استكشاف الحجم والشكل على تربة ورواسب القمر والأرض والمحيطات

يعد تحليل التربة والرواسب أمرًا ضروريًا للإنسان، حيث يوفر بصمات أصابعه على أصلها. وتشمل الفئات الرئيسية لتحليل التربة والرواسب دراسات الهيدرولوجيا والجيولوجيا. يمثل حجم الجسيمات وشكلها تحدياً في تحليل التربة والرواسب. لماذا؟ لأن عينات التربة متعددة الأشكال وتغطي دائمًا نطاق توزيع واسع الحجم. يقوم جهاز Bettersizer S3 Plus بتحليل حجم الجسيمات على نطاق واسع من 0.01 ميكرومتر إلى 3.5 مم، مما يلبي تمامًا احتياجات قياسات حجم التربة والرواسب. ستركز هذه المذكرة التطبيقية على ثلاثة تطبيقات مختلفة تغطي الرواسب الصخرية القمرية والصحراوية والبحرية وتستكشف الاختلافات في حجم الجسيمات وأشكالها في ثلاث عينات.

 

                        

المنتج	Bettersizer S3 Plus
الصناعة	التحليل البيئي
العينة	الريوليث القمري، والرواسب البحرية، والرمال الصحراوية والقياسية
نوع القياس	حجم الجسيمات شكل الجسيمات
تقنية القياس	حيود الليزر تحليل الصور الديناميكي

 

 

الانتقال إلى قسم

 

 
• مقدمة
 
• القياسات 
   
  • الرواسب البحرية
   
  • الرواسب الصخرية القمرية
   
  • الرمال الصحراوية والقياسية
   
   
 
• الخاتمة
 
• المراجع
 

 

 

---

 

 

مقدمة

 

تتسم التربة من مختلف التضاريس بخصائص مختلفة، مما يوفر بصمات أصابعها إلى أصلها. ووفقًا لمعيار الاتحاد الدولي لعلوم التربة (IUSS)، يمكن تصنيف فئة التربة إلى طين وطمي ورمل ناعم وحبوب خشنة وحصى. نظام معياري آخر من قبل وزارة الزراعة الأمريكية (USDA) يصنف الرمال إلى ثماني فئات، كما هو موضح في الشكل 1 ^[1].

 

الشكل1. تصنيف التربة في أنظمة مختلفة

 

 

تشمل الفئات الرئيسية لتحليل التربة والرواسب دراسات الهيدرولوجيا والجيولوجيا. في الدراسات الهيدرولوجية، يوفر تحليل الرواسب معلومات مهمة عن الصفائح التكتونية واستدامة مستجمعات المياه البيئية. في الدراسات الجيولوجية، تتم دراسة عينات التربة للكشف عن التلوث وتغير المناخ.

 

 

الهيدرولوجيا

 

تتغير علامات الأنهار بسبب الاختلافات في حجم الجسيمات. ومن الضروري أخذ العينات في نفس الموقع في سنوات مختلفة لرصد تقلبات حجم الجسيمات وتقييم مخاطر الفيضانات.

 

 

ويشكل تحليل الرواسب البحرية تحدياً لأن الجسيمات الأكبر حجماً من المحتمل أن يزيد حجمها عن سنتيمتر واحد، في حين أن أصغر الجسيمات لا يتجاوز حجمها بضعة ميكرومترات. كما أن النخل له حساسية محدودة للجسيمات الدقيقة، ويواجه حيود الليزر نفس المشكلة في الجسيمات الخشنة.

 

 

ويتمثل أحد الحلول لهذه المشكلة في الجمع بين طريقة النخل وطريقة حيود الليزر، حيث يزيل النخل الجسيمات المليمترية، ويقيس حيود الليزر الجسيمات متناهية الصغر.

 

 

الجيولوجيا

 

تحليل التربة مهم لأن التربة يمكن أن تؤثر على حياة البشر. وترتبط حالة التربة ارتباطاً وثيقاً بالزراعة والبناء والبيئة. بالإضافة إلى ذلك، ترتبط التربة والرواسب ارتباطاً وثيقاً بالبيئة. ولاستكشاف دور التربة في البيئة، يقوم العلماء بتحليل جميع الجوانب الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للتربة. ويشمل التحليل الشامل للتربة حجم الجسيمات وشكلها وكثافتها ومركباتها العضوية والحفرية وتحليل العناصر، إلخ.

 

 

عند تحليل الخواص الفيزيائية للتربة والرواسب، فإن حجم الجسيمات وشكلها هما البارامترات الرئيسية التي يجب قياسها. تكون عينات التربة متعددة الأشكال وتغطي دائمًا نطاق توزيع واسع للحجم. تقوم سلسلة Bettersizer S3 بتحليل حجم الجسيمات على نطاق واسع من 0.01 ميكرومتر إلى 3.5 مم، وتغطي جميع الفئات من الطين إلى الحصى بشكل كامل. بالإضافة إلى ذلك، تجمع سلسلة Bettersizer S3 Series بين تقنيتين في جهاز واحد، حيث تقوم بإجراء كل من تحليل حيود الليزر وتحليل الصور الديناميكية. ونتيجة لذلك، يمكن تحليل حجم الجسيمات وشكل عينة التربة في قياس واحد. تُستخدم سلسلة Bettersizer S3 في العديد من الجامعات والمختبرات لقياس التربة والرواسب. تسرد الورقة ثلاثة تطبيقات مختلفة تغطي الرواسب الصخرية القمرية والصحراوية والبحرية.

 

 

القياسات

 

1. الريغوليث القمري ^[2]

 

العيّنة الأولى هي عيّنة من الغلاف الصخري القمري (LR) التي أعيدت من القمر بواسطة بعثة Chang'E-5 (CE-5). تم الحصول على العينة من قبل مختبر تشيان شويسن لتكنولوجيا الفضاء، الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء (CAST). وفي التاريخ، جُمعت أول عينة قمرية في عام 1976، ولم يجمع عينات قمرية في القرن العشرين سوى الاتحاد السوفييتي والولايات المتحدة الأمريكية. وفي عام 2020، أخذ المسبار CE-5 1731 غراماً من العينات القمرية إلى الأرض. يوضح الشكل 2 موقع أخذ العينات من CE-5. كان مختبر تشيان شوزن أول مجموعة من المختبرات المصرح لها بتحليل الغلاف الصخري القمري.

 

 

 

الشكل 2. صورة موقع تشانغ'E-5 قبل وبعد أخذ العينات

 

 

تم استخدام جهاز Bettersizer S3 Plus لتوفير كل من تحليل شكل الجسيمات وقياس حجم الجسيمات. ووفقًا لخريطة صور الجسيمات المفردة في الشكل 3، تتكون التربة من جسيمات صغيرة جدًا بالإضافة إلى جسيمات خشنة. وإجمالًا، يتراوح توزيع حجم الجسيمات التي تم تحليلها والبالغ عددها 120,597 جسيمًا بين 15.0 و438.2 ميكرومتر. يبلغ متوسط دائرية الجسيمات 0.875، و10% فقط من الجسيمات لها دائرية أصغر من 0.805. في هذه الحالة، يكون الريغوليث القمري في موقع أخذ العينات CE-5 منتظم الشكل. وكما تنقسم التضاريس المختلفة على الأرض إلى فئات مختلفة، ينطبق الأمر نفسه على التضاريس القمرية المختلفة. ويساعد جهاز Bettersizer S3 Plus العلماء على اكتساب نظرة أعمق على عينات التربة، وإلقاء الضوء على تاريخ وتطور القمر والأرض نفسها.

 

 

 

الشكل 3. صور الجسيمات الأحادية الجسيمات والدائرية وتوزيع حجم الجسيمات

 

 

2. الرواسب البحرية

 

عينات الرواسب البحرية مأخوذة من المركز الوطني للرصد البيئي البحري بثلاثة توزيعات مختلفة للأحجام. أجرى جهاز Bettersizer S3 القياسات في مختبر Bettersize. كما هو موضح في الشكل 4، تزداد أحجام الجسيمات في ثلاث عينات من أعلى إلى أسفل.

 

 

الشكل 4. عينات الرواسب البحرية

 

 

 

الجدول 1. نتائج حجم Bettersizer S3 على ثلاث عينات

                                

العينةالاسم	D10(ميكرومتر)	D50(ميكرومتر)	D90(ميكرومتر)	D97(ميكرومتر)
العينةA	60	185	500	700
العينةB	160	292	997	1412
العينةC	224	762	1531	1785

 

 

يتم سرد قيم حجم الجسيمات في الجدول 1، مما يشير إلى أن جميع العينات الثلاث تغطي نطاق توزيع واسع. تحتوي العينة (أ) على أصغر توزيع لحجم الجسيمات من بين العينات الثلاث، حيث يوجد مدى يزيد عن 400 ميكرومتر بين قيم D10 وD90. بالمقارنة مع العينة (ج)، تحتوي العينة (أ) والعينة (ب) على قيم متقاربة لحجم الجسيمات. تحتوي العينة (ب) على جسيمات خشنة للغاية، مما يؤثر بشدة على توزيع حجم الجسيمات القائم على الحجم. ومن خلال تحليل الصور في الشكل 5، يتم عرض صور الجسيمات المفردة في العينة (أ) ويتضح أن حجم الجسيمات في العينة (أ) متجانس نسبيًا، بينما تحتوي العينة (ب) على جسيمات كبيرة الحجم.

 

 

الشكل 5. تحليل الصور للعينة A (أعلى) والعينة B (أسفل)

 

 

ووفقًا للرسم البياني للعينة B في الشكل 6، ظهرت قمتان على الأقل، مما يشير إلى وجود مجموعات مختلفة لحجم الجسيمات. تتمتع سلسلة Bettersizer S3 بدقة عالية في تمييز مجموعات أحجام الجسيمات المختلفة. استخدم القياس الاختبار المدمج لأن قياس الصورة يتميز بدقة عالية للنطاق الخشن ويتفوق حيود الليزر في النطاقين الدقيق والمتوسط.

 

 

الشكل 6. توزيعات حجم الجسيمات للعينات الثلاث

 

 

3. الرمال الصحراوية والقياسية ^[3]

 

قام المعهد الاتحادي لعلوم الأرض في هانوفر بتصميم تجربة للمقارنة بين الرمال الصحراوية والرمال القياسية، لتحليل ما إذا كانت الرمال الصحراوية يمكن أن تحل محل الرمال القياسية المستخدمة في صناعة البناء. تم استخدام جميع أنماط القياس الثلاثة: حيود الليزر، وتحليل الصور الديناميكي، وطريقة الجمع بين حيود الليزر وتحليل الصور الديناميكي. من الشكل 7، يمكن ملاحظة أن تحليل الصورة الديناميكي والتحليل المركب يظهران رسمًا بيانيًا مشابهًا لتوزيع حجم الجسيمات لعينة الرمال القياسية.

 

 

الشكل 7. توزيعات حجم الجسيمات للرمل الصحراوي والرمل القياسي

 

 

تحتوي عينة الرمال القياسية على العديد من الجسيمات الخشنة، وهو ما تفتقر إليه عينة رمال الصحراء. وكما هو موضح في الجدول 2، فإن الرمال الصحراوية لها قيمة D10 مماثلة للرمال القياسية، حوالي 220 ميكرومتر. ومع ذلك، تبلغ قيم D90 للرمل القياسي ورمل الصحراء حوالي 1800 ميكرومتر و740 ميكرومتر على التوالي.

 

 

الجدول 2. قيم النسبة المئوية النموذجية لتوزيع حجم الجسيمات

                                                        

العينة	D3	D6	D10	D16	D25	D50	D75	D84	D90	D99
ديناميكية الرمال الصحراوية تحليل الصور	145.9	185.5	223.1	263.1	316.8	433.6	575.9	656.9	740.8	1544
تحليل الصور الديناميكية الرملية القياسيةتحليل الصور	150.9	177.7	216.8	298.6	461.4	958.9	1476	1678	1828	2422
الرمل القياسي - مزيج من حيود الضوء وتحليل الصور	150.3	177.8	217.4	295	457.5	943.9	1434	1631	1781	2341

 

 

الجدول 3. معلمات شكل الجسيمات الفردية النموذجية

 

 

 

باستثناء الاختلافات في الحجم التي أظهرها التمايز بالليزر، هناك اختلافات كبيرة في الشكل. وفقًا لتحليل الصورة الديناميكية في الجدول 3، فإن القطر المكافئ لرمل الصحراء أصغر من الرمل القياسي. والفرق الكبير بينهما هو قيمة L/D. ووفقًا للشكل 8، فإن متوسط قيمة L/D للرمل القياسي يقترب من 1، لكن قيمة L/D لرمل الصحراء تتذبذب عند قيم أعلى من ذلك.

 

 

الشكل 8. توزيع قيمة L/D لرمال الصحراء والرمال القياسية

 

 

لا يمكن استخدام رمال الصحراء كمادة بناء بسبب عدم وجود جزيئات متوسطة وكبيرة. ولكن إذا أمكن إضافة الرمال المتوسطة والخشنة إلى رمال الصحراء بالنسب الصحيحة، فيمكن استخدام رمال الصحراء كبديل لمواد البناء.

 

 

الخلاصة

 

يتمثل التحدي الأهم لقياسات التربة والرواسب في قياس العينات الموزعة على نطاق واسع بدقة. تحتوي سلسلة Bettersizer S3 على نظام تحليل الصور الديناميكي ونظام حيود الليزر، وهو مناسب بشكل مثالي لقياس عينات التوزيع العريض الحجم مثل التربة. توفر سلسلة Bettersizer S3 نتائج موثوقة لحجم الجسيمات وشكلها لتناسب متطلبات العملاء.

 

 

المراجع

 

[1] Madhan Mohan.M وPrabhu Prasadini. 2019. دليل فيزياء التربة العملية. محطة البحوث الزراعية الإقليمية، ص 72.

 

[2] H. Zhang، X. Zhang، G. Zhang، K. Dong، X. Deng، X. Deng، X. Gao، X. Gao، Y. Y. Yang، Y. Y. Yang، Y. Xiao، X. Bai، K. Liang، K. Liang، Y. Liu، W. Liu، W. Ma، S. Zhao، C. Zhang، X. Zhang، J. Song، W. Yao و H. Chen و W. Wang و Z. Zou و M. Yang (2022)، حجم وشكل وتكوين العينات القمرية التي أعادتها بعثة Chang'E-5، Sci. Astron. 65, 000000.

 

[3] مدى ملاءمة الرمال الصحراوية أو الرمال المعاد تدويرها كمادة خام لإنتاج الخرسانة. 3P Instrument. https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Nachrichten/Aktuelles/2019/2019-08-06_wuestensand.html

 

 

 

نبذة عن المؤلف

        

شيورونج تشيو مهندس تطبيقات في شركة بيترسايز إنسترومنتس