Preservation of Cross-strata Due to Migration of Subaqueous Dunes Over Aggrading and Non-aggrading Beds: Comparison of Experimental Data with Theory

An experimental study of the preservation of cross strata during the migration of dunes under aggrading and non-aggrading conditions was conducted in order to test the Paola-Borgman (1991) theory for distribution of cross-set thickness as a function of the distribution of bed-wave height. The theory needed to be modified to deal with aggrading conditions (Bridge and Best, 1997). The geometry and migration characteristics of the dunes (determined using an ultra-sonic depth profiler and visual observations) are typical of sinuous-crested dunes observed in rivers and other flumes.These characteristics do not vary systematically with aggradation rate. As part of the test of theory, a two-parameter gamma density function was fitted to histograms of dune height and dune trough elevations relative to two different reference datums. The parameters of these fitted functions do not vary in the way predicted by Paola and Borgman because: 1) dune height does not correlate very well with dune trough elevation, and; 2) choice of reference datum has a major, unanticipated effect on parameter values. Most cross sets were formed by only the highest 10% of the dunes. Mean cross-set thickness/mean formative bed-wave height ranges from 0.18 to 0.3. Cross-set thickness does not vary systematically with aggradation rate in these experiments because the primary control of set thickness is the variability of dune height. Mean cross-set thickness is predicted quite well using the modified Paola-Borgman theory if:1) dune height is used as a proxy for dune trough elevation but certain parameter values are modified, or; 2) an appropriate datum is used for defining dune trough elevations. A simple method is proposed for estimating the height distribution of dunes from the thickness of their sets of medium-scale cross strata. Resume Une etude en laboratoire a ete menee pour etudier la preservation des sets sedimentaires pendant la migration de dunes, en milieux d'aggradation et de non-aggradation ; cette etude visait a tester la theorie de Paola-Borgman (1991 ) sur la variation de l'epaisseur des sets sedimentaires en fonction de l'amplitude des elements topographiques du plancher sedimentaire. La theorie doit etre modifiee pour tenir compte des conditions particulieres des milieux d'aggradation (Bridge and Best 1997). La geometrie et tes caracteristiques migratoires des dunes (donnees d'observations visuelles et de leves par profileur ultra-sonique) sont typiques des caracteristiques des dunes a cretes sinueuses observees, autant dans les chenaux artificiels que dans les rivieres. Ces caracteristiques ne varient pas directement avec le taux d'aggradation. Parmi les mesures visant a tester la theorie, une fonction de densite gamma a ete adaptee pour rendre compte du profil des histogrammes de repartition de la hauteur des dunes et de l'elevation de leurs cuvettes d'affouillement, mesurees a partir de divers niveaux de reference. Les parametres de ces fonctions adaptees ne varient pas selon les previsions de Paola-Borgman parce que : 1 ) la correlation observee entre les hauteurs de dune et l'elevation de leurs cuvettes d'affouillement n'est pas adequate, et 2) le choix des niveaux de reference influence de manieres importante et imprevue la valeur des parametres. La plupart des sets sedimentaires ont ete formes par les 10 % les plus elevees des dunes. Les valeurs du rapport de l'epaisseur moyenne des sets sedimentaires sur la hauteur moyenne des dunes dont elles sont issues s'etendent de 0,18 a 0,3. Dans ces experiences, l'epaisseur des sets sedimentaires ne varie pas directement selon le taux d'aggradation, l'epaisseur des sets sedimentaires variant surtout avec la hauteur des dunes. L'epaisseur des sets sedimentaires peut etre predite de maniere fiable en se basant sur la theorie modifiee de Paola-Borgman, a condition 1) que la hauteur des dunes soit le facteur utilise plutot que l'elevation de la cuvette d'affouillement et que certains parametres soient modifies, ou 2) qu'un niveau de comparaison approprie soit choisi pour etablir l'elevation des cuvettes d'affouillement. Une methode simple est proposee permettant d'estimer la distribution de la hauteur des dunes a partir de l'epaisseur de leurs sets sedimentaires.