puncak-puncaknya volume muatan dasar per satuan lebar dan waktu

$$q_b = (1 - p)\,\frac{c\,H}{2},$$

dihitung sebagai butiran padat, dengan $p$ adalah porositas pasir.

Urutan fase dasar. Dalam saluran laboratorium dengan dasar pasir sedang, aliran yang meningkat membangun suksesi konfigurasi dasar yang tetap. Di bawah ambang gerak dasar tetap datar. Tepat di atasnya riak muncul; pada kecepatan yang merupakan bagian sedang dari satu meter per detik, dengan kenaikan beberapa sentimeter per detik mereka digantikan oleh bukit pasir. Lebih cepat lagi, bukit pasir meratakan diri, dan dasar kembali menjadi bidang datar, dasar datar atas, tempat pasir bergerak dalam lembaran padat dan dalam suspensi. Akhirnya, ketika kecepatan rerata $U$ mendekati kecepatan $\sqrt{gh}$ gelombang permukaan dalam air berkedalaman $h$, yaitu ketika bilangan Froude $U/\sqrt{gh}$ mendekati 1, permukaan air dan dasar membentuk gelombang yang sefase, yang tumbuh, menajam, pecah dan terbentuk lagi: antidun, dinamai oleh G. K. Gilbert dalam eksperimen salurannya pada 1914, karena puncak-puncaknya bergerak ke hulu. Antidun membutuhkan aliran dangkal dan cepat, dan tidak penting pada aliran yang lebih dalam dari beberapa meter.

Ukuran butir mengubah urutan itu. Riak hanya terbentuk pada pasir yang lebih halus dari sekitar $0.8\,\mathrm{mm}$; pada pasir kasar dan kerikil dasar beralih dari dasar datar tanpa gerak ke dasar datar yang lebih rendah dengan butiran bergerak dan kemudian langsung ke bukit pasir. Pada pasir halus, di bawah sekitar $0.2\,\mathrm{mm}$, bukit pasir tidak pernah terbentuk, dan riak memberi jalan langsung pada dasar datar atas. Medan fase dasar dipetakan pada diagram kecepatan terhadap ukuran butir, digambar untuk kedalaman aliran tertentu.

Definisi 21.8 (Perlapisan silang, paleoarus)

Perlapisan silang adalah perlapisan yang miring terhadap perlapisan utama, tersusun dari sisi hilir (foreset) yang berurutan dari riak atau bukit pasir yang bermigrasi, dalam satuan-satuan yang disebut set, dibatasi oleh permukaan erosi; perlapisan silang yang dibuat oleh riak, dalam set setebal beberapa sentimeter, disebut laminasi silang. Paleoarus adalah arah arus purba, disimpulkan dari struktur yang ditinggalkannya: foreset miring ke arah hilir, sehingga arah kemiringan perlapisan silang, setelah perlapisan dikembalikan ke posisi horizontal, adalah arah ke mana arus mengalir.

Proposisi 21.9 (Bentuk dasar yang memanjat)

Sederet bentuk dasar yang identik, berjarak $L$ dan bergerak searah hilir dengan kecepatan $c$ sementara dasar dinaikkan oleh pengendapan dengan laju $a$, memanjat sepanjang lintasan yang miring pada sudut $\theta$ terhadap dasar, dengan

$$\tan\theta = \frac{a}{c}.$$

Endapannya kemudian adalah tumpukan set perlapisan silang dengan tebal, diukur tegak lurus terhadap batas set,

$$T = L\,\sin\theta .$$

Ketika $a = 0$, tidak ada bagian foreset yang terawetkan.

Sudut memanjat kecil untuk sebagian besar bukit pasir dan riak, itulah sebabnya set hanya mengawetkan bagian bawah foreset, terpotong di atas oleh permukaan erosi berikutnya: puncak-puncak terpotong dan dasar-dasar tangensial yang melengkung pada perlapisan silang menunjukkan ke arah mana bagian atas, salah satu kriteria yang dipakai untuk mengetahui apakah urutan lapisan berada dalam posisi tegak atau terbalik (Bab 17). Di tempat pasir jatuh dari suspensi dengan cepat, seperti dalam banjir yang surut, sudut memanjat menjadi curam dan seluruh profil riak terawetkan, tersusun sebagai riak yang memanjat.

Paleoarus. Arah kemiringan perlapisan silang yang diukur pada singkapan tersebar di sekitar arah rerata arus, karena muka lereng bukit pasir dan riak melengkung dan arusnya sendiri berkelana. Rerata mereka diambil sebagai rerata vektor, bukan aritmetik, untuk alasan yang ditunjukkan dalam Proposisi 6.5: azimut adalah sudut pada lingkaran, dan 350 dan 010 rata-ratanya 000, bukan 180.

Proposisi 21.10 (Rerata azimut)

Misalkan $\alpha_1, \ldots, \alpha_N$ adalah azimut, diukur searah jarum jam dari utara. Rerata vektor mereka $\bar\alpha$ dan panjang resultan rerata mereka $\bar R$ diberikan oleh

$$S = \sum_{i=1}^N \sin\alpha_i, \quad C = \sum_{i=1}^N \cos\alpha_i, \quad \bar\alpha = \operatorname{atan2}(S, C), \quad \bar R = \frac{\sqrt{S^2 + C^2}}{N},$$

dengan $\operatorname{atan2}(S, C)$ adalah sudut yang sinus dan kosinusnya sebanding dengan $S$ dan $C$, diambil antara $0{}^{\circ}$ dan $360{}^{\circ}$. $\bar R$ terletak antara 0 dan 1, dan bernilai 1 hanya jika semua azimut sama.

Metode 21.11 (Paleoarus dari perlapisan silang)

1. Pada setiap set, ukur arah kemiringan foreset, dengan memilih permukaan yang menunjukkan kemiringan sebenarnya (atau ukur jurus dan kemiringan).
2. Ukur posisi perlapisan utama; jika ia miring lebih dari beberapa derajat, putar setiap foreset kembali ke horizontal terhadap jurus perlapisan (putaran yang dilakukan dengan proyeksi stereografis dalam volume Tahun ke-3).
3. Hitunglah rerata vektor $\bar\alpha$ dan $\bar R$ dari arah kemiringan yang telah dikoreksi (Proposisi 21.10).
4. Plot pembacaan sebagai diagram mawar, histogram melingkar azimut, untuk melihat apakah mereka membentuk satu kelompok atau dua: arus pasang surut yang berbalik membangun set yang miring ke arah berlawanan, dalam perlapisan silang tulang ikan (herringbone), dan satu rerata menjadi tak bermakna.

Struktur lain. Beberapa struktur lain mencatat kondisi pengendapan dan arah atas lapisan. Lapisan bergradasi menghalus ke atas, dari kasar di dasarnya hingga halus di puncaknya, saat butiran mengendap dari arus yang surut, yang paling kasar lebih dulu (Definisi 21.15). Retakan lumpur, poligon retakan penyusutan yang diisi oleh lapisan berikutnya, terbentuk ketika lumpur mengering di udara, seperti di dataran pasang surut dan dataran banjir. Cekungan erosi yang dipotong oleh arus ke dalam lumpur di bawahnya, dan diisi oleh pasir di atasnya, terawetkan sebagai cetakan pada dasar lapisan batu pasir, dan bentuknya menunjukkan ke mana arus pergi.

21.3 Fasies, sungai dan delta

Ukuran butir, pemilahan, struktur, fosil dan komposisi bersama-sama membentuk karakter sebuah batuan sedimen, dan geolog memakai satu kata untuk karakter itu.

Definisi 21.12 (Fasies sedimen, lingkungan pengendapan)

Sebuah fasies sedimen adalah sebuah tubuh batuan sedimen yang dibedakan dari yang lain oleh litologinya, ukuran butirnya, struktur sedimennya dan fosilnya, yang semuanya mencerminkan kondisi tempat ia terbentuk. Lingkungan pengendapan adalah tempat, dengan kondisi fisik, kimia dan biologisnya, tempat sebuah sedimen diletakkan: saluran sungai, dataran banjir, pantai, lereng delta, dasar laut dalam.

Fasies adalah deskripsi, lingkungan adalah interpretasi, dan beberapa lingkungan dapat menghasilkan fasies yang sama: pasir berriak diendapkan di sungai, di dataran pasang surut dan di dasar laut dalam. Interpretasi karena itu bertumpu pada asosiasi fasies dan pada urutan tempat mereka bertumpuk, yang mengikuti pergerakan lingkungan dalam ruang: hukum-hukum umum penumpukan itu, dan model baku setiap lingkungan, menjadi pokok bahasan volume Tahun ke-3. Bab ini menguraikan lingkungan klastik utama dan urutan vertikal yang mengidentifikasinya.

Sungai menganyam dan berkelok. Sungai hadir dalam dua gaya utama. Sungai menganyam mengalir dalam banyak saluran yang bercabang dan bertemu kembali di sekitar gosong kerikil dan pasir; sungai menganyam membawa muatan kasar dekat sumbernya, di bawah gunung atau di depan gletser, dan endapannya berupa lembaran kerikil dan pasir kasar berperlapisan silang, dengan sedikit lumpur. Sungai berkelok mengalir dalam satu saluran berliku. Air tercepat mengalir di sepanjang sisi luar setiap tikungan, tempat ia menggerus tebing yang terkikis; di sisi dalam, tempat air paling lambat, pasir diendapkan pada gosong tepi. Meander dengan demikian bermigrasi ke samping, menggerus di satu sisi dan membangun di sisi lain; dataran banjir di luar tepiannya hanya menerima lumpur dari banjir.

Urutan gosong tepi mengikuti dari bentuk dasarnya. Di kaki gosong, di air yang paling dalam dan tercepat, arus meninggalkan butiran paling kasar dan membangun bukit pasir; ke atas di sepanjang gosong yang landai air menjadi lebih dangkal dan lebih lambat, pasir lebih halus dan bukit pasir memberi jalan kepada riak (Bagian 21.2); di puncak, gosong menyatu dengan dataran banjir. Ketika tikungan bermigrasi, setiap zona ini bergerak di atas zona di bawahnya, dan lubang bor yang menembus endapan menemukannya bertumpuk: urutan menghalus ke atas dari permukaan erosi hingga lumpur, satu untuk setiap lintasan saluran, yang tebalnya kira-kira sama dengan kedalaman saluran yang membentuknya.

Delta. Di tempat sungai masuk ke badan air yang diam, arusnya menyebar dan melambat, dan muatannya dijatuhkan: muatan kasar dekat muara, muatan halus lebih jauh ke luar. Delta tumbuh ke depan, atau berprogradasi, selama sungai memasok lebih banyak sedimen daripada yang dapat dibawa pergi oleh ombak dan pasang surut. Apa yang dilakukan ombak dan pasang surut terhadap pasokan itu menentukan bentuknya.

Definisi 21.13 (Delta yang didominasi sungai, ombak dan pasang surut)

Sebuah delta didominasi sungai ketika pasokan sungai mengalahkan ombak dan pasang surut, dan saluran-saluran distributarinya, dibatasi oleh tanggulnya sendiri, membangun jari-jari pasir yang panjang ke laut; ia didominasi ombak ketika ombak mengerjakan ulang pasir yang dibawa ke muara menjadi pantai dan punggung pantai sepanjang pantai yang halus dan melengkung; ia didominasi pasang surut ketika arus pasang surut, yang mengalir masuk dan keluar dari muara, membentuk pasirnya menjadi gosong dan punggungan sejajar dengan aliran, dipisahkan oleh saluran berbentuk corong.

Ketiga kutub itu adalah sudut-sudut segitiga tempat delta mana pun dapat diletakkan menurut kekuatan relatif ketiga proses. Delta kaki-burung dari Mississippi, dengan jari-jarinya yang panjang ke Teluk Meksiko (Bab 20), adalah delta klasik yang didominasi sungai; Nil, dengan lengkung pantainya yang halus, adalah delta yang didominasi ombak; delta Gangga dan Brahmaputra, yang terbesar di dunia, didominasi pasang surut.

Urutan yang mengasar ke atas. Di depan muara sungai, delta memiliki bagian depan yang landai, bagian depan delta, yang di sisi laut menyatu dengan prodelta, tempat hanya lumpur yang mengendap dari suspensi. Ketika delta berprogradasi, setiap zona ini maju di atas zona di depannya: lubang bor di dataran delta menemukan, dari bawah ke atas, lumpur berlaminasi dari prodelta, kemudian lanau dan pasir yang berselang-seling dari bagian depan delta bawah, lalu pasir berperlapisan silang dari gosong muara, dipotong di atas oleh saluran dataran delta. Urutan itu mengasar ke atas, kebalikan dari gosong tepi, dan tebalnya kira-kira kedalaman air tempat delta itu membangun. Lajunya terkait dengan geometri bagian depan delta.

Proposisi 21.14 (Progradasi dan akumulasi)

Misalkan suatu bagian depan delta dengan kemiringan konstan $\alpha$ maju secara horizontal dengan kecepatan $v$ tanpa mengubah bentuk, pada permukaan laut yang konstan. Sebuah titik tetap di bawah bagian depan itu kemudian menerima sedimen dengan laju vertikal

$$a = v\,\tan\alpha,$$

dan urutan bagian depan delta setebal $h$ terakumulasi di sana dalam waktu $h/(v\tan\alpha)$.

Bagian depan delta miring landai, sehingga $\tan\alpha$ kecil: bagian depan sebuah delta maju jauh lebih cepat daripada sedimen yang menumpuk di titik mana pun di bawahnya (Latihan 21.12).

Di laboratorium — Mendeskripsikan sebuah inti bor

Silinder sedimen atau batuan yang diangkat oleh bor diletakkan dalam baki menurut urutan kedalaman, dibelah memanjang, dan difoto di bawah cahaya merata sebelum mengering dan berubah warna. Ahli sedimentologi kemudian menggambar log inti, meter demi meter: litologi, ukuran butir setiap lapisan (lebar kolom), struktur (perlapisan silang, laminasi, gradasi, liang), kontak, tajam atau berangsur, warna dan fosilnya. Sampel diambil untuk analisis ukuran butir dan sayatan tipis. Sebuah inti adalah satu jendela sempit: arah perlapisan silang hilang kecuali inti diorientasikan, dan perluasan lateral lapisan harus berasal dari lubang bor lain.

21.4 Pantai dan paparan

Sepanjang pantai di antara delta, pasir yang dibawa sungai dibentuk oleh ombak dan pasang surut. Pantai adalah pasir yang dikerjakan ulang oleh gelombang sapuan (swash), lapisan air tipis yang naik dan turun di atasnya setelah setiap ombak pecah: butirannya dipindahkan lagi dan lagi, yang halus dibawa ke lepas pantai, dan pasir pantai termasuk yang paling terpilah dan paling membulat dari semua sedimen. Laminasinya, yang diletakkan oleh gelombang sapuan, miring landai ke arah laut. Di banyak pantai rendah pasir membentuk pulau penghalang, punggungan pantai panjang dan bukit pasir yang ditiup angin, yang dipisahkan dari daratan utama oleh laguna, yang tenang dan berbutir halus, dan dihubungkan dengan laut oleh celah pasang surut.

Di tempat pasang surut kuat dan ombak lemah, pantai dihiasi oleh dataran pasang surut, yang tertutup dan tersingkap dua kali sehari. Mereka beralih dari pasir di dekat garis surut, tempat arus paling kuat, ke lumpur di dekat garis pasang tinggi, tempat air tenang membiarkan lempung mengendap; endapan mereka menunjukkan aliran yang berbalik dalam perlapisan silang tulang ikan, pengeringan dalam retakan lumpur, dan selang-seling arus dan air tenang dalam lapisan-lapisan tipis lumpur yang menutupi pasir berriak.

Di lepas pantai, paparan hanya disapu ombak sampai kedalaman yang bertambah seiring ukuran ombak. Di atasnya pasir diayak dan dipindahkan; di bawahnya lumpur mengendap, kecuali selama badai, ketika ombak yang lebih besar mencapai lebih dalam dan mengendapkan lembaran pasir dengan laminasi bergelombang landai yang disebut perlapisan silang gundukan . Urutan paparan dengan demikian sering berselang-seling antara lumpur cuaca cerah dan pasir badai, yang lebih tebal dan lebih kasar ke arah pantai.

21.5 Klastik laut dalam

Pasir dan kerikil juga mencapai dasar samudra dalam, ribuan meter ke bawah dan ratusan kilometer dari daratan, dan mereka dibawa ke sana oleh aliran yang tidak pernah dilihat secara utuh oleh siapa pun: arus padat yang sarat sedimen, mengalir menuruni lereng benua di bawah air jernih samudra.

Sejarah — Kabel di dasar laut, 1929

Pada 18 November 1929 gempa dengan magnitudo momen 7.2 melanda lereng benua di selatan Newfoundland, di sepanjang tepi selatan Grand Banks. Longsoran sekitar $200\,\mathrm{km}^{3}$ sedimen bergerak di lereng, dan tsunami menewaskan 28 orang di pantai Newfoundland. Dua belas kabel telegraf yang dibentangkan di dasar laut putus, sebagian di beberapa tempat. Yang di dekat episentrum putus seketika; yang lain, lebih jauh ke selatan dan lebih dalam, putus satu demi satu dalam beberapa jam berikutnya, menurut urutan jaraknya menuruni lereng. Pada 1952 Bruce Heezen dan Maurice Ewing, dengan mempelajari waktu-waktu putusnya, menjelaskannya: longsoran telah berubah menjadi arus turbidit yang mengalir menuruni lereng dan keluar melintasi dataran abisal sejauh lebih dari 480 mil, memutus setiap kabel ketika ia lewat. Dari waktu dan jarak mereka memperkirakan kecepatannya sekitar 50 knot di kaki kontinen bagian atas, tempat lerengnya sekitar $0.5\,\%$, dan masih 12 knot pada kabel terakhir, sekitar 400 mil dari asalnya. Ketika ia melambat, mereka berpendapat, ia pasti telah mengendapkan lapisan bergradasi di atas dataran, makin halus ke atas.

Lima puluh knot adalah $25.7\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$, lebih dari $90\,\mathrm{km}\,\mathrm{h}^{-1}$, kecepatan mobil di jalan raya utama; 12 knot adalah $6.2\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$; dan 480 mil sekitar $770\,\mathrm{km}$. Putusnya kabel juga memberikan kecepatan terukur pertama dari sebuah aliran yang sebelumnya hanya disimpulkan dari endapannya dan dari eksperimen di bak.

Definisi 21.15 (Arus turbidit, turbidit, lapisan bergradasi)

Sebuah arus turbidit adalah arus air yang dibuat lebih padat daripada air di sekitarnya oleh sedimen yang ditahannya dalam suspensi, yang mengalir menuruni lereng di bawah air itu, butiran-butirannya ditahan dalam suspensi oleh turbulensi yang diciptakan oleh geraknya sendiri. Sebuah turbidit adalah endapan arus turbidit. Sebuah lapisan bergradasi adalah lapisan yang ukuran butirnya menurun dari dasar ke puncaknya.

Arus turbidit menggerakkan dirinya sendiri: ia mengalir karena suspensinya berat, dan ia mempertahankan suspensinya karena ia mengalir. Di lereng yang curam ia dapat mengambil lebih banyak sedimen dari dasar, menjadi lebih padat dan bertambah cepat; di lereng landai dataran abisal ia melambat, menjatuhkan muatannya dan mati.

Proposisi 21.16 (Kecepatan arus turbidit)

Sebuah arus turbidit dengan ketebalan $h$ dan massa jenis $\rho + \Delta\rho$ mengalir tunak menuruni lereng $S$ di bawah air dengan massa jenis $\rho$. Jika hambatan dasar dan air di atasnya adalah $\tau = \rho\,C_f\,U^2$ per satuan luas, dengan $C_f$ koefisien gesekan tak berdimensi, kecepatan rerata-nya adalah

$$U = \sqrt{\frac{\Delta\rho}{\rho}\,\frac{g\,h\,S}{C_f}} .$$

Hukum hambatan $\tau = \rho C_f U^2$, kuadrat dalam kecepatan, adalah hukum aliran turbulen dalam hidraulika (buku-buku fisika), dan $C_f$ ditemukan melalui eksperimen. Rumus ini mengabaikan air yang dicampurkan arus ke dalam dirinya sendiri melalui permukaan atasnya, yang mengencerkan dan memperlambatnya. Ia menunjukkan peran ketiga faktor: arus dua kali lebih tebal, atau dua kali lebih padat, atau di lereng dua kali lebih curam, berjalan $\sqrt 2$ kali lebih cepat. Suspensi yang menahan fraksi $c$ dari volumenya sebagai butiran kuarsa memiliki $\Delta\rho/\rho = 1.65\,c$ (Bagian 20.2), kecil kecuali aliran sangat pekat; di sinilah arus turbidit berbeda dari sungai, di mana seluruh berat air, bukan kelebihan kecil, menggerakkan aliran. Untuk berjalan dengan 50 knot pada 1929 di lereng setengah persen, arus turbidit membutuhkan hasil kali tebal dan kelebihan massa jenis yang besar (Latihan 21.11).

Urutan Bouma. Pada 1962 Arnold Bouma menguraikan urutan internal lapisan batu pasir dari suksesi laut dalam kuno dalam lima divisi, diberi label dari bawah ke atas. A: pasir masif atau bergradasi, sering di atas dasar erosif; B: pasir dengan laminasi sejajar; C: pasir halus dengan laminasi silang riak, sering terlipat (konvolut); D: lanau berlaminasi yang menghalus menjadi lumpur; E: lumpur. Urutan itu dibaca sebagai catatan satu arus yang surut melewati suatu titik: ketika ia melambat, ia pertama-tama menjatuhkan butiran terkasarnya sekaligus, lalu membangun dasar datar atas, kemudian riak, lalu membiarkan lanau dan lempung mengendap. Urutan lengkap jarang: divisi-divisi atasnya sering tererosi oleh arus berikutnya, dan jauh dari sumber, tempat arus lemah, divisi-divisi bawahnya tidak ada.

Urutan Bouma menjadi model baku turbidit, dan ribuan batu pasir laut dalam kuno ditafsirkan dengannya. Penafsiran itu diperdebatkan: arus yang mengalir sepanjang lereng, arus pasang surut laut dalam dan gelombang internal juga membangun pasir berriak dan berlaminasi, dan sebagian ahli sedimentologi berpendapat bahwa banyak lapisan yang dibaca sebagai turbidit, termasuk sebagian dari yang berada di wilayah tipenya, diendapkan oleh aliran lain. Sedikit arus turbidit yang pernah diamati di samudra modern, sementara turbidit kuno dihitung dalam ribuan.

Tidak semua klastik laut dalam adalah turbidit. Arus kontur, arus lambat dan dalam yang mengikuti kontur lereng benua, mengerjakan ulang sedimen lereng menjadi endapan memanjang yang halus, yaitu kontourit. Dan jauh dari benua, tempat baik arus turbidit maupun arus kontur tidak mencapai, dasar laut hanya menerima apa yang mengendap dari air di atasnya: cangkang plankton dan debu halus yang diterbangkan angin, sedimen pelagis dalam bab berikutnya (Bab 22).

21.6 Latihan

Latihan 21.1 ★

Ubahlah ke satuan phi diameter-diameter $0.18\,\mathrm{mm}$, $0.75\,\mathrm{mm}$, $3\,\mathrm{mm}$, $0.012\,\mathrm{mm}$ dan $150\,\mathrm{mm}$, hingga dua desimal, dan sebutkan kelas masing-masing (Table 21.1).

Solusi

Solusi Latihan 21.1.

$\varphi = -\log_2 d$: $0.18\,\mathrm{mm}$ memberi $2.47$, pasir halus (2 hingga 3); $0.75\,\mathrm{mm}$ memberi $0.42$, pasir kasar (0 hingga 1); $3\,\mathrm{mm}$ memberi $-1.58$, granul ($-1$ hingga $-2$); $0.012\,\mathrm{mm}$ memberi $6.38$, lanau halus (6 hingga 7); $150\,\mathrm{mm}$ memberi $-7.23$, kerakal ($-6$ hingga $-8$).

Latihan 21.2 ★

Kurva kumulatif sebuah pasir sungai memberi $\varphi_5 = 0.62$, $\varphi_{16} = 1.05$, $\varphi_{50} = 1.71$, $\varphi_{84} = 2.43$ dan $\varphi_{95} = 2.98$. Hitunglah rerata grafisnya, dalam satuan phi dan dalam milimeter, dan simpangan baku grafis inklusifnya, dan sebutkan ukuran serta pemilahannya.

Solusi

Solusi Latihan 21.2.

$M_z = (1.05 + 1.71 + 2.43)/3 = 1.73\,\varphi$, yakni $2^{-1.73} = 0.30\,\mathrm{mm}$, pasir sedang. $\sigma_I = (2.43 - 1.05)/4 + (2.98 - 0.62)/6.6 = 0.345 + 0.358 = 0.70\,\varphi$: cukup baik terpilah (0.50 hingga 0.71), tepat di bawah batas agak terpilah.

Latihan 21.3 ★

Riak setinggi $2\,\mathrm{cm}$ bermigrasi $1\,\mathrm{cm}$ per menit di atas dasar pasir kuarsa dengan porositas $0.4$. Dengan Proposisi 21.7, hitunglah volume muatan dasar per satuan lebar, dalam $\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{s}^{-1}$, dan massa kuarsa ($2650\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$) yang terbawa melewati satu meter puncak dalam sehari.

Solusi

Solusi Latihan 21.3.

$q_b = (1 - 0.4) \times 0.02 \times (0.01/60)/2 = 1.0 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{s}^{-1}$ butiran padat. Dalam sehari, $1.0 \times 10^{-6} \times 86400 = 0.0864\,\mathrm{m}^{3}$ per meter puncak, atau $0.0864 \times 2650 = 229\,\mathrm{kg}$ kuarsa.

Latihan 21.4 ★

Satu knot adalah satu mil laut, $1852\,\mathrm{m}$, per jam. (a) Ubahlah ke meter per detik kecepatan 50 dan 12 knot yang diperkirakan untuk arus turbidit 1929. (b) Berapa lama arus pada 12 knot menempuh $100\,\mathrm{km}$? (c) Ubahlah 480 dan 400 mil ke kilometer (satu mil adalah $1.609\,\mathrm{km}$).

Solusi

Solusi Latihan 21.4.

(a) 50 knot adalah $50 \times 1852/3600 = 25.7\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$; 12 knot, $6.17\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$. (b) $100\,000\,\mathrm{m}/6.17\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1} = 16\,200\,\mathrm{s}$, sekitar $4.5\,\mathrm{h}$. (c) 480 mil adalah $772\,\mathrm{km}$, 400 mil $644\,\mathrm{km}$.

Latihan 21.5 ★★

(a) Dengan menggunakan persentil distribusi normal yang diberikan dalam bukti Proposisi 21.4, hitunglah simpangan baku grafis $(\varphi_{84} - \varphi_{16})/2$ dan perkiraan $(\varphi_{95} - \varphi_5)/3.3$ untuk distribusi normal dengan simpangan baku $\sigma$. (b) Mengapa keduanya dapat berbeda untuk sedimen sungguhan? Jenis sedimen mana yang paling membuat keduanya berbeda?

Solusi

Solusi Latihan 21.5.

(a) $(\varphi_{84} - \varphi_{16})/2 = 2 \times 0.9945\,\sigma/2 = 0.9945\,\sigma$, dan $(\varphi_{95} - \varphi_5)/3.3 = 2 \times 1.6449\,\sigma/3.3 = 0.9969\,\sigma$: keduanya memperkirakan $\sigma$ dalam sepertiga persen. (b) Sedimen sungguhan tidak perlu normal dalam satuan phi: campuran kecil butiran yang jauh lebih kasar atau jauh lebih halus mengubah $\varphi_5$ atau $\varphi_{95}$ banyak dan $\varphi_{16}$ serta $\varphi_{84}$ sedikit, sehingga perkiraan kedua tumbuh sementara yang pertama tidak. Keduanya berbeda paling banyak untuk campuran, seperti pasir dengan sedikit kerikil dan lumpur, atau endapan bimodal.

Latihan 21.6 ★★

Sebuah endapan riak memanjat menunjukkan set setebal $1.5\,\mathrm{cm}$, diukur tegak lurus terhadap batasnya, yang dibuat oleh riak berjarak $15\,\mathrm{cm}$. (a) Hitunglah sudut memanjatnya. (b) Jika riak bergerak $0.5\,\mathrm{cm}$ per menit, dengan laju berapa dasar dinaikkan, dalam sentimeter per jam? (c) Apa yang dikatakan laju seperti itu tentang aliran?

Solusi

Solusi Latihan 21.6.

(a) $\sin\theta = T/L = 1.5/15 = 0.1$, sehingga $\theta = 5.74{}^{\circ}$. (b) $a = c\tan\theta = 0.5 \times 0.1005 = 0.050\,\mathrm{cm}$ per menit, atau $3.0\,\mathrm{cm}$ per jam. (c) Dasar yang dinaikkan beberapa sentimeter per jam menerima pasir yang jatuh dari suspensi dengan sangat cepat: arus bermuatan berat yang sedang melambat, seperti banjir yang surut atau ekor arus turbidit.

Latihan 21.7 ★★

Enam arah kemiringan perlapisan silang, yang telah dikoreksi untuk kemiringan lapisan, terbaca 350, 020, 005, 340, 015 dan 030. (a) Hitunglah rerata aritmetiknya. (b) Hitunglah rerata vektornya dan $\bar R$. (c) Jelaskan perbedaannya.

Solusi

Solusi Latihan 21.7.

(a) $(350 + 20 + 5 + 340 + 15 + 30)/6 = 760/6 = 126.7$: arah tenggara, meskipun setiap bacaan berada dalam $20{}^{\circ}$ dari utara. (b) $S = \sum\sin\alpha_i = 0.672$, $C = \sum\cos\alpha_i = 5.692$, sehingga $\bar\alpha = \operatorname{atan2}(0.672, 5.692) = 6.7{}^{\circ}$, dan $\bar R = \sqrt{0.672^2 + 5.692^2}/6 = 5.732/6 = 0.955$. (c) Rerata aritmetik memperlakukan 350 dan 005 sebagai berjauhan, sedangkan pada lingkaran jaraknya $15{}^{\circ}$: azimut harus dirata-ratakan sebagai vektor satuan. $\bar R$ yang besar menunjukkan bahwa bacaan-bacaan itu berkelompok rapat di sekitar $7{}^{\circ}$.

Latihan 21.8 ★★

Tiga batu pasir diperiksa dalam sayatan tipis. A memiliki $12\,\%$ matriks lempung dan butiran kuarsa, feldspar serta pecahan batuan yang bersudut. B memiliki $2\,\%$ lempung, $\sigma_I = 0.40\,\varphi$ dan butiran kuarsa dengan kebulatan $2.2$ pada skala Folk. C tidak memiliki lempung, $\sigma_I = 0.30\,\varphi$, butiran kuarsa dengan kebulatan $3.6$, dan $98\,\%$ kuarsa. Sebutkan kematangan tekstur masing-masing, dan usulkan lingkungan pengendapan untuk setiap batu pasir.

Solusi

Solusi Latihan 21.8.

A memiliki lebih dari $5\,\%$ lempung: belum matang, dan secara komposisi juga belum matang, dengan feldspar dan pecahan batuannya; diendapkan dengan cepat dekat sumbernya, di kipas aluvial atau dataran banjir, atau oleh arus turbidit. B memiliki kurang dari $5\,\%$ lempung dan terpilah baik ($\sigma_I < 0.5\,\varphi$) tetapi butirannya sub-bersudut ($\rho < 3$): matang, misalnya gosong sungai atau pasir paparan yang diayak oleh arus. C tidak memiliki lempung, terpilah sangat baik dan butirannya membulat ($\rho > 3$): sangat matang, dan dengan $98\,\%$ kuarsa juga matang secara komposisi, seperti di pantai atau di medan bukit pasir gurun.

Latihan 21.9 ★★

(a) Hitunglah bilangan Froude aliran sedalam $0.3\,\mathrm{m}$ pada $1.5\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$, dan sungai sedalam $2\,\mathrm{m}$ pada $1.0\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$ ($g = 9.81\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$). (b) Pada kedalaman berapakah aliran sebesar $1.5\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$ mencapai bilangan Froude 1, dan kecepatan berapakah yang dibutuhkan sungai sedalam $2\,\mathrm{m}$? (c) Mengapa antidun umum pada lapisan air yang mengalir dari pantai, dan jarang di sungai-sungai besar?

Solusi

Solusi Latihan 21.9.

(a) $1.5/\sqrt{9.81 \times 0.3} = 0.87$; $1.0/\sqrt{9.81 \times 2} = 0.23$. (b) $h = U^2/g = 1.5^2/9.81 = 0.23\,\mathrm{m}$; $U = \sqrt{9.81 \times 2} = 4.43\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$. (c) Bilangan Froude naik ketika kedalaman turun pada kecepatan tertentu: lembaran air yang tipis dan cepat, seperti limpasan balik (backwash) ombak di pantai, dengan mudah mencapai bilangan Froude mendekati 1, sedangkan sungai yang dalamnya beberapa meter memerlukan beberapa meter per detik, yang hanya dicapai sedikit sungai kecuali saat banjir.

Latihan 21.10 ★★★

Analisis ayakan sebuah pasir memberi, dalam kelas-kelas phi utuh dari $-1$ hingga $5\,\varphi$: 2, 8, 30, 40, 15 dan 5 persen berat. (a) Dengan metode momen, hitunglah rerata dan simpangan baku dalam satuan phi, dan sebutkan pemilahannya. (b) Bangunlah kurva kumulatif, bacalah $\varphi_5$, $\varphi_{16}$, $\varphi_{50}$, $\varphi_{84}$ dan $\varphi_{95}$ dengan interpolasi linear, dan hitunglah $M_z$ dan $\sigma_I$. (c) Bandingkan.

Solusi

Solusi Latihan 21.10.

(a) Dengan titik tengah $-0.5, 0.5, \ldots, 4.5$: $m = (-1 + 4 + 45 + 100 + 52.5 + 22.5)/100 = 2.23\,\varphi$; jumlah selisih kuadrat yang diberi bobot persentase adalah $107.71$, sehingga $s = \sqrt{1.0771} = 1.04\,\varphi$: terpilah buruk. (b) Persentase kumulatif yang lebih kasar adalah 0, 2, 10, 40, 80, 95 dan 100 pada $-1, 0, \ldots, 5\,\varphi$. Maka $\varphi_5 = 0 + 3/8 = 0.375$, $\varphi_{16} = 1 + 6/30 = 1.20$, $\varphi_{50} = 2 + 10/40 = 2.25$, $\varphi_{84} = 3 + 4/15 = 3.27$, $\varphi_{95} = 4.0$. $M_z = (1.20 + 2.25 + 3.27)/3 = 2.24\,\varphi$ dan $\sigma_I = (3.27 - 1.20)/4 + (4.0 - 0.375)/6.6 = 0.517 + 0.549 = 1.07\,\varphi$. (c) Kedua metode sepakat sekitar $0.01$ pada rerata dan $0.03$ pada pemilahan: pasir halus ($2.24\,\varphi$ adalah $0.21\,\mathrm{mm}$), terpilah buruk.

Latihan 21.11 ★★★

Ambil $C_f = 0.003$ dalam Proposisi 21.16. (a) Sebuah arus turbidit setebal $50\,\mathrm{m}$, dengan kelebihan massa jenis $2\,\%$, mengalir menuruni lereng sebesar $0.005$: hitunglah kecepatannya, dalam meter per detik dan dalam knot. (b) Hasil kali tebal dan kelebihan massa jenis relatif apakah yang akan memberi 50 knot pada 1929 di lereng yang sama? (c) Arus yang sama seperti pada (a) mencapai lereng sebesar $0.001$: hitunglah kecepatan barunya, jika tidak ada yang lain berubah. Apa yang terjadi pada muatannya?

Solusi

Solusi Latihan 21.11.

(a) $U = \sqrt{0.02 \times 9.81 \times 50 \times 0.005/0.003} = 4.04\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$, atau 7.9 knot. (b) $(\Delta\rho/\rho)\,h = U^2 C_f/(gS) = 25.7^2 \times 0.003/(9.81 \times 0.005) = 40\,\mathrm{m}$: misalnya arus setebal $400\,\mathrm{m}$ dengan kelebihan massa jenis $10\,\%$, yang menunjukkan betapa besar dan padatnya arus 1929 pastilah. (c) Kecepatan berskala sebagai $\sqrt S$: $4.04/\sqrt 5 = 1.81\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-1}$. Arus yang lebih lambat memiliki turbulensi yang lebih lemah dan menjatuhkan butiran yang lebih kasar; ia menjadi kurang padat, melambat lebih jauh, dan menyebarkan muatannya di atas dataran sebagai lapisan bergradasi.

Latihan 21.12 ★★★

Sebuah sungai mengirim $50\,\mathrm{Mt}$ sedimen setahun ke deltanya, dan $70\,\%$ darinya diendapkan pada bagian depan delta selebar $100\,\mathrm{km}$ yang membangun ke dalam air sedalam $30\,\mathrm{m}$. Endapan itu memiliki massa jenis curah $2000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$. (a) Berapa volume yang ditambahkannya setiap tahun? (b) Jika volume ini mengisi seluruh kedalaman air di sepanjang lebar bagian depan, seberapa cepat bagian depan maju? (c) Dengan kemiringan bagian depan delta $0.5{}^{\circ}$, dengan laju berapa sedimen menumpuk di suatu titik tetap di bawah bagian depan, dan dalam berapa tahun urutan yang mengasar ke atas terbentuk di sana?

Solusi

Solusi Latihan 21.12.

(a) $0.7 \times 5 \times 10^{10}\,\mathrm{kg}/2000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3} = 1.75 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$ setahun. (b) Tersebar pada bagian depan setinggi $30\,\mathrm{m}$ dan selebar $100\,\mathrm{km}$, ia memajukan bagian depan sebesar $1.75 \times 10^{7}/(30 \times 1 \times 10^{5}) = 5.8\,\mathrm{m}$ setahun. (c) $a = v\tan\alpha = 5.83 \times \tan0.5{}^{\circ} = 0.051\,\mathrm{m}$, sekitar $5\,\mathrm{cm}$ setahun, seratus kali lebih kecil daripada kemajuannya; urutan $30\,\mathrm{m}$ terbentuk dalam $30/0.051 = 590$ tahun.

21.7 Masalah: membaca inti dari sebuah delta

Soal 21.1

Soal akhir pekan — lubang bor menembus delta kuno, dari ukuran butir hingga arah sungai-sungainya

Sebuah lubang bor memotong $24\,\mathrm{m}$ batu pasir dan batulumpur yang diendapkan oleh delta kuno. Ahli geologi mendeskripsikan empat satuan, dari dasar ke atas, dan menganalisis sampel dari setiap satuan.

unit (kedalaman dari dasar)	deskripsi	$\varphi_5$	$\varphi_{16}$	$\varphi_{50}$	$\varphi_{84}$	$\varphi_{95}$
1 (0–8 m)	batulumpur abu-abu berlaminasi	4.2	5.0	6.6	8.4	9.6
2 (8–16 m)	batulanau dan batu pasir yang berselang-seling	1.9	2.4	3.4	4.6	5.5
3 (16–21 m)	batu pasir berperlapisan silang	0.9	1.25	1.8	2.35	2.7
4 (21–24 m)	batu pasir berkerikil, dasar erosif	$-1.8$	$-0.8$	0.9	2.1	2.9

Bagian I — Ukuran butir.

1. Hitunglah rerata grafis $M_z$ setiap satuan, dalam satuan phi dan dalam milimeter.
2. Hitunglah simpangan baku grafis inklusif $\sigma_I$ setiap satuan.
3. Sebutkan kelas ukuran rerata dan pemilahan setiap satuan.
4. Satuan mana yang paling terpilah? Mengapa gosong muara akan lebih terpilah daripada lumpur prodelta?
5. Dengan interpolasi linear antara $\varphi_{50}$ dan $\varphi_{84}$, perkirakan persentase partikel berukuran lempung (lebih halus dari $8\,\varphi$) pada satuan 1. Apa yang dikatakannya tentang arus tempat ia diendapkan?
6. Mengapa kurva kumulatif satuan 4 begitu menyebar, meskipun ia adalah pasir saluran?

Bagian II — Suksesinya.

7. Jelaskan bagaimana ukuran rerata berubah dari satuan 1 ke satuan 3. Apakah suksesi itu menghalus atau mengasar ke atas?
8. Tafsirkan satuan 1, 2 dan 3 sebagai bagian dari sebuah delta. Zona delta mana yang berada di lokasi ketika masing-masing diendapkan?
9. Apa yang ditunjukkan oleh penumpukan ketiga satuan tentang pergerakan delta?
10. Setidaknya, sedalam apa air tempat delta itu membangun, dan mengapa?
11. Satuan 4 memiliki dasar erosif dan lebih kasar daripada satuan 3. Tafsirkan ia.
12. Apakah gosong tepi akan memberikan suksesi yang sama? Jelaskan.

Bagian III — Seberapa cepat delta maju? Dua lapisan tipis abu vulkanik, di dasar satuan 1 dan di puncak satuan 2, diberi tarikh; keduanya berjarak $4000$ tahun.

13. Hitunglah laju akumulasi rerata di antara kedua abu, dalam milimeter setahun.
14. Bagian depan delta miring pada $0.5{}^{\circ}$. Dengan Proposisi 21.14, hitunglah kecepatan ia maju, dalam meter setahun.
15. Seberapa jauh bagian depan maju selama $4000$ tahun?
16. Berapa lama 21 meter satuan 1 hingga 3 membutuhkan waktu untuk terakumulasi di lokasi itu, pada laju ini?
17. Mengapa laju akumulasi di delta tidak sama di setiap tempat pada waktu yang sama?

Bagian IV — Ke mana sungai-sungai mengalir? Pada batu pasir berperlapisan silang dari satuan 3, yang tersingkap di singkapan terdekat tempat lapisannya mendatar, diukur dua belas arah kemiringan foreset: 352, 010, 025, 004, 338, 017, 031, 359, 012, 046, 006 dan 344.

18. Hitunglah rerata aritmetik dari dua belas bacaan itu. Apakah itu bermakna?
19. Hitunglah jumlah $S$ dan $C$ dalam Proposisi 21.10.
20. Hitunglah panjang resultan rerata $\bar R$. Apakah bacaan-bacaan itu konsisten?
21. Ke arah umum manakah delta itu membangun, dan di mana daratannya?
22. Mengapa arah kemiringan harus diputar jika lapisannya miring, dan terhadap sumbu apa?
23. Apakah arus pasang surut dapat membangun perlapisan silang ini? Seperti apa diagram mawarnya?
24. Hingga derajat terdekat, berapakah azimut paleoarus rerata dari batu pasir berperlapisan silang satuan 3?

Solusi

Solusi Soal 21.1.

1. Satuan 1: $(5.0 + 6.6 + 8.4)/3 = 6.67\,\varphi$, $0.0098\,\mathrm{mm}$ ($9.8\,\text{µ}\mathrm{m}$); satuan 2: $3.47\,\varphi$, $0.090\,\mathrm{mm}$; satuan 3: $1.80\,\varphi$, $0.29\,\mathrm{mm}$; satuan 4: $0.73\,\varphi$, $0.60\,\mathrm{mm}$.

2. Satuan 1: $(8.4 - 5.0)/4 + (9.6 - 4.2)/6.6 = 0.850 + 0.818 = 1.67\,\varphi$; satuan 2: $0.550 + 0.545 = 1.10$; satuan 3: $0.275 + 0.273 = 0.55$; satuan 4: $0.725 + 0.712 = 1.44$.

3. Satuan 1: lanau halus, terpilah buruk; satuan 2: pasir sangat halus, terpilah buruk; satuan 3: pasir sedang, cukup baik terpilah; satuan 4: pasir kasar, terpilah buruk.

4. Satuan 3. Di muara sungai arus dan ombak menggerakkan pasir lagi dan lagi serta membawa pergi yang halus, sementara lumpur prodelta mengendap dari suspensi sebagai campuran semua ukuran halus yang sampai padanya.

5. Ukuran $8\,\varphi$ berada pada $1.4/1.8$ jarak antara $\varphi_{50}$ dan $\varphi_{84}$, sehingga $50 + (1.4/1.8) \times 34 = 76$ persen dari sampel lebih kasar dan sekitar $24\,\%$ berukuran lempung. Partikel halus seperti itu hanya mengendap dari air yang hampir diam: lokasinya berada di bawah jangkauan ombak dan arus.

6. Sebuah saluran membawa kerikil, yang digulirkan di dasarnya saat banjir, sekaligus pasir; endapan itu mencampur lag kerikil dari aliran terdalam dengan pasir dari aliran yang lebih rendah, sehingga ia mencakup banyak kelas.

7. Rerata tumbuh dari $0.0098\,\mathrm{mm}$ ke $0.090\,\mathrm{mm}$ dan $0.29\,\mathrm{mm}$: suksesi itu mengasar ke atas.

8. Satuan 1, lumpur berlaminasi: prodelta; satuan 2, lanau dan pasir yang berselang-seling: bagian depan delta bawah; satuan 3, pasir berperlapisan silang: gosong muara dari bagian depan delta atas.

9. Setiap zona tiba menempati tempat zona yang dahulu berada di depannya: delta membangun maju, ke arah laut, di atas lokasi itu.

10. Setidaknya $21\,\mathrm{m}$, tebal satuan 1 hingga 3, karena suksesi mengisi air dari dasar prodelta hingga gosong muara dekat permukaan; lebih dari itu, karena lumpur telah terpadatkan sejak itu (Bab 23).

11. Sebuah saluran distributari dari dataran delta, yang menggerus gosong muara ketika delta membangun maju; kerikilnya adalah muatan dasarnya.

12. Tidak: gosong tepi dimulai dengan permukaan erosi dan lag, dan menghalus ke atas, hingga lumpur dataran banjir. Bagian depan delta mengasar ke atas dari lumpur.

13. $16\,\mathrm{m}/4000\text{ tahun} = 4.0\,\mathrm{mm}$ setahun.

14. $v = a/\tan\alpha = 0.0040/\tan0.5{}^{\circ} = 0.0040/0.008727 = 0.458\,\mathrm{m}$ setahun.

15. $0.458 \times 4000 = 1830\,\mathrm{m}$, sekitar $1.8\,\mathrm{km}$.

16. $21\,\mathrm{m}/4.0\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1} = 5250$ tahun.

17. Bagian depan delta menerima sebagian besar pasir di dekat muara, prodelta jauh lebih sedikit dan dataran delta sedikit kecuali saat banjir; muara yang aktif juga berpindah-pindah tempat, sehingga suatu titik dapat menerima banyak untuk sementara lalu hampir tidak ada. Satu laju di antara dua lapisan yang bertarikh adalah rerata atas perubahan-perubahan ini, dan lumpur telah kehilangan sebagian ketebalannya karena pemadatan.

18. Jumlahnya 1544, sehingga rerata aritmetiknya adalah $128.7{}^{\circ}$, arah tenggara: tidak bermakna, karena bacaan tersebar di sekitar utara dan nilai dekat 340 serta dekat 010 dirata-ratakan seolah berjauhan.

19. $S = \sum\sin\alpha_i = 1.698$ dan $C = \sum\cos\alpha_i = 11.248$.

20. $\bar R = \sqrt{1.698^2 + 11.248^2}/12 = 11.376/12 = 0.948$: bacaan-bacaan itu berkelompok rapat di sekitar satu arah.

21. Sungai-sungai mengalir, dan delta membangun, ke arah sekitar utara (Proposisi 21.10); daratan berada di selatan.

22. Karena foreset diukur pada lapisan yang tidak lagi mendatar: arah kemiringan mereka adalah arah lapisan yang miring ditambah kemiringan itu sendiri. Memutar setiap foreset terhadap jurus perlapisan sebesar kemiringan perlapisan memulihkan perlapisan, dan bersamanya foreset, ke posisi asalnya.

23. Arus pasang surut mengalir masuk dan keluar, dan membangun set yang miring ke dua arah yang berlawanan, seperti dalam perlapisan silang tulang ikan; diagram mawarnya akan memiliki dua lobus yang berjarak sekitar $180{}^{\circ}$. Dua belas bacaan itu membentuk satu lobus, $\bar R$ mendekati 1: arus sungai yang mengalir ke satu arah.

24. $\bar\alpha = \operatorname{atan2}(1.698, 11.248) = 8.6{}^{\circ}$: azimut paleoarus rerata satuan 3 adalah $9{}^{\circ}$, sedikit ke timur dari utara.