Исследование микростроения мерзлых почв и дисперсных пород с помощью рентгеновской компьютерной томографии: методы, подходы, перспективы | Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Исследование микростроения мерзлых почв и дисперсных пород с помощью рентгеновской компьютерной томографии: методы, подходы, перспективы

К. А. Романенко1, В.В.Рогов2,3, А. В. Юдина1,2, К. Н. Абросимов2, Е. Б. Скворцова1, А. Н. Курчатова3

1Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 119017, Россия, Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2
2МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы 
3Институт криосферы Земли СО РАН, 625000, Россия, Тюмень, ул. Малыгина, 86

Процессы неоднократного (циклического) промерзания–оттаивания вносят значительные изменения в строение почв и грунтов. Метод рентгеновской томографии позволяет исследовать ненарушенные образцы пород и почв в мерзлом состоянии. Благодаря различию в рентгеновской плотности предметами анализа в образцах помимо твердой фазы могут быть ледяные включения и поровое пространство. Это существенно расширяет возможности изучения криогенных деформаций пород и почв. В работе представлены результаты изучения динамики структуры почвы и ее порового пространства при многократном промерзании и оттаивании на примере почвенного материала различного генезиса в модельном эксперименте с помощью метода компьютерной рентгеновской микротомографии. Выработана и испытана методика исследования динамики структуры и порового пространства, проведен анализ строения почвы после различного количества циклов промерзания–оттаивания. На примере смеси каолина с песком экспериментально подтверждено, что с увеличением количества циклов промерзанияоттаивания в образце происходит кольцевидная сортировка песчаных частиц и их перемещение на контакты с ледяными шлирами. Установлено, что материал почв разного генезиса по-разному реагирует на многократное промерзание–оттаивание. В порядке убывания криогенных изменений в структуре объектов можно составить следующий ряд: текстурный горизонт дерново-подзолистой почвы > гумусовый горизонт чернозема типичного > cолонцовый горизонт солонца.

Ключевые слова: сезонная мерзлота, микроморфология, минеральный скелет, лед, поры, агрегаты.

DOI10.19047/0136-1694-2016-83-103-117


FROZEN SOILS AND SEDIMENTS MICROSTRUCTURE X-RAY TOMOGRAPHY STUDY: METHODS, APPROACHES, PERSPECTIVES

K. Romanenko1, V. Rogov2,3, A. Yudina1,2, K. Abrosimov1, E. B. Skvortsova1, A. Kurchatova3

1V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, Russia, 119017, Moscow, Pyzhevskii 7, bld. 2
2Lomonosov Moscow State University, Russia, 119991, Moscow, Leninskiye Gory, 1
3Earth cryosphere institute, Russia, 625000, Tyumen, Malygin86

Processes of cyclic freezing and thawing make considerable contribution to configuration of soils and rocks. X-ray tomography method allows us to research undisturbed soil samples in frozen condition. Because of difference in x-ray attenuation coefficient we can separately study mineral matrix, ice inclusions and pore space. This fact essentially increases opportunities for investigations of soil and rock cryogen deformations. In this paper we present the results of model experiment with bulk soil samples of different genesis investigated by a method of X-ray tomography. This experiment revealed the specificities of the soil structure and its pore space dynamics in conditions of freezing and thawing cycle. We developed a research scheme for structure and pore space dynamics, and studied the soil structure and pore space dynamics after different number of cycles of freezing and thawing. Example of kaolin and sand mixture shows the ring-shaped sorting of sand particles and their movement to ice schlieren surface. We postulated that the matter of soil of different genesis has different reaction on freezing and thawing impact. The rank from major to minor cryogenic changes in soil material: Albiluvisol – Chernozem – Solonetz.

Keywords: season congelation, frozen soil, micromorphology, microstructure, mineral matrix, ice, pore, aggregates, x-ray microtomography.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.           Губин С.В. Динамика структурообразования в тундровых криогенных неглеевых почвах (Тундровые криоземы) // Почвоведение. 1993. № 10. С. 62–70.

2.   Губин С.В., Лупачев А.В. Подходы к выделению и изучению погребенных почв в мерзлых толщах отложений ледового комплекса // Криосфера Земли. 2012. Т. XVI. № 2. С. 79–84.

3.   Давлетшина Д.А., Чувилин Е.М., Якимчук И.В., Надеев А.Н. Применение рентгеновской микротомографии для исследования микроморфологии мерзлых пород // Тр. III Всерос. конф. “Практическая микротомография”. СПб., 2014. С. 45–49.

4.   Жангуров Е.В., Лебедева (Верба) М.П., Забоева И.В. Микростроение генетических горизонтов автоморфных таежных почв Тимана // Почвоведение. 2011. № 3. С. 288–299.

5.   Жесткова Т.Н., Заболотская М.И., Рогов В.В. Криогенное строение мерзлых пород. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. 137 с.

6.   Качинский Н.А. Замерзание, размерзание и влажность почвы в зимний сезон в лесу и на полевых участках. М., 1927. 168 с.

7.   Конищев В.Н., Фаустова М.А. Микростроение покровных лессовидных образований Большеземельской тундры // Геология кайнозоя севера европейской части СССР. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1966. С. 167–177.

8.   Конищев В.Н., Рогов В.В. Микроморфология криогенных почв и грунтов // Почвоведение. 1977. № 2. С. 119–125.

9.   Коннова О.С. Некоторые результаты исследования строения мерзлых пород // Мат-лы по лаборат. исслед. мерзлых пород. 1957. Вып. 3. С. 195–226.

10. Кошелева И.Т. Микроморфология тундровых почвогрунтов как возможный индикатор их генезиса // Изв. АН СССР. Сер. Географическая. 1958. № 3. С. 25–30.

11. Мазуров Г.П., Тихонова Е.С. Преобразование состава и свойств грунтов при много кратном замораживании // Вестник Ленингр. ун-та, Сер. Геол. и геогр. 1964. № 18. Вып. 3. С. 35–44.

12. Микростроение мерзлых пород / Под ред. Ершова Э.Д. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. 183 с.

13. Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д., Поздняков А.И., Тюгай З.Н., Початкова Т.Н., Черноморченко Н.И., Манучаров А.С. Практикум по физике твердой фазы почв. М.: Гриф и К, 2011. 64 с.

14. Парфенова Е.И., Ярилова Е.А. Руководство к микроморфологическим исследованиям в почвоведении. М.: Наука, 1977. 198 с.

15. Пастухов А.В. Микроморфологическое строение мерзлотных и длительно сезонно-промерзающих суглинистых почв Европейского северо-востока // Изв. Коми НЦ УРО РАН. 2012. № 4(12). С. 30–37.

16. Рогов В.В. Основы криогенеза. Новосибирск: ГЕО, 2009. 203 с.

17. Роде А.А. Дисперсность твердой массы почвы, химический и минералогический состав ее и отдельных ее компонентов // Почвоведение. 1938. № 2. С. 181–230.

18. Соколов Л.А., Шоба С.А. Влияние промерзания и оттаивания на свойства почв в зонах рекреационных нагрузок // Науч. докл. Высшей школы. Биологические науки. 1982. № 7. С. 104–110.

19. Турсина Т.В. Микроморфологическая диагностика криогенных признаков в почвах // Тез. докл. IV Всес. конф. Сыктывкар, 1985. С. 32–33.

20. Шумский П.АОсновы структурного ледоведения. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 491 с.

21. Taina I.A., Heck R.J., Elliot T.R. Application of X-ray computed tomography to soil science: a literature review // Canadian J. Soil Sci. 2008. V. 88. P. 1–19.

22. Taina I.A., Heck R.J., Deen W., Ma Eddie Y.T. Quantification of freeze – thaw related structure in cultivated topsoils using X-ray computer tomography // Canadian J. Soil Sci. 2013. V. 93(4). P. 533–553. doi: 0.4141/cjss2012-044

23. Torrance J.K., Elliot T., Martin R., Heck R.J. X-ray computed tomography of frozen soil // Cold Reg. Sci. Tech. 2008. V. 53(1). P. 75–82.