Изучение размера и формы почв и осадков Луны, Земли и океана

Анализ почвы и осадочных пород очень важен для человека, он позволяет определить его происхождение. Основные категории анализа почв и отложений включают гидрологические и геологические исследования. Размер и форма частиц являются сложной задачей при анализе почв и отложений. Почему? Почвенные образцы полиморфны и всегда имеют широкий диапазон распределения частиц по размерам. Прибор Bettersizer S3 Plus анализирует размер частиц в широком диапазоне от 0,01 мкм до 3,5 мм, полностью удовлетворяя потребности в измерении размера почвы и осадочных пород. В данной статье мы рассмотрим три различных приложения, охватывающие лунный реголит, пустыню и морские осадки, и изучим различия в размерах и формах частиц в трех образцах.

 

                        

Продукт	Bettersizer S3 Plus
Отрасль	Экологический анализ
Образец	Лунный реголит, морские осадки, пустынный и стандартный песок
Тип измерения	Размер частиц Форма частиц
Технология измерения	Лазерная дифракция Динамический анализ изображений

 

 

Перейти к разделу:

 

 
• Введение
 
• Измерения 
   
  • Морские осадки
   
  • Лунный реголит
   
  • Пустынный и стандартный песок
   
   
 
• Заключение
 
• Ссылка
 

 

 

---

 

 

Введение

 

Почвы различных местностей имеют различные характеристики, позволяющие определить их происхождение. Согласно стандарту Международного союза почвоведов (IUSS), почва может быть классифицирована как глина, ил, мелкий песок, крупное зерно и гравий. Другая стандартная система, разработанная Министерством сельского хозяйства США (USDA), классифицирует песок на восемь классов, как показано на рисунке 1 ^[1].

 

Рисунок 1. Классификация почв в различных системах

 

 

Основные категории анализа почв и отложений включают гидрологические и геологические исследования. В гидрологических исследованиях анализ отложений дает важную информацию для тектоники плит и устойчивости экологических водосборов. В геологии образцы почвы изучаются для выявления загрязнения и изменения климата.

 

 

Гидрология

 

Отметка реки изменяется из-за вариаций размера частиц. Отбор проб на одном и том же участке в разные годы необходим для отслеживания колебаний размера частиц и оценки риска наводнений.

 

 

Анализ морских отложений представляет собой сложную задачу, поскольку самые крупные частицы могут превышать сантиметр, а самые мелкие - всего несколько микрометров. Просеивание имеет ограниченную чувствительность к мелким частицам, а лазерная дифракция имеет ту же проблему с крупными частицами.

 

 

Решением этой проблемы является комбинирование метода просеивания и метода лазерной дифракции, при котором просеивание удаляет миллиметровые частицы, а лазерная дифракция измеряет частицы с минимальной ячейкой.

 

 

Геология

 

Анализ почв имеет большое значение, поскольку почва может влиять на жизнь человека. Состояние почвы тесно связано с сельским хозяйством, строительством и окружающей средой. Кроме того, почвы и осадки тесно связаны с экологией. Чтобы изучить роль почвы в экологии, ученые анализируют все физические, химические и биологические аспекты почвы. Всесторонний анализ почвы включает в себя определение размера частиц, формы, плотности, органических соединений, ископаемых, элементный анализ и т.д.

 

 

При анализе физических свойств почв и осадков размер и форма частиц являются основными параметрами для измерения. Образцы почвы полиморфны и всегда имеют широкий диапазон распределения по размерам. Анализатор Bettersizer серии S3 определяет размер частиц в широком диапазоне от 0,01 мкм до 3,5 мм, полностью охватывая все классы от глины до гравия. Кроме того, Bettersizer S3 Series сочетает два метода в одном приборе, выполняя как лазерную дифракцию, так и анализ динамических изображений. В результате размер и форма частиц образца почвы могут быть проанализированы за одно измерение. Приборы серии Bettersizer S3 используются во многих университетах и лабораториях для измерения почв и отложений. В статье перечислены три различных применения, охватывающие лунный реголит, пустыню и морские отложения.

 

 

Измерения

 

1. Лунный реголит ^[2]

 

Первый образец представляет собой лунный реголит (ЛР), возвращенный с Луны миссией 'Чанъэ-5' (CE-5). Образец был получен Лабораторией космических технологий Цянь Сюэсэнь Китайской академии космических технологий (CAST). В истории первый лунный образец был собран в 1976 году, а в XX веке лунные образцы собирали только Советский Союз и США. В 2020 году CE-5 доставил на Землю 1 731 г лунных образцов. На рисунке 2 показано место сбора образцов CE-5. Лаборатория Цянь Сюэсэнь была первой группой лабораторий, получивших разрешение на анализ лунного реголита.

 

 

 

Рисунок 2. Изображение площадки Чанъэ-5 до и после отбора проб

 

 

Для анализа формы частиц и измерения их размера использовался прибор Bettersizer S3 Plus. Согласно карте изображений отдельных частиц на рисунке 3, почва состоит как из очень мелких, так и из крупных частиц. В общей сложности 120 597 проанализированных частиц имеют гранулометрический состав от 15,0 до 438,2 мкм. Средняя окружность частиц составляет 0,875, и только 10 % частиц имеют окружность меньше 0,805. Таким образом, лунный реголит в месте отбора проб CE-5 имеет правильную форму. Подобно тому, как множество различных рельефов на Земле делятся на разные категории, то же самое верно и для различных лунных рельефов. Bettersizer S3 Plus помогает ученым глубже изучить образцы грунта и пролить свет на историю и эволюцию Луны и самой Земли.

 

 

 

Рисунок 3. Изображения отдельных частиц, окружность и распределение частиц по размерам

 

 

2. Морские осадки

 

Образцы морских отложений были получены из Национального центра мониторинга морской среды с тремя различными распределениями по размерам. Bettersizer S3 выполнял измерения в лаборатории Bettersize. Как показано на рисунке 4, размеры частиц в трех образцах увеличиваются сверху вниз.

 

 

Рисунок 4. Образцы морских отложений

 

 

 

Таблица 1. Результаты анализа трех образцов с размером S3 по Беттерсайзеру

                                

ОбразецНазвание	D10(мкм)	D50(мкм)	D90(мкм)	D97(мкм)
ОбразецA	60	185	500	700
ОбразецB	160	292	997	1412
ОбразецC	224	762	1531	1785

 

 

Значения размера частиц приведены в таблице 1, из которой следует, что все три образца имеют широкий диапазон распределения. Образец A имеет наименьшее распределение частиц по размерам из всех трех образцов, где разброс между значениями D10 и D90 составляет более 400 мкм. По сравнению с образцом C, образцы A и B имеют более близкие значения размера частиц. Образец B содержит чрезвычайно крупные частицы, которые сильно влияют на распределение частиц по размерам, основанное на объеме. При анализе изображений на рисунке 5 представлены изображения отдельных частиц, и видно, что размер частиц образца A относительно однороден, в то время как в образце B присутствуют частицы больших размеров.

 

 

Рисунок 5. Анализ изображений образца A (вверху) и образца B (внизу)

 

 

Согласно графику образца B на рисунке 6, появилось не менее двух пиков, что указывает на различные группы частиц. Прибор Bettersizer серии S3 обладает высокой разрешающей способностью в определении различных групп частиц. При измерении использовался комбинированный тест, поскольку измерение изображения имеет высокую точность для грубого диапазона, а лазерная дифракция превосходит по точности тонкий и средний диапазоны.

 

 

Рисунок 6. Распределение частиц по размерам для трех образцов

 

 

3. Пустынный и стандартный песок ^[3]

 

Федеральный институт геонаук в Ганновере провел эксперимент по сравнению пустынного и стандартного песка, чтобы проанализировать, может ли пустынный песок заменить стандартный песок, используемый в строительной промышленности. При этом использовались все три режима измерений: лазерная дифракция, динамический анализ изображений и комбинированный метод лазерной дифракции и динамического анализа изображений. Из рисунка 7 видно, что динамический анализ изображений и комбинированный анализ показывают схожий график распределения частиц по размерам для стандартного образца песка.

 

 

Рисунок 7. Распределение частиц по размерам пустынного и стандартного песка

 

 

Стандартный образец песка содержит много крупных частиц, которые отсутствуют в образце пустынного песка. Как показано в таблице 2, пустынный песок имеет схожее со стандартным песком значение D10 - около 220 мкм. Однако значения D90 стандартного и пустынного песка составляют около 1800 мкм и 740 мкм соответственно.

 

 

Таблица 2. Типичные процентные значения гранулометрического состава

                                                        

Образец	D3	D6	D10	D16	D25	D50	D75	D84	D90	D99
Песчано-динамический анализ пустыни анализ изображений	145.9	185.5	223.1	263.1	316.8	433.6	575.9	656.9	740.8	1544
Стандартный песчано-динамическийанализ изображений	150.9	177.7	216.8	298.6	461.4	958.9	1476	1678	1828	2422
Стандартный песок - комбинация дифракции света и анализа изображений	150.3	177.8	217.4	295	457.5	943.9	1434	1631	1781	2341

 

 

Таблица 3. Типичные параметры формы отдельных частиц

 

 

 

Кроме различий в размерах, выявленных лазерной дифференциацией, существуют значительные различия в форме. Согласно анализу динамических изображений, приведенному в таблице 3, эквивалентный диаметр песка пустыни меньше, чем стандартного песка. Большая разница между ними заключается в значении L/D. Согласно рисунку 8, стандартный песок имеет среднее значение L/D, близкое к 1, но значение L/D пустынного песка колеблется при более высоких значениях, чем это.

 

 

Рисунок 8. Распределение значений L/D для пустынного и стандартного песка

 

 

Пустынный песок не может применяться в качестве строительного материала из-за отсутствия средних и крупных частиц. Но если в пустынный песок добавить средние и крупные частицы в правильной пропорции, пустынный песок можно использовать в качестве замены строительного материала.

 

 

Заключение

 

Наиболее сложной задачей при измерении почвы и осадочных пород является точное измерение широко распределенных образцов. Приборы серии Bettersizer S3 оснащены системой динамического анализа изображений и лазерной дифракционной системой, идеально подходящими для измерения образцов с широким распределением размеров, таких как почвы. Bettersizer S3 Series обеспечивает надежные результаты измерения размера и формы частиц в соответствии с требованиями заказчика.

 

 

Ссылки

 

[1] Madhan Mohan.M и Prabhu Prasadini. 2019. Руководство по практической физике почвы. Региональная сельскохозяйственная исследовательская станция, стр. 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, и M. Yang (2022), Размер, форма и состав лунных образцов, возвращенных миссией Chang'E-5, Sci. China- Phys. Mech. Astron. 65, 000000.

 

[3] Пригодность пустынных или рециркуляционных песков в качестве сырья для производства бетона. 3P Instrument. https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Nachrichten/Aktuelles/2019/2019-08-06_wuestensand.html

 

 

 

Об авторе

        

Сюронг Цю Инженер по применению @ Bettersize Instruments