月、地球、海洋の土壌と堆積物のサイズと形状を探る
2022-04-13Application Note
土壌と堆積物の分析は、その起源を示す指紋を提供する、人間にとって不可欠なものである。土壌・堆積物分析の主なカテゴリーは、水文学と地質学研究である。土壌・堆積物分析において、粒子の大きさと形状は難題である。なぜか。土壌サンプルは多形で、常に幅広い粒度分布範囲をカバーしています。ベターサイザーS3 Plusは、0.01 μmから3.5 mmまでの広い範囲の粒子径を分析し、土壌や堆積物の粒子径測定のニーズを完全に満たします。このアプリケーションノートでは、月のレゴリス、砂漠、海洋堆積物の3つの異なるアプリケーションに焦点を当て、3つのサンプルの粒子径と形状の違いを探ります。
| 製品 | ベータサイザー S3 Plus |
| 産業分野 | 環境分析 |
| サンプル | 月のレゴリス、海洋堆積物、砂漠および標準的な砂 |
| 測定タイプ | 粒子径 粒子形状 |
| 測定技術 | レーザー回折 動的画像解析 |
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はじめに
異なる地形から採取された土壌は様々な特徴を持っており、その起源を示す指紋となる。国際土壌学連合（IUSS）の標準によると、土壌は粘土、シルト、細砂、粗粒、砂利に分類される。米国農務省（USDA）による別の標準システムでは、図1に示すように、砂を8つのクラスに分類している[1]。 [1].
図1.異なるシステムによる土壌の分類
土壌と堆積物の分析には、主に水文学と地質学が含まれる。水文学研究では、堆積物の分析は、プレートテクトニクスや環境流域の持続可能性に重要な情報を提供する。地質学研究では、土壌試料は汚染や気候変動を検出するために研究される。
水文学
河川標識は粒子径の変化により変化する。粒子径の変動を監視し、洪水のリスクを評価するためには、異なる年に同じ場所でサンプリングを行う必要がある。
海底堆積物の分析は、最大の粒子が1センチメートル以上である可能性が高い一方で、最小の粒子は数マイクロメートルしかないため、困難である。ふるい分けでは微粒子に対する感度に限界があり、レーザー回折では粗粒子に対して同じ問題がある。
この問題を解決するには、ふるい分け法とレーザー回折法を組み合わせ、ふるい分け法でミリメートル粒子を除去し、レーザー回折法でマイナスメッシュ粒子を測定する方法があります。
地質
土壌の分析は、土壌が人間の生活に影響を与える可能性があるため重要である。土壌の状態は、農業、建築、環境と密接な関係がある。また、土壌や堆積物は生態系と密接な関係がある。生態系における土壌の役割を探るため、科学者は土壌の物理的、化学的、生物学的側面をすべて分析する。土壌の包括的な分析には、粒子径、形状、密度、有機化合物、化石、元素分析などが含まれる。
土壌や堆積物の物理的性質を分析する場合、粒子径と形状が測定すべき主要なパラメータである。土壌サンプルは多形であり、常に幅広い粒度分布範囲をカバーしています。ベターサイザーS3シリーズは、0.01 μmから3.5 mmまでの広い範囲の粒度を分析し、粘土から砂利までのすべてのクラスを完全にカバーします。さらに、Bettersizer S3シリーズは、レーザー回折と動的画像分析の2つの技術を1台の装置で組み合わせています。その結果、土壌サンプルの粒子径と形状を1回の測定で分析できます。Bettersizer S3シリーズは、多くの大学や研究所で土壌や堆積物の測定に使用されています。この論文では、月のレゴリス、砂漠、海洋堆積物を対象とした3種類のアプリケーションを紹介しています。
測定方法
1.月のレゴリス [2]
最初のサンプルは、嫦娥5号（CE-5）ミッションによって月から持ち帰られた月レゴリス（LR）である。このサンプルは、中国宇宙技術研究院（CAST）の銭雪仙宇宙技術研究所によって入手された。歴史上、最初の月サンプルが採取されたのは1976年で、20世紀に月サンプルを採取したのはソ連とアメリカだけだった。2020年、CE-5は1,731gの月サンプルを地球に持ち帰った。図2はCE-5のサンプル採取地点である。前雪泉研究所は、月のレゴリスを分析することを許可された最初の研究所グループである。
図2.Chang'E-5 サンプリング前後の現場画像
Bettersizer S3 Plusは、粒子形状分析と粒子径測定の両方に使用されました。図3の単一粒子画像のマップによると、土壌は非常に小さな粒子と粗い粒子で構成されています。合計120,597個の分析された粒子の粒度分布は15.0～438.2 µmである。粒子の平均円形度は0.875で、円形度が0.805より小さい粒子は10%しかない。この場合、CE-5の採取地点の月のレゴリスは規則的な形をしている。地球上のさまざまな地形が異なるカテゴリーに分類されるように、月の地形も異なります。Bettersizer S3 Plusは、科学者が土壌サンプルをより深く理解し、月と地球自体の歴史と進化に光を当てるのに役立ちます。
図3.単一粒子画像、円形度、粒度分布
2.海洋堆積物
海底堆積物サンプルは、3つの異なる粒度分布を持つ国立海洋環境モニタリングセンターからのものです。Bettersize S3はBettersize研究所で測定を行いました。図4に示すように、3つのサンプルの粒径は上から下に向かって大きくなっている。
図4.海洋堆積物サンプル
表1.3サンプルのベターサイザーS3サイズ結果
| サンプルサンプル名 | D10(μm） | D50(μm） | D90(μm） | D97(μm） |
| サンプルA | 60 | 185 | 500 | 700 |
| サンプルB | 160 | 292 | 997 | 1412 |
| サンプルC | 224 | 762 | 1531 | 1785 |
粒子径の値を表1に示すが、3つの試料とも広い分布範囲をカバーしていることがわかる。試料Aは3つの試料の中で最も粒度分布が小さく、D10値とD90値の間には400μm以上のスパンがある。サンプルCと比較すると、サンプルAとサンプルBの粒度値は近い。試料Bには極めて粗い粒子が含まれており、体積基準の粒度分布に大きな影響を与えている。図5の画像解析により、単一粒子画像が表示され、試料Aの粒子径は比較的均一であるのに対し、試料Bには特大粒子が含まれていることがわかる。
図5.試料A（上）と試料B（下）の画像解析
図6の試料Bのグラフによると、少なくとも2つのピークが現れており、異なる粒子径群を示しています。ベターサイザーS3シリーズは、異なる粒子径グループを識別する分解能が高い。画像測定は粗い範囲の精度が高く、レーザー回折は細かい範囲と中間の範囲に優れているため、測定は複合試験を使用しました。
図6.3試料の粒度分布
3.砂漠と標準砂 [3]
ハノーバーの連邦地球科学研究所は、砂漠の砂と標準的な砂を比較する実験を計画し、砂漠の砂が建設産業で使用される標準的な砂に取って代わることができるかどうかを分析した。レーザー回折法、動的画像解析法、レーザー回折法と動的画像解析法を組み合わせた方法の3つの測定モードがすべて使用されています。図7から、動的画像解析と複合解析は、標準砂サンプルの粒度分布グラフと類似していることがわかります。
図7.砂漠と標準砂の粒度分布
標準砂試料には粗い粒子が多く含まれているが、砂漠砂試料にはそれがない。表2に示すように、砂漠砂のD10値は標準砂とほぼ同じ約220μmである。しかし、標準砂と砂漠砂のD90値はそれぞれ約1800μmと740μmである。
表2.粒度分布の代表的なパーセンテージ値
| サンプル | D3 | D6 | D10 | D16 | D25 | D50 | D75 | D84 | D90 | D99 |
| 砂漠の砂 画像解析 | 145.9 | 185.5 | 223.1 | 263.1 | 316.8 | 433.6 | 575.9 | 656.9 | 740.8 | 1544 |
| 標準サンドダイナミック画像解析 | 150.9 | 177.7 | 216.8 | 298.6 | 461.4 | 958.9 | 1476 | 1678 | 1828 | 2422 |
| 標準砂 - 光回折と画像解析の組み合わせ | 150.3 | 177.8 | 217.4 | 295 | 457.5 | 943.9 | 1434 | 1631 | 1781 | 2341 |
表3.典型的な個々の粒子の形状パラメータ
レーザー鑑別が示す大きさの違いを除けば、形状には大きな違いがある。表3の動的画像解析によると、砂漠の砂の等価直径は標準的な砂よりも小さい。両者の大きな違いはL/D値である。図8によると、標準砂の平均L/D値は1に近いが、砂漠砂のL/D値はそれよりも高い値で変動している。
図8.砂漠砂と標準砂のL/D値分布
砂漠の砂は中・大粒子が少ないため、建設資材としては適用できない。しかし、砂漠砂に中砂と粗砂を適切な割合で加えれば、砂漠砂を建築資材の代替品として使用することができる。
結論
土壌や堆積物の測定で最も重要な課題は、広範囲に分布するサンプルを正確に測定することです。Bettersizer S3シリーズは、動的画像解析システムとレーザー回折システムを備えており、土壌のような粒度分布の広い試料の測定に最適です。ベターサイザーS3シリーズは、お客様のご要望に合わせた信頼性の高い粒子径と形状の測定結果を提供します。
参考文献
[1] Madhan Mohan.M and Prabhu Prasadini.2019.実践土壌物理学マニュアル。Regional Agricultural Research Station, 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, and M. Yang (2022), Chang'E-5ミッションによって回収された月試料のサイズ、形状、組成, Sci. China- Phys. Mech.Astron.65, 000000.
[コンクリート製造の原料としての砂漠またはリサイクル砂の適合性。3P Instrument. https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Nachrichten/Aktuelles/2019/2019-08-06_wuestensand.html
著者について
 | Xiurong Qiu アプリケーションエンジニア @ Bettersize Instruments |
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