Explorer la taille et la forme des sols et des sédiments de la Lune, de la Terre et de l'océan

L'analyse des sols et des sédiments est essentielle pour les êtres humains, car elle fournit des empreintes digitales de leur origine. Les principales catégories d'analyse des sols et des sédiments comprennent les études hydrologiques et géologiques. La taille et la forme des particules constituent un défi pour l'analyse des sols et des sédiments. Pourquoi ? Les échantillons de sol sont polymorphes et couvrent toujours une large gamme de distribution de taille. Le Bettersizer S3 Plus analyse la taille des particules sur une large plage allant de 0,01 μm à 3,5 mm, ce qui répond parfaitement aux besoins des mesures de la taille des sols et des sédiments. Cette note d'application se concentrera sur trois applications différentes couvrant le régolithe lunaire, le désert et les sédiments marins et explorera les différences de taille et de forme des particules dans trois échantillons.

 

                        

Produit	Bettersizer S3 Plus
Industrie	Analyse environnementale
Échantillons	Régolithe lunaire, sédiments marins, sable de désert et sable standard
Type de mesure	Taille des particules Forme des particules
Technologie de mesure	Diffraction laser Analyse d'image dynamique

 

 

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• Introduction
 
• Mesures 
   
  • Sédiments marins
   
  • Régolithe lunaire
   
  • Désert et sable standard
   
   
 
• Conclusion
 
• Référence de l'article
 

 

 

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Introduction

 

Les sols provenant de différents terrains présentent des caractéristiques variées, qui constituent autant d'empreintes digitales de leur origine. Selon la norme de l'Union internationale de la science du sol (UIS), la catégorie de sol peut être classée en argile, limon, sable fin, gros grain et gravier. Un autre système normalisé du ministère américain de l'agriculture (USDA) classe le sable en huit catégories, comme le montre la figure 1 ^[1].

 

Figure 1. Classification des sols dans différents systèmes

 

 

Les principales catégories d'analyse des sols et des sédiments comprennent les études hydrologiques et géologiques. Dans les études hydrologiques, l'analyse des sédiments fournit des informations importantes pour la tectonique des plaques et la durabilité environnementale des bassins versants. Dans les études géologiques, les échantillons de sol sont étudiés pour détecter la pollution et le changement climatique.

 

 

L'hydrologie

 

La marque des rivières change en raison des variations de la taille des particules. L'échantillonnage sur le même site au cours de différentes années est nécessaire pour surveiller les fluctuations de la taille des particules et évaluer le risque d'inondation.

 

 

L'analyse des sédiments marins est difficile car les particules les plus grosses sont susceptibles de mesurer plus d'un centimètre, alors que les plus petites ne mesurent que quelques micromètres. Le tamisage a une sensibilité limitée aux particules fines, et la diffraction laser présente le même problème pour les particules grossières.

 

 

Une solution à ce problème consiste à combiner la méthode de tamisage et la méthode de diffraction laser, le tamisage éliminant les particules millimétriques et la diffraction laser mesurant les particules de taille inférieure à la maille.

 

 

Géologie

 

L'analyse des sols est importante car le sol peut influencer la vie des êtres humains. L'état des sols est étroitement lié à l'agriculture, à la construction et à l'environnement. En outre, les sols et les sédiments sont étroitement liés à l'écologie. Pour étudier le rôle du sol dans l'écologie, les scientifiques analysent tous les aspects physiques, chimiques et biologiques du sol. Une analyse complète du sol comprend la taille des particules, leur forme, leur densité, les composés organiques, les fossiles, l'analyse élémentaire, etc.

 

 

Lors de l'analyse des propriétés physiques des sols et des sédiments, la taille et la forme des particules sont les principaux paramètres à mesurer. Les échantillons de sol sont polymorphes et couvrent toujours une large gamme de distribution de taille. La série Bettersizer S3 analyse la taille des particules sur une large plage allant de 0,01 μm à 3,5 mm, couvrant entièrement toutes les classes, de l'argile au gravier. En outre, le Bettersizer S3 Series combine deux techniques en un seul instrument, réalisant à la fois des analyses par diffraction laser et des analyses d'images dynamiques. Ainsi, la taille et la forme des particules de l'échantillon de sol peuvent être analysées en une seule mesure. Le Bettersizer S3 Series est utilisé dans de nombreuses universités et laboratoires pour mesurer les sols et les sédiments. L'article énumère trois applications différentes couvrant le régolithe lunaire, le désert et les sédiments marins.

 

 

Mesures

 

1. Régolithe lunaire ^[2]

 

Le premier échantillon est un régolithe lunaire (LR) ramené de la lune par la mission Chang'E-5 (CE-5). L'échantillon a été obtenu par le laboratoire de technologie spatiale Qian Xuesen de l'Académie chinoise de technologie spatiale (CAST). Dans l'histoire, le premier échantillon lunaire a été recueilli en 1976, et seuls l'Union soviétique et les États-Unis ont collecté des échantillons lunaires au cours du XXe siècle. En 2020, CE-5 a ramené sur Terre 1 731 g d'échantillons lunaires. La figure 2 montre le site d'échantillonnage de CE-5. Le laboratoire Qian Xuesen a été le premier groupe de laboratoires autorisés à analyser le régolithe lunaire.

 

 

 

La figure2 montre le site d'échantillonnage de Chang'E-5. Image du site de Chang'E-5 avant et après l'échantillonnage

 

 

Le Bettersizer S3 Plus a été utilisé pour analyser la forme et la taille des particules. D'après la carte des images de particules individuelles de la figure 3, le sol est constitué de très petites particules ainsi que de grosses particules. Au total, les 120 597 particules analysées ont une distribution granulométrique comprise entre 15,0 et 438,2 µm. La circularité moyenne des particules est de 0,875, et seulement 10 % des particules ont une circularité inférieure à 0,805. Dans ce cas, le régolithe lunaire sur le site d'échantillonnage CE-5 est de forme régulière. Tout comme les nombreux terrains différents sur terre se répartissent en différentes catégories, il en va de même pour les différents terrains lunaires. Le Bettersizer S3 Plus aide les scientifiques à mieux comprendre les échantillons de sol et à faire la lumière sur l'histoire et l'évolution de la lune et de la terre elle-même.

 

 

 

Figure 3. Images de particules individuelles, circularité et distribution de la taille des particules

 

 

2. Sédiments marins

 

Les échantillons de sédiments marins proviennent du National Marine Environmental Monitoring Center et présentent trois distributions granulométriques différentes. Le Bettersizer S3 a effectué les mesures au laboratoire Bettersize. Comme le montre la figure 4, la taille des particules des trois échantillons augmente de haut en bas.

 

 

Figure 4. Échantillons de sédiments marins

 

 

 

Tableau 1. Résultats de la taille du Bettersizer S3 sur trois échantillons

                                

ÉchantillonNom de l'échantillon	D10(μm)	D50(μm)	D90(μm)	D97(μm)
ÉchantillonA	60	185	500	700
ÉchantillonB	160	292	997	1412
Exemple d'applicationC	224	762	1531	1785

 

 

Les valeurs de la taille des particules sont répertoriées dans le tableau 1, qui indique que les trois échantillons couvrent une large gamme de distribution. L'échantillon A présente la distribution granulométrique la plus petite des trois échantillons, avec un écart de plus de 400 μm entre les valeurs D10 et D90. Par rapport à l'échantillon C, les échantillons A et B présentent des valeurs granulométriques plus proches. L'échantillon B contient des particules extrêmement grossières, qui influencent fortement la distribution granulométrique basée sur le volume. L'analyse d'images de la figure 5 montre des images de particules individuelles et il est évident que la taille des particules de l'échantillon A est relativement uniforme, tandis que l'échantillon B contient des particules surdimensionnées.

 

 

Figure 5. Analyse d'images de l'échantillon A (en haut) et de l'échantillon B (en bas)

 

 

Selon le graphique de l'échantillon B de la figure 6, au moins deux pics sont apparus, indiquant différents groupes de taille de particules. Le Bettersizer série S3 a une haute résolution pour distinguer les différents groupes de taille de particules. La mesure a utilisé le test combiné parce que la mesure d'image a une grande précision pour la gamme grossière et que la diffraction laser excelle dans les gammes fines et moyennes.

 

 

Figure 6. Distribution des tailles de particules des trois échantillons

 

 

3. Désert et sable standard ^[3]

 

L'Institut fédéral des géosciences de Hanovre a conçu une expérience visant à comparer le sable du désert et le sable standard, afin d'analyser si le sable du désert peut remplacer le sable standard utilisé dans l'industrie de la construction. Les trois modes de mesure sont utilisés : la diffraction laser, l'analyse d'image dynamique et une méthode combinant la diffraction laser et l'analyse d'image dynamique. La figure 7 montre que l'analyse dynamique d'images et l'analyse combinée présentent un graphique de distribution granulométrique similaire pour l'échantillon de sable standard.

 

 

Figure 7. Distribution granulométrique du sable du désert et du sable standard

 

 

L'échantillon de sable standard contient de nombreuses particules grossières, ce qui n'est pas le cas de l'échantillon de sable du désert. Comme le montre le tableau 2, le sable du désert a une valeur D10 similaire à celle du sable standard, soit environ 220 μm. Cependant, les valeurs D90 du sable standard et du sable du désert sont respectivement d'environ 1800 μm et 740 μm.

 

 

Tableau 2. Valeurs typiques en pourcentage pour la distribution de la taille des particules.

                                                        

Échantillon	D3	D6	D10	D16	D25	D50	D75	D84	D90	D99
Sable désertique-dynamique analyse d'images	145.9	185.5	223.1	263.1	316.8	433.6	575.9	656.9	740.8	1544
Analyse standard de l'imageanalyse d'image	150.9	177.7	216.8	298.6	461.4	958.9	1476	1678	1828	2422
Sable standard - combinaison de la diffraction de la lumière et de l'analyse d'image	150.3	177.8	217.4	295	457.5	943.9	1434	1631	1781	2341

 

 

Tableau 3. Paramètres de forme des particules individuelles typiques

 

 

 

Hormis les différences de taille mises en évidence par la différenciation laser, il existe d'importantes différences de forme. D'après l'analyse dynamique des images du tableau 3, le diamètre équivalent du sable du désert est plus petit que celui du sable standard. La grande différence entre les deux est la valeur L/D. D'après la figure 8, le sable standard a une valeur L/D moyenne proche de 1, mais la valeur L/D du sable du désert fluctue à des valeurs plus élevées.

 

 

Figure 8. Distribution de la valeur L/D du sable du désert et du sable standard

 

 

Le sable du désert ne peut pas être utilisé comme matériau de construction en raison de l'absence de particules moyennes et grosses. Mais si des sables moyens et grossiers peuvent être ajoutés au sable du désert dans la bonne proportion, le sable du désert peut être utilisé comme matériau de remplacement pour la construction.

 

 

Conclusion

 

Le défi le plus important des mesures de sol et de sédiments est de mesurer avec précision les échantillons largement distribués. La série Bettersizer S3 dispose d'un système d'analyse d'image dynamique et d'un système de diffraction laser, parfaitement adaptés à la mesure d'échantillons à large distribution de taille tels que les sols. Le Bettersizer S3 Series fournit des résultats fiables sur la taille et la forme des particules pour répondre aux besoins des clients.

 

 

Références

 

[1] Madhan Mohan.M et Prabhu Prasadini. 2019. Manuel sur la physique des sols pratique. Station régionale de recherche agricole, 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 et M. Yang (2022), Size, shape, and composition of lunar samples returned by Chang'E-5 mission, Sci. China- Phys. Mech. Astron. 65, 000000.

 

[3] Suitability of desert or recycling sands as raw material for concrete production. 3P Instrument. https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Nachrichten/Aktuelles/2019/2019-08-06_wuestensand.html

 

 

 

À propos de l'auteur

        

Xiurong Qiu Ingénieur d'application @ Bettersize Instruments