Exploración del tamaño y la forma en suelos y sedimentos de la Luna, la Tierra y el océano

El análisis de suelos y sedimentos es esencial para el ser humano, ya que proporciona huellas dactilares de su origen. Las principales categorías de análisis de suelos y sedimentos son los estudios hidrológicos y geológicos. El tamaño y la forma de las partículas suponen un reto en el análisis de suelos y sedimentos. ¿Por qué? Las muestras de suelo son polimórficas y siempre cubren un amplio rango de distribución de tamaños. El Bettersizer S3 Plus analiza el tamaño de las partículas en un amplio rango de 0,01 μm a 3,5 mm, satisfaciendo plenamente las necesidades de las mediciones de tamaño de suelos y sedimentos. Esta nota de aplicación se centrará en tres aplicaciones diferentes que cubren el regolito lunar, el desierto y los sedimentos marinos, y explorará las diferencias de tamaño y forma de las partículas en tres muestras.

 

                        

Producto	Bettersizer S3 Plus
Industria	Análisis medioambiental
Muestra	Regolito lunar, sedimentos marinos, arena de desierto y estándar
Tipo de medición	Tamaño de partículas Forma de las partículas
Tecnología de medición	Difracción láser Análisis dinámico de imágenes

 

 

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• Introducción
 
• Mediciones 
   
  • Sedimentos marinos
   
  • Regolito lunar
   
  • Desierto y arena estándar
   
   
 
• Conclusión
 
• Referencia
 

 

 

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Introducción

 

Los suelos de distintos terrenos presentan diversas características, que proporcionan huellas dactilares de su origen. Según la norma de la Unión Internacional de la Ciencia del Suelo (IUSS), la categoría de suelo puede clasificarse en arcilla, limo, arena fina, grano grueso y grava. Otro sistema estándar del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA) clasifica la arena en ocho clases, como se muestra en la figura 1 ^[1].

 

Figura 1. Clasificación del suelo en diferentes sistemas

 

 

Las principales categorías de análisis de suelos y sedimentos incluyen estudios de hidrología y geología. En los estudios de hidrología, el análisis de sedimentos proporciona información importante para la tectónica de placas y la sostenibilidad medioambiental de las cuencas hidrográficas. En los estudios geológicos, las muestras de suelo se estudian para detectar la contaminación y el cambio climático.

 

 

Hidrología

 

La marca del río cambia debido a las variaciones en el tamaño de las partículas. Es necesario tomar muestras en el mismo lugar en años diferentes para controlar las fluctuaciones granulométricas y evaluar el riesgo de inundaciones.

 

 

El análisis de los sedimentos marinos constituye un reto, ya que las partículas más grandes suelen medir más de un centímetro, mientras que las más pequeñas sólo alcanzan unos pocos micrómetros. El tamizado tiene una sensibilidad limitada a las partículas finas, y la difracción láser tiene el mismo problema en las partículas gruesas.

 

 

Una solución a este problema consiste en combinar el método de tamizado y el método de difracción láser, en el que el tamizado elimina las partículas milimétricas y la difracción láser mide las partículas menos gruesas.

 

 

Geología

 

El análisis de los suelos es importante, ya que el suelo puede influir en la vida de los seres humanos. El estado de los suelos está estrechamente relacionado con la agricultura, la construcción y el medio ambiente. Además, los suelos y sedimentos están estrechamente relacionados con la ecología. Para explorar el papel del suelo en la ecología, los científicos analizan todos los aspectos físicos, químicos y biológicos del suelo. Un análisis exhaustivo del suelo incluiría el tamaño de las partículas, la forma, la densidad, los compuestos orgánicos, los fósiles, el análisis elemental, etc.

 

 

Cuando se analizan las propiedades físicas de suelos y sedimentos, el tamaño y la forma de las partículas son los principales parámetros a medir. Las muestras de suelo son polimórficas y siempre cubren un amplio rango de distribución de tamaños. El Bettersizer Serie S3 analiza el tamaño de partícula en un amplio rango de 0,01 μm a 3,5 mm, cubriendo completamente todas las clases desde arcilla a grava. Además, el Bettersizer Serie S3 combina dos técnicas en un solo instrumento, realizando tanto difracción láser como análisis de imagen dinámica. Como resultado, el tamaño y la forma de las partículas de la muestra de suelo pueden analizarse en una sola medición. El Bettersizer Serie S3 se utiliza en muchas universidades y laboratorios para medir suelos y sedimentos. El documento enumera tres aplicaciones diferentes que abarcan el regolito lunar, el desierto y los sedimentos marinos.

 

 

Mediciones

 

1. Regolito lunar ^[2]

 

La primera muestra es un regolito lunar (LR) devuelto desde la Luna por la misión Chang'E-5 (CE-5). La muestra fue obtenida por el Laboratorio Qian Xuesen de Tecnología Espacial de la Academia China de Tecnología Espacial (CAST). En la historia, la primera muestra lunar se recogió en 1976, y sólo la Unión Soviética y Estados Unidos habían recogido muestras lunares en el siglo XX. En 2020, el CE-5 llevó a la Tierra 1.731 g de muestras lunares. La figura 2 muestra el lugar de muestreo del CE-5. El Laboratorio Qian Xuesen fue el primer grupo de laboratorios autorizado para analizar el regolito lunar.

 

 

 

Figura 2. Imagen in situ de Chang'E-5 antes y después del muestreo

 

 

Se utilizó el Bettersizer S3 Plus para realizar tanto el análisis de la forma de las partículas como la medición de su tamaño. Según el mapa de imágenes de partículas individuales de la figura 3, el suelo está formado por partículas muy pequeñas y partículas gruesas. En total, las 120.597 partículas analizadas presentan una distribución granulométrica comprendida entre 15,0 y 438,2 µm. La circularidad media de las partículas es de 0,875, y sólo el 10% de las partículas tienen una circularidad inferior a 0,805. En este caso, el regolito lunar en el lugar de muestreo CE-5 tiene una forma regular. De la misma manera que los diferentes terrenos de la Tierra se clasifican en diferentes categorías, lo mismo ocurre con los diferentes terrenos lunares. El Bettersizer S3 Plus ayuda a los científicos a obtener una visión más profunda de las muestras de suelo y a arrojar luz sobre la historia y la evolución de la Luna y de la propia Tierra.

 

 

 

Figura 3. Imágenes de partículas individuales, circularidad y distribución del tamaño de las partículas

 

 

2. Sedimentos marinos

 

Las muestras de sedimentos marinos proceden del National Marine Environmental Monitoring Center con tres distribuciones de tamaño diferentes. El Bettersizer S3 realizó las mediciones en el laboratorio Bettersize. Como se muestra en la Figura 4, los tamaños de las partículas de las tres muestras aumentan de arriba a abajo.

 

 

Figura 4. Muestras de sedimentos marinos Muestras de sedimentos marinos

 

 

 

Tabla 1. Resultados del tamaño S3 de Bettersizer en tres muestras

                                

MuestraNombre	D10(μm)	D50(μm)	D90(μm)	D97(μm)
MuestraA	60	185	500	700
MuestraB	160	292	997	1412
MuestraC	224	762	1531	1785

 

 

Los valores de tamaño de partícula se enumeran en la Tabla 1, lo que indica que las tres muestras cubren un amplio rango de distribución. La muestra A tiene la distribución de tamaño de partícula más pequeña de las tres muestras, donde hay un intervalo de más de 400 μm entre los valores D10 y D90. En comparación con la muestra C, la muestra A y la muestra B tienen valores de tamaño de partícula más cercanos. La muestra B contiene partículas extremadamente gruesas, que influyen mucho en la distribución granulométrica basada en el volumen. Mediante el análisis de imagen de la Figura 5, se muestran imágenes de una sola partícula, y es evidente que el tamaño de partícula de la muestra A es relativamente uniforme, mientras que la muestra B contiene partículas demasiado grandes.

 

 

Figura 5. Análisis de imagen de la muestra A (arriba) Análisis de imagen de la muestra A (arriba) y la muestra B (abajo)

 

 

De acuerdo con el gráfico de la muestra B en la Figura 6, aparecieron al menos dos picos, indicando diferentes grupos de tamaño de partícula. El Bettersizer Serie S3 tiene una alta resolución para distinguir diferentes grupos de tamaño de partícula. En la medición se utilizó la prueba combinada porque la medición por imagen tiene una gran precisión para el rango grueso y la difracción láser destaca en los rangos fino y medio.

 

 

Figura 6. Distribuciones granulométricas de las tres muestras

 

 

3. Arena del desierto y arena estándar ^[3]

 

El Instituto Federal de Geociencias de Hannover diseñó un experimento para comparar la arena del desierto y la arena estándar, con el fin de analizar si la arena del desierto puede sustituir a la arena estándar utilizada en la industria de la construcción. Se utilizan los tres modos de medición: difracción láser, análisis dinámico de imágenes y un método combinado de difracción láser y análisis dinámico de imágenes. A partir de la Figura 7, se puede observar que el análisis de imagen dinámico y el análisis combinado muestran un gráfico de distribución de tamaño de partícula similar para la muestra de arena estándar.

 

 

Figura 7. Distribuciones granulométricas de arena del desierto y arena estándar

 

 

La muestra de arena estándar contiene muchas partículas gruesas, de las que carece la muestra de arena del desierto. Como se muestra en la Tabla 2, la arena del desierto tiene un valor D10 similar al de la arena estándar, alrededor de 220 μm. Sin embargo, los valores D90 de la arena estándar y la arena del desierto son de unos 1800 μm y 740 μm respectivamente.

 

 

Tabla 2. Valores porcentuales típicos de la distribución granulométrica

                                                        

Muestra	D3	D6	D10	D16	D25	D50	D75	D84	D90	D99
Arena del desierto análisis de imágenes	145.9	185.5	223.1	263.1	316.8	433.6	575.9	656.9	740.8	1544
Análisis de imagenanálisis de imagen	150.9	177.7	216.8	298.6	461.4	958.9	1476	1678	1828	2422
Arena estándar: combinación de difracción de la luz y análisis de imágenes	150.3	177.8	217.4	295	457.5	943.9	1434	1631	1781	2341

 

 

Tabla 3. Parámetros de forma típicos de partículas individuales

 

 

 

Aparte de las diferencias de tamaño que muestra la diferenciación láser, existen diferencias significativas en la forma. Según el análisis dinámico de imágenes de la Tabla 3, el diámetro equivalente de la arena del desierto es menor que el de la arena estándar. La gran diferencia entre ellas es el valor L/D. Según la Figura 8, la arena estándar tiene un valor L/D medio cercano a 1, pero el valor L/D de la arena del desierto fluctúa en valores superiores a éste.

 

 

Figura 8. Distribución del valor L/D de la arena del desierto y la arena estándar

 

 

La arena del desierto no puede aplicarse como material de construcción debido a la falta de partículas medianas y grandes. Pero si se pueden añadir arenas medianas y gruesas a la arena del desierto en la proporción correcta, la arena del desierto podría utilizarse como sustituto del material de construcción.

 

 

Conclusión

 

El reto más importante de las mediciones de suelos y sedimentos es medir con precisión las muestras muy distribuidas. El Bettersizer Serie S3 tiene un sistema dinámico de análisis de imagen y un sistema de difracción láser, ideal para medir muestras de amplia distribución de tamaño como los suelos. El Bettersizer Serie S3 proporciona resultados fiables de tamaño y forma de partículas que se ajustan a los requisitos del cliente.

 

 

Referencias

 

[1] Madhan Mohan.M y Prabhu Prasadini. 2019. Manual de física práctica del suelo. Estación regional de investigación agrícola, Pp 72.

 

[2] H. Zhang, X. Zhang, G. Zhang, K. Dong, X. Deng, X. Gao, Y. Yang, Y. Xiao, X. Bai, K. Liang, Y. Liu, W. Ma, S. Zhao, C. Zhang, X. Zhang, J. Song, W. Yao, H. Chen, W. Wang, Z. Zou y M. Yang (2022), Size, shape, and composition of lunar samples returned by Chang'E-5 mission, Sci. China- Phys. Mech. Astron. 65, 000000.

 

[3] Idoneidad de arenas desérticas o de reciclaje como materia prima para la producción de hormigón. Instrumento 3P. https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Nachrichten/Aktuelles/2019/2019-08-06_wuestensand.html

 

 

 

Sobre el autor

        

Xiurong Qiu Ingeniero de aplicaciones @ Bettersize Instruments