Твердая фаза и поровое пространство почв Профильный курс

Твердая фаза и поровое пространство почв Профильный курс для студентов IV курса Итоговая аттестация – экзамен

Томография • Рентгеновская микротомография

Принцип ротационной томографии

Дерново-подзолистая, гор. A 1 El

Дерново-подзолистая, гор. C

AY 0 -4 см AEL 6 -11 см EL 17 -22 см BT 55 -60 см С 150 см Шлифы Агрегаты m. CT пор

Определение вещественного состава на примере гранита

Исследование структуры минеральных азотных удобрений NPS+S Абросимов Константин Николаевич, *Соколов Валерий Васильевич D 3 *Почвенный Институт им. В. В. Докучаева РАСХН, **НИУИФ модель распределения серы сера Сечение гранулы удобрения поры

ЛАБОРАТОРНАЯ МИКРОТОМОГРАФИЯ Микрофокусная рентгеновская трубка просвечивает объект, регистрация его теневых проекций выполняется рентгеновской камерой. В процессе сканирования объект вращается вокруг своей оси, за счет чего накапливается пакет из сотен виртуальных сечений. При помощи специализированного программного обеспечения можно построить любое сечение объекта или, объединив сечения вместе, получить объёмную компьютерную модель образца

Компьютерная микротомография Достоинства 1 – Не требует разрушения образца 2 – Проводит анализ образца в нативном состоянии Недостатки 1 – Имеет ограничения по размеру образца 2 – Имеет лимит разрешений 3 – Дает представление о пространственном строении объекта 3 – Существует сложность при разделении отдельных компонентов породы 4 – Позволяет изучать как пустотное пространство, так и матрицу образца 4 – Нуждается в ресурсоемких высокопроизводительных вычислениях 5 – Является изначально компьютерным численным методом 5 – В настоящее время не существует готовых универсальных алгоритмов

Вопросы Что такое (для характеристики пор): 1. Surface of closed pores 2. Connectivity? Connectivity density? 3. Volume of closed pores? 4. Connectivity 5. Connectivity density 6. Structure thickness 7. Structure linear density 8. Intersection surface

Lower vertical position Upper vertical position Pixel size Lower grey threshold Upper grey threshold Total VOI volume Abbreviation TV Unit mm mm um mm^3 Object volume Obj. V mm^3 Percent object volume Obj. V/TV % Total VOI surface TS mm^2 Object surface Obj. S mm^2 Intersection surface i. S mm^2

Object surface / volume ratio Obj. S/Obj. V 1/mm Object surface density Fragmentation index Centroid (x) Centroid (y) Centroid (z) Structure thickness Structure linear density Obj. S/TV Fr. I Crd. X Crd. Y Crd. Z St. Th St. Li. Dn 1/mm mm mm 1/mm Number of objects Obj. N Number of closed pores Po. N(cl) Volume of closed pores Po. V(cl) mm^3 Surface of closed pores Po. S(cl) mm^2 Closed porosity (percent) Po(cl) % Volume of open pore space Po. V(op) mm^3 Open porosity (percent) Po(op) % Total volume of pore space Po. V(tot) mm^3 Total porosity (percent) Euler number Po(tot) Eu. N % Connectivity density Conn. Dn 1/mm^3

Есть ли расхождения в капиллярной теории и в физике реальных почвенных капилляров Угол смачивания - φ

О сходимости результатов распределения пор по размерам и томографии ОГХ томограф

О сходимости результатов распределения пор по размерам и томографии ОГХ томограф

Конец первой серии

Новая тема: Гранулометрически й состав почв Гранулометрический состав почв

Гранулометрический состав почв 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ЭПЧ. Определение Классификация фракций ЭПЧ Состав фракций ЭПЧ Гранулометрический состав почв Классификация почв по гранулометрии Методы гранулометрического анализа Использование данных по гранулометрии

Схема строения порового пространства почв, агрегатов и микроагрегатов

Определение ЭПЧ • Элементарные почвенные частицы – обломки горных пород и минералов, а также аморфные соединения, все элементы которых находятся в химической взаимосвязи и не поддаются разрушению общепринятыми методами пептизации.

Фракции гранулометрических частиц

Гранулометрические фракции (по А. Аттербергу)

Итак, 3 основные фракции (в большинстве зарубежных классификаций) • Песок (sand) - >0. 05 мм • Пыль (silt) – 0. 05 -0. 002 мм • Глина (clay) - <0. 002 мм

Гранулометрические фракции (по Н. А. Качинскому)

Состав и свойства фракций

Определение Интегральная (кумулятивная) кривая гранулометрического состава – кривая распределения содержания частиц, диаметром меньше заданного, отложенного по оси абсцисс. При построении интегральной кривой по оси ординат откладывают процентное содержание частиц <0. 001, <0. 005, <0. 01, <0, 05, <0. 25, <1 мм. Имеет вид возрастающей кривой от значений процентного содержания ила (<0. 001 мм) до величин, близких к 100%. Дифференциальная кривая – кривая распределения содержания различных фракций гранулометрических частиц. Представляется в виде диаграммы содержания фракций различного размера, либо в виде плавной кривой, как правило, с одним или двумя максимумами

Дифференциальные и интегральные кривые гранулометрического состава почв

Совместно, дифференциальная (a) и интегральная (b) кривые в двух осях

Пункт 4 темы: Гр • Гранулометрический (механическим – уст. , почвенной текстурой) состав почв

Определение Под гранулометрическим (механическим – уст. , почвенной текстурой) составом почв и почвообразующих пород понимают относительное содержание в почве элементарных почвенных частиц различного диаметра, независимо от их минералогического и химического составов. Гранулометрический состав выражается в виде массовых процентов фракций гранулометрических частиц различного размера

Треугольник Ферре для классификации почв по гранулометрии Глина – 23% Пыль - 46% Песок - 31%

Классификация почв по гранулометрии (по Н. А. Качинскому) Содержание физ. глины Подзол. тип Степного почвообр. Название почвы Солонцы и солончаки 0 -5 0 -5 П. рыхлый 5 -10 10 -20 20 -30 30 -40 40 -50 50 -65 65 -80 >80 5 -10 10 -20 20 -30 30 -45 45 -60 60 -75 75 -85 >85 5 -10 10 -15 15 -20 20 -30 30 -40 40 -50 50 -65 >65 П. связанный Супесь Сугл. Легкий Сугл. средний Сугл. тяжелый Глина легкая Гл. средняя Гл. тяжелая

Почему же в классификацию почв по гранулометрии внесен тип почвообразования?

Переход от российской к международным классификациям • Осуществить графическую интерполяцию кумулятивной кривой гранулометрического состава; • Определить содержание фракций по зарубежной классификации , т. е. <0. 002 (глина), 0. 002 -0. 05 (пыль) и 0. 05 -2 мм (песок). • Зная содержание глины, пыли и песка, по треугольнику найти соответствующие название почвы по гранулометрии.

Надо запомнить (это важно!): • Российская классификация – двучленная (физические глина <0. 01 мм и песок >0. 01 мм) и учитывает тип почвообразования, а зарубежные – трехчленные (глина <0. 002 мм, пыль 0. 002 -0. 05 и песок 0. 05 -2 мм) и не учитывают тип почвообразования.

5. Методы гранулометрического анализа

Процедура гранулометрического анализа почв включает 2 стадии: • Стадия физико-химической обработки образца (предварительная стадия диспергации) • Определение содержания гранулометрических фракций (собственно, гранулометрический анализ)

Гранулометрический анализ почв • Химическая обработка: ▫ Н 2 О 2 ; ▫ Щелочь+кислота ▫ Пирофосфат Nа • Физическая обработка ▫ Ультразвуковая обработка ▫ Механическое растирание

Гранулометрический анализ почв Диспергация образца • Химическая обработка: ▫ Н 2 О 2 ; ▫ Пирофосфат Nа. • Физическая обработка ▫ Ультразвуковая обработка ▫ Механическое растирание Цель – разрушить микроагрегаты до элементарных частиц

Джордж Габриель Стокс (1819 -1903) • английский физик, член Лондонского королевского общества. Окончив в 1841 Кембриджский университет, С. начал преподавать там же и в 1849 возглавил «люкасовскую» кафедру, которую в своё время занимал И. Ньютон. Член парламента от университета (1887— 92). В 1889 получил за научные труды титул баронета. • Многие исследования С. связаны с изучением волновых процессов в различных средах. В 1842— 51 изучал стационарное движение несжимаемой жидкости с учётом трения и движение твёрдого шара в вязкой жидкости; эти работы С. имеют фундаментальное значение. . . • Коэффициент кинематической вязкости. : отношение динамической вязкости жидкости или газа к их плотности. Коэффициент кинематической вязкости, наоборот, значительно больше для воздуха, чем для воды, что объясняется существенным различием в их плотности • Физический смысл динамического коэффициента вязкости заключается в том, что он численно равен касательному напряжению, возникающему между слоями жидкости, движущимися друг относительно друга со скоростью, равной единице, при расстоянии между этими слоями, равном единице длины. Размерность динамического коэффициента вязкости h в системе СИ есть Па×с: 1 Па×с = 1 кг/(м с)

Вывод уравнения Стокса

Уравнение Стокса

Анализ формулы Стокса

Ограничения закона Стокса • • • Частицы осаждаются независимо друг от друга. Это условие накладывает особенность на концентрацию суспензии – она не должна быть более 1. 5 -2%. Частицы должны быть сферической формы. Поэтому в этом анализе определяем не реальный размер частиц, а так называемый «эффективный радиус» . Плотность твердой фазы всех частиц одинакова и равна средневзвешенной. Закон Стокса применим для определенного диапазона диаметров частиц: >0. 0001 мм и<0. 25 мм. Используется понятие «динамического трения» это трение внутри жидкой фазы, а не на границе твердая частица-жидкость. Поэтому используется вязкость раствора пирофосфата с поправкой на температуру, при которой происходило определение.

Пипет-метод гранулометрического анализа почв

Другие седиментометрические методы • Метод ареометра (ГОСТ для строительных материалов) • Метод седиграфа (дает плавную кривую)

Метод ареометра

• Рассмотрим следующие компоненты суспензии: • Мs- масса осажденных частиц почвы; ρw – плотность воды, ρs –плотноcть твердой фазы, Мw - масса воды, V - объем суспензии ( обычно 1 л) • Тогда плотность суспензии, ρс, составит:

Метод ареометра Нам надо найти массу твердой фазы почвы для соответствующего диаметра (например, <0. 05 мм) Ну, а далее формула Стокса. Рассчитываем время и диаметр частиц. По этой формуле рассчитываем массу частиц соответствующего диаметра. Нам надо найти массу твердой фазы почвы для соответствующего диаметра

Откуда выражаем Ms

Пример • Например, если плотность твердой фазы почвы ( ) равна 2. 6, плотность воды =1 г/см 3, то конечная формула для расчета (округленно): Таким образом, измеряя плотность суспензии, мы можем по указанной формуле рассчитать массу частиц в суспензии на определенной глубине в определенный момент времени. Далее, используя формулу Стокса и задав определенный размер частиц (например, >0. 05 мм), рассчитать время взятия отсчета по ареометру, определить в это время плотность суспензии и рассчитать массу частиц (см предыдущую формулу), соответствующую эту размеру. Можно задать следующий размер частиц (например, 0. 01 мм) и опять посчитать, какую массу составят

• Мs- масса осажденных частиц почвы; ρв – плотность воды, ρs –плотноть твердой фазы, Мв- масса воды, V - объем суспензии ( обычно 1 л) • Тогда плотность суспензии, ρс, составит: • • ; заметим, что - это масса воды (Мв). Тогда масса суспензии ( ) составит: ; или Это и является конечной формулой для расчета. Например, если плотность твердой фазы почвы ( ) равна 2. 6, плотность воды =1 г/см 3, то конечная формула для расчета:

Метод лазерной дифрактометрии па да ющ ий св ет свет женный Отра

• Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения[8]. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией» ). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу[9][10].

Дифференциальная и интегральные кривые гранулометрического состава, получаемые на Вопросы: лазерном дифрактометре 1. Откуда максимумы на дифференциальной кривой? 2. С чем связана «узость» пика?

Диспергация образца. Ферральсоль (А 11, Сорг 9, 11%) «Analysette 22 Comfort » 29 29 2, 7 1, 5 0, 42 мкм Диспергация Содержание фракций (%), диаметром (мкм) 250 - 50 Н 2 О УЗ - FRITCH Na 4 P 2 O 7 УЗ - BRANSON Н 2 О УЗ - BRANSON 50 - 10 10 - 5 5 -1 >1 10. 97 1. 17 57. 67 44. 87 10. 14 17. 15 18. 15 32. 45 3. 07 4. 36 0. 8 16. 13 17. 07 44. 3 21. 67 0 5. 75 13. 73 56. 18 24. 34 Суглинок средний Глина легкая Глина средняя Глина тяжелая

Гранулометрический состав гумусово-аккумулятивных горизонтов почв Глина тяжелая Глина средняя Глина легкая Тяжелый суглинок седиментация дифракция