Symulacje powstawania i rozwoju delt rzecznych w środowiskach Ziemi i Tytana

Misja Cassini-Huygens do układu Saturna zrewolucjonizowała naszą wiedzę o Tytanie, największym lodowym księżycu tej planety. Jednym z jej najistotniejszych odkryć jest stwierdzenie istnienia jezior węglowodorów i dolin rzecznych na powierzchni Tytana. Węglowodorowe rzeki są w stanie transportować luźny materiał, tak samo jak ziemskie rzeki transportują ziarna skalne. Osady są odkładane w trakcie transportu, w szczególności w miejscach, w których rzeka dociera do zbiornika stojącej cieczy. W miejscach tych tworzą się delty rzeczne. Delty mają różnorodne rozmiary, nachylenia i kształty, w zależności od typu terenu, natężenia przepływu, kształtujących je procesów i rozmiarów budujących je ziaren. Używając modelu numerycznego opartego na metodzie elementów skończonych przeprowadziłem symulacje procesów sedymentacji zachodzących w środowisku ziemskim i tytanowym. Rozważone zostały różne możliwe gęstości transportowanego osadu, zbadany został wpływ różnych natężeń przepływu i dominujących rozmiarów ziaren. Przewagą tego modelu nad powszechnie stosowanymi modelami o zredukowanej złożoności jest zastosowanie uniwersalnych równań Naviera-Stokesa do opisu przepływu i odpowiednich równań opisujących transport osadów. Mimo oczywistych zalet, modeli tworzenia się i rozwoju delt opartych o równania hydrodynamiki jest stosunkowo niewiele i rzadko są one stosowane do symulacji procesów w środowisku innym niż ziemskie. Przedstawiony tutaj model reprezentuje niewielkie delty rzeczne, lecz charakteryzuje się dużą rozdzielczością przestrzenną, co pozwala na uchwycenie procesów o małej skali przestrzennej. Po raz pierwszy przedstawiono obliczenia tą metodą dla delt uformowanych z materiału stałego o gęstości bazaltu, co ma znaczenie rzek płynących na obszarach młodego wulkanizmu bazaltowego na Ziemi. Nikt też przedtem nie próbował zastosować tego rodzaju symulacji dla Tytana. Praca ta stanowi rozszerzenie poprzednich publikacji, z których pierwsza ukazała się w czasopiśmie Planetary and Space Science w 2015 roku (Witek & Czechowski, 2015a), Piotr Przemysław Witek Wydział Fizyki, Instytut Geofizyki druga została wysłana do publikacji w tym samym czasopiśmie (Witek & Czechowski, 2015b), natomiast trzecia i czwarta zostały wysłane do publikacji w Geological Quarterly (Witek et al., 2016; Misiura et al., 2016). W pracach tych zostały opisane różnice w procesach powstawania i rozwoju delt rzecznych w środowiskach Ziemi i Tytana (dla różnych natężeń przepływu), wynikające z innych wartości przyspieszenia grawitacyjnego, gęstości cieczy i materiału stałego oraz lepkości cieczy na tych dwóch ciałach niebieskich. Zastosowany model pozwala otrzymać realistyczne wyniki, które dają się wyjaśnić za pomocą analizy działających lokalnie sił. Uzyskane wyniki prowadzą do następujących wniosków: (1) rozwój delty dla ziaren bazaltowych jakościowo przebiega tak jak dla kwarcowych; (2) pole prędkości przepływu dla różnych cieczy na Tytanie praktycznie nie zależy od rodzaju cieczy; (3) rozwój delty na Tytanie silnie zależy od gęstości osadów, dla osadów złożonych z lodu wodnego natężenie transportu jest większe niż dla materiału kwarcowego dla Ziemi; (4) niektóre formy depozycyjne na Tytanie, morfologicznie odpowiadające formom tworzącym się na Ziemi, mogą być zbudowane z ziaren o większej średnicy niż formy ziemskie; (5) wyróżnione zostały trzy odmienne formy ogólnej morfologii osadów, które odpowiadają odpowiednio: dominacji erozji u ujścia rzeki, formowaniu się delt płatowych i tworzeniu się delt stożkowych. W przypadku Tytana obszar przestrzeni parametrów odpowiadający deltom płatowym jest węższy niż w przypadku Ziemi. Badania nad geomorfologią fluwialną Tytana są niezbędne dla właściwej interpretacji form terenu obserwowanych na radarowych i podczerwonych zdjęciach powierzchni. Moja praca pogłębia zrozumienie procesów kształtujących powierzchnię tego aktywnego geologicznie ciała.

The Cassini-Huygens mission to the Saturn system has revolutionized our knowledge of Titan, the largest icy moon of the planet. One of the most important discoveries is the finding of hydrocarbon lakes and river valleys on the surface of Titan. Hydrocarbon rivers are capable of transporting loose material in the same way as terrestrial rivers transport grains of rock. Sediments are deposited during transport, in particular in areas where a river enters a standing body of liquid. In these places river deltas are formed. The deltas have various dimensions, inclination and shapes, depending on the type of terrain, discharge, shaping processes and the size of grains. Using a numerical model based on the finite elements method I simulated the processes of sedimentation occurring in terrestrial and Titanian environment. Various possible densities of transported sediments were considered, and the effect of different discharges and the dominant grain sizes was examined. The advantage of this model over the commonly used Reduced Complexity Models is the use of the universal NavierStokes equations to describe the flow and the adequate equations describing sediment transport. Despite the obvious advantages, models of the formation and development of deltas based on the equations of hydrodynamics are relatively few, and they are rarely used to simulate processes in an environment other than terrestrial. The model described here represents a small river delta, but has a high spatial resolution, allowing to capture processes with a small spatial scale. For the first time this method was applied to formation of deltas from the solid material with a density of basalt, which is important for rivers flowing in the areas of young basaltic volcanism on Earth. Also no one before had tried to apply this kind of calculation for Titan. This work is an extension of previous publications, the first of which was published in the Planetary and Space Science journal in 2015 (Witek & Czechowski, 2015), the second was sent for publication in the same journal (Witek & Czechowski, 2015b), while the third and fourth have been submitted for publication in the Geological Quarterly (Witek et al., 2016 Misiura et al., 2016). These works describe the differences in the processes of formation and development of river deltas in the environments of Earth and Titan (for a few values of discharge), resulting from the different values of the gravitational acceleration, the density of liquids and solids, and viscosity of liquid on these two celestial bodies. The model allows to obtain realistic results, which can be explained by analyzing the local forces. The results lead to the following conclusions: (1) the development of the delta for the basalt grains qualitatively occurs as for the quartz grains; (2) the flow velocity field for different liquids on Titan practically does not depend on the type of liquid; (3) the development of the delta on Titan strongly depends on the density of sediments, for water ice grains the transport rate is greater than for the quartz material on the Earth; (4) some depositional landforms on Titan, morphologically corresponding to forms on Earth, can be built of sediment grains of a larger diameter than the terrestrial landforms; (5) three different types of the general morphology of the deposits were distinguished: the dominance of erosion at the mouth of the river, the formation of lobate deltas and the formation of fan deltas. In the case of Titan the area of the parameter space corresponding to lobate deltas is narrower than that on the Earth. Research on Titan's fluvial geomorphology is necessary for the proper interpretation of the landforms observed in radar and infrared images of the surface. My work deepens the understanding of the processes shaping the surface of this geologically active body