WELL AS FOR ANALYSE OF SOIL SKELETON
Bebej, J.*, Janega, A.**, Pichler, V.*, Gomoryová, E.*, Gregor., J.*
* Technická univerzita vo Zvolene, Lesnícka fakulta, KPP, T.G. Masaryka č. 24, 960 53 Zvolen
** Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, regionálne centrum Banská Bystrica, Kynceľovská 10, 974 01 Banská Bystrica
Abstrakt
Príspevok sa venuje súčasnému stavu v oblasti zberu pôdnych vzoriek a ich úpravy (vrátane iných nespevnených sedimentov) s cieľom prípravy pôdnych vzoriek na mikromorfologické štúdiá. Tradičné postupy odberu pôdnych vzoriek do tzv. Kubienových plechoviek sa ukazujú byť ako nevhodné pre zber pôdnych vzoriek v neporušenom stave z pôd s vysokým obsahom pôdneho skeletu. V príspevku sa venuje pozornosť rôznym metodologickým postupom prípravy vzoriek na mikromorfologické štúdiá s dôrazom na skúsenosti a odporúčania získané v tejto oblasti autorským kolektívom.
Kľúčové slová: odber pôdnych vzoriek v neporušenom stave, impregnácia pôdnych vzoriek, mikromorfologické štúdia pôdnych vzoriek
Abstract
The article discusses the state-of-the-art procedures in the field of soil samples collection and the preparation of soil samples and other unconsolidated sediments with the objective of accomplishing micromorphologic studies. The traditional one´s Kubiena tins seems to be unsuitable for collection of undisturbed soil samples containing high soil skeleton volume and hence new method was tested. The diverse methodology of preparation of soil samples for micromorphologic studies samples is discussed and the both the experiences and the recommendation of author´s collective in this field are presented.
Key words: undisturbed soil samples collection, soil samples impregnation, micromorphologic study
Úvod
Najvýznamnejšou vedeckou metódou využívanou prakticky vo všetkých vedných odvetviach prírodných vied od minulosti do súčasnosti je metóda optickej mikroskopie. Toto konštatovanie špeciálne platí pre oblasť mikromorfológie, ktorú možno definovať ako vednú disciplínu pedológie, ktorá sa zameriava na popis, interpretáciu a merania
veľkostí a vzťahov medzi pôdnymi časticami a ich okolím v pôdach ma mikroskopickej úrovni. Optická mikroskopia je jednou z mála metód, ktoré umožňujú študovať pôdu a jej komponenty „in-situ“, za predpokladu, že sa podarí odobrať a spracovať pôdne vzorky pre mikroskopické štúdium v neporušenom stave. Mikromorfologickým štúdiom takto získaných pôdnych vzoriek je možné získať presný 2D záznam 3D pedónu.
Metódy prípravy pôdnych a geologických vzoriek na mikromorfologické štúdia sa priebežne vyvíjajú už niečo cez 100 rokov. Zásadné zmeny v týchto postupoch však nastali až počas posledných desaťročí – v dôsledku vyvinutia nových zariadení, nástrojov a predovšetkým impregnačných médií s ultranízkou viskozitou. Vďaka týmto skutočnostiam možno v súčasnosti pripraviť veľmi kvalitné pôdne výbrusy prakticky zo všetkých pôdnych typov vhodné na podrobné mikromorfologické štúdium.
Materiál a metódy
Aj keď v súčasnosti sa v oblasti pedológie stále viac a viac dáva do popredia štúdium mikromorfologických vlastností pôd pomocou nástrojov analýzy obrazu (viď napr. Mooney, Morris & Berry, 2006., Lebron, Suarez & Schaap, 2002) určených napr. na štúdium fyzikálnych vlastností pôd, hlavne pórovitosti pôd a pôdneho skeletu (napr. Dultz, 2006., Holland, White & Edis, 2007). Drees (1997) upozornil na skutočnosť, že kritické časti prípravy pôdnych výbrusov pre mikromorfologické štúdiá – hlavne vzorkovanie, sušenie a impregnácia vzoriek – sú veľmi citlivé na uplatňovanie správnych laboratórnych postupov a z tohto pohľadu je potrebné upozorniť aj na zásadné zmeny týchto postupov popísaných v dnes už klasických prácach Murphy-ho (1986), či Fitzpatricka (1984).
Základnými krokmi prípravy pôdnych výbrusov sú: • Odber vzoriek
• Sušenie vzoriek • Proces impregnácie
• Proces spracovania pôdnych impregnátov na pôdne výbrusy Odber vzoriek
Veľká časť odborníkov v oblasti pedológie využíva na odber pôdnych vzoriek v neporušenom stave plechovky podľa Kubienu (obr. 1), komerčne dostupnými na trhu, resp. ktoré možno vyrobiť individuálne pomocou metodických postupov dostupných na internete (napr. http://www.afess.co.uk/kubienatins.php). Z pohľadu korektného odberu pôdnych vzoriek v neporušenom stave plechovky podľa Kubiena nie sú nevyhnutnou podmienkou na odber pôdnych vzoriek v neporušenom stave – zásadnou požiadavkou je len potreba zabezpečiť dokonalú manipuláciu s odobratou vzorkou pôdy v neporušenom stave. Na KPP LF Technickej univerzity vo Zvolene sa na tento účel využíva štandardná plechovka 0,5 l , ktorá drobnej úprave (zrezaní falcovaného okraja otvorenej časti konzervy) sa vloží do aplikátora vyrobeného z nerezovej ocele vybaveného držiakom (obr. 1). Vsunutím konzervy do aplikátora sa dosiahne to, že jemné plechové steny konzervy sú po obvode chránené masívnym nerezovým plášťom pred ich prípadným porušením. Navyše, vrchná časť aplikátora s reznou časťou taktiež z nerezovej ocele je skonštruovaná tak, že pri odbere vzoriek vrchná časť plechovky zapadá do puzdra zadnej časti aplikátora analogicky ako náboj
do nábojovej komory. Takýmto spôsobom možno prakticky 100% zabrániť možnej deformácii vrchnej časti plechovky pri samotnom odbere vzorky čo samo o sebe predstavuje veľký progres oproti plechovkám podľa Kubiena. V momente, keď je aplikátor spolu s plechovkou naplnený vzorkou pôdy, odkrúti sa bajonetový závit v zadnej časti aplikátora držiaci spodnú časť plechovky, pohybom dozadu sa vytlačí plechovka s odobratou vzorkou pôdy a nožom sa oreže zvyšná časť pôdy nad povrchom konzervy.
Takýmto spôsobom možno odobrať veľkoobjemové vzorky pôd s presne známym objemom – čo je základným predpokladom pre metódy štúdia vzťahov medzi pôdnym skeletom a jemnozemou založených na analýze objemových a váhových pomerov týchto komponentov pôd (viď napr. Corti et al., 1998).
Vyššie uvedeným postupom sa teda zabezpečí odber vzoriek pôdy v neporušenom stave, ktoré sú pripravené na ďalšie kroky úpravy.
Obr. 1 Zariadenia slúžiace na odber pôdnych vzoriek v neporušenom stave
Plechovka na odber pôdnych vzoriek Celkový pohľad na jednotlivé časti aplikátora slúžiaceho v neporušenom stave podľa Kubiena na odber pôdnych vzoriek v neporušenom stave
Pohľad na zložený aplikátor pripravený na odber pôdnych vzoriek v neporušenom stave
Sušenie vzoriek
Je to jeden zo základných krokov úpravy vzoriek pred samotným procesom impregnácie organickými živicami. Cieľom tohto kroku je odstrániť zo vzoriek pôdnych materiálov vodu, ktorá zabraňuje hydrofóbnej živici vyplniť efektívne všetky pórové priestory.
Proces sušenia vzorky sa môže uskutočňovať na voľnom vzduchu, v sušiarňach (v žiadnom prípade by teplota nemala prevýšiť 50oC), alebo prostredníctvom vytláčania vody acetónom či inou organickou kvapalinou s ktorou je živica vzájomne miešateľná. Proces výmeny voda/acetón sa môže realizovať pomocou kvapalnej, resp. plynnej fázy acetónu, avšak v súčasnosti je preferovaný proces substitúcie vody plynnou fázou. Takýmto spôsobom sa efektívne zabráni rozpúšťaniu organického materiálu prítomného v pôdnej vzorke, ako aj nadmernému narúšaniu štruktúry/textúry vzoriek. Prvý krokom procesu vytláčania vody v pôdnej vzorke plynnou fázou acetónu pozostáva z odstránenia spodnej časti odbernej nádoby plechovky prípravkom na otváranie konzerv. Takto obojstranne otvorená plechovka sa položí na perforovanú mriežku, ktorá zaistí nerušený kontakt plynnej fázy acetónu s pôdnou vzorkou . Takto upravená plechovka s pôdnou vzorkou a perforovanou mriežkou sa položí nad acetónový kúpeľ v exsikátore, do ktorého sa vloží nádobka s bezvodým chloridom vápenatým, ktorý napomôže vysušovaniu vzorky prostredníctvom viazania vodných pár.
Proces vytesňovania pórovej vody acetónom je procesom, ktorý prebieha počas niekoľkých dní. Pri tomto procese sa odporúča vymieňať acetónovú kúpeľ najmenej jeden krát za tri dni.
Počas niekoľkých dní väčšina vody viazanej v pôdnej vzorke bude vytlačená acetónom.
Pri vytesňovaní pórovej vody acetónom je potrebné monitorovať obsah vody odstránenej z pôdnej vzorky až do doby, pokým nebude voda v plnej miere nahradená acetónom. V závislosti od zvolených metódy vytláčania vody acetónom sa v súčasnosti odporúčajú dva postupy takéhoto monitoringu:
• V prípade vytláčania vody acetónovými parami najjednoduchšou a prakticky aj najdostupnejšou metódou je hustomerná metóda vyvinutá laboratóriami Univerzity v Stiringe (Škótsko).
• V prípade vytláčania vody z pôdnej vzorky v acetónovom kúpeli podľa Schwartza et al. (1990) indikátorom ukončenia procesu vytesňovania pórovej vody acetónom sa stáva sfarbenie acetónového rezídua za pomoci síranu meďnatého – v prípade aj malej prítomnosti vody v takomto rezíduu dochádza k jeho sfarbeniu do tmavomodrej farby.
V samotnej pedológii je v súčasnosti preferovaná metóda vytesňovania pórovej vody parami acetónu (viď napr. Drees, 1997; Fitzpatrick et al., 2006). Experimentálne testy na Univerzite v Stirlingu poukázali na fakt, že počas celého procesu vytláčania pórovej vody acetónom je potrebné vymeniť acetónovú kúpeľ cca 6 x/proces. Pri tomto procese sa odporúča vymeniť cca 100cm3 acetónu v exsikátore, v ktorom sa monitoruje teplota a merná hmotnosť roztoku sa meria hustomerom s rozsahom 0,790 – 0,800 g.cm-3.
V momente, kedy na základe meraní sa zistí obsah vody v acetóne < 0,5 hm %, pôdne vzorky sú pripravené na impregnáciu organickými živicami.
Tab. 1 Vzťah medzi hm. % vody v acetóne a mernou hmotnosťou zmesi acetón/voda pri rôznych laboratórnych teplotách
% hm. vody v acetóne
Merná hmotnosť pri 180C
Merná hmotnosť pri 200C Merná hmotnosť pri 220C 0,00 0,793 0,791 0,790 1,26 0,796 0,795 0,793 2,52 0,800 0,798 0,796 3,76 0,803 0,802 0,800 5,01 0,807 0,806 0,803 6,24 0,810 0,809 0,806 7,46 0,814 0,813 0,810 8,68 0,818 0,817 0,8135 9,90 0,8215 0,820 0,817 11,11 0,8255 0,824 0,820 12,32 0,828 0,827 0,823
Obr. 2 Technologické zariadenia určené na prípravu pôdnych vzoriek pre mikromorfologické štúdium pôd
Vyhrievacia komora na ohrev organickej živice určenej na impregnáciu pôdnych vzoriek
Detailný pohľad na vákuovú komoru, v ktorej prebieha vákuová impregnácia pôdnych vzoriek
Pohľad na tlakovú komoru, v ktorej prebieha polymerizácia sfarbených organických živíc
Riadiaca jednotka systému regulujúca teplotu vo vyhrievacej komore, vákuovej komore a tlakovej komore
Píla na rezanie impregnátov pôdnych vzoriek v prostredí olejového chladenia
Pohľad na kompletnú technologickú linku pre prípravu pôdnych výbrusov – vrátane tlakového kompresora a vákuovej pumpy
Impregnácia
Štandardný proces impregnácie pôdnych vzoriek organickými živicami je relatívne jednoduchý – vzorka s pórovou vodou vytesnenou acetónovými parami - sa zohreje na teplotu cca 50o C, vloží sa do vákuovej komory (obr. 2), do ktorej sa cez hadičky privedie predpripravená sfarbená organická živica ohriata vo vyhrievacej komore na teplotu, pri ktorej táto dosahuje optimálnu viskozitu (podľa údajov výrobcu tejto živice – obr. 3)).
Obr. 3: Priebeh viskozity s teplotou u organickej dvojzložkovej živice Araldit využívanej pre prípravu pôdnych výbrusov na KPP LF vo Zvolene
Niektorí autori (napr. Schwartz et al., 1990) navrhli modifikáciu tohto štandardného postupu. Na základe vlastných zistení navrhli proces impregnácie rozdeliť do viacerých krokov. Prvým krokom impregnácie vzoriek by malo byť napúšťanie vzoriek živicou na voľnom vzduch, t.j. bez vákua. Dĺžka tohto kroku je približne 4 dni, pričom v tomto období je potrebné proces doplnenia živice zopakovať niekoľko krát. Počas tohto kroku živica penetrujúca z povrchu vzorky do vnútra vytesňuje acetónové rezíduum, ktoré sa hromadí v spodnej časti vzorky. Až po cca 4 dňoch odporúčajú
spomínaní autori uskutočniť krok vákuovej impregnácie, ktorý by mal trvať maximálne počas 1 dňa. Posledným krokom impregnácie je zrušenia vákua, po ktorom nastane ďalšia, niekoľkohodinová etapa nasakovania impregnátu do vzorky. Až tomto kroku dôjde po tomto odporúčajú Schwartz et al. (1990) umiestneniu takto upravenej vzorky do sušiarne, kde sa dovŕši proces polymerizácie.
V súvislosti s impregnáciou pôdnych vzoriek organickými živicami je však potrebné upozorniť na niekoľko kľúčových aspektov. Prvým z nich je výber organickej živice. Polyesterové živice (napr. produkt Uvitex OB výrobcu CIBA-GEIGY) vyžadujú opatrnú manipuláciu s množstvom vytvrdzovacieho média – nakoľko jeho veľký obsah môže spôsobiť exotermickú reakciu vyvolávajúcu zmeny v štruktúre pôdnej vzorky. Výhodou živice tohto druhu je však skutočnosť, že ich viskozita môže byť riadená pridávaním acetónu, s ktorým je dobre miešateľná.
Epoxidové živice (medzi ktoré patrí napr. Araldit výrobcu CIBA-GEIGY) prinášajú so sebou viaceré výhody. Hlavnou z týchto výhod je stabilita takto pripravených pôdnych výbrusov pri aplikácii elektrónového lúča (napr. pri elektrónovej mikroskopii). Zásadnou nevýhodou epoxidových živíc je však ich nemiešateľnosť s acetónom, čo priamo podľa Dreesa (1997) bráni ich využitiu pri príprave pôdnych vzoriek upravených acetónovou procedúrou. Spomínaný limit aplikácie Aralditu možno podľa názoru autorov tohto príspevku v značnej miere limitovať tým, že vzorky upravené nad parami acetónu sa neimpregnujú aralditom okamžite, ale že na dobu niekoľko hodín až dní sa ohrievajú vo vákuovej komore tak, aby z nich vyprchalo maximálne množstvo acetónu.
Carbowax 8000 ako ďalšie hojne využívané impregnačné médium prináša so sebou viaceré negatívne limity – hlavne z pohľadu možného využitia takto pripravených vzoriek na optickú mikroskopiu a analýzu špeciálnymi RTG metódami výskumu. S prípravou pôdnych výbrusov súvisí aj otázka o možnej aplikácii vysokotlakovej metódy impregnácie pri príprave impregnátov. Dnes už klasický postup takejto metódy popísal Sinkankas (1968). Postup navrhnutý týmto autorom sa s modifikáciami používa dodnes hlavne v oblasti geologických disciplín – rozdielny zostáva hlavne spôsob vyvolania tlakového šoku. Skúsenosti autorov tohto príspevku hovoria jednoznačne v prospech aplikácie vysokého tlaku pri príprave vzoriek – v tlakovej komore, s regulovanou teplotou, v ktorej po etape vákuovej impregnácie prebieha polymerizácia živíc pri teplote cca 40oC pri tlaku cca 30 atm.
Proces prípravy pôdnych výbrusov
Záverečným krokom je príprava pôdnych výbrusov. V tejto oblasti existuje prakticky len jeden základný limit, ktorý sa musí dodržiavať počas celého technologického postupu. Týmto limitom je vyvarovať sa aplikácii vody vo všetkých technologických krokoch počnúc rezaním vzoriek na diamantových pílach (obr. 2), končiac brúsením a leštením preparátov.
Záver
Cieľom tohto príspevku bolo zdokumentovať súčasnú situáciu v oblasti odberu a spracovania pôdnych vzoriek na štúdium mikromorfológie pôd. Autorský kolektív vyvinul a úspešne otestoval nový spôsob odberu pôdnych vzoriek v neporušenom stave pomocou špeciálneho aplikátora a štandardných 0,5 l. plechoviek bežne dostupných na trhu. Pri príprave pôdnych výbrusov sa využívalo laboratórne vybavenie ŠGSDŠ,
pracovisko Banská Bystrica. Prvé pokusy s prípravou pôdnych výbrusov sú veľmi nádejné, v súčasnosti prebieha intenzívne testovanie vplyvu acetónovej úpravy pôdnych vzoriek na kvalitu pôdnych výbrusov – hlavne z pohľadu vplyvu acetónu na proces polymerizácie pôdnych vzoriek epoxidovou živicou Araldit.
Poďakovanie
Táto práca bola vypracovaná v rámci riešenia grantových úloh projektu APVV-0468-06 a VEGA 1/0703/08.
Literatúra
Annonymous: Thin section and micromorphology at the University of Stirling, Scotland. http://www.thin.stir.ac.uk/
CORTI, G., UGOLINI, F.C. & AGNELLI, A., 1998: Classing the soil skeleton (Greater than two millimeters): Proposed approach and procedure. Soil Science Society of America Journal, 62, 6, 1620-1629.
DREES,R.,1997: Practical applications of soil micromorphology sampling and sample preparation. Summary of Presentation by Richard Drees Soil Science Society of America, Soil Micromorphology Workshop October 31, 1997
DULTZ, S.; 2006: Determination of porosity and poreconnectivity in felsdspars from soils of granite and saprolite. Technical articles, Soil Science. 171(9): 675-694.
FITZPATRICK, E.A.., 1984: Micromorphology of Soils. Chapman and Hall Ltd.
Fitzpatrick, E., A. & Gudmundsson, T.; 2006: The impregnation of wet peat for the production of thin sections. European Journal of Soil Sciences, 29, (4), 585-587. HOLLAND,J.E.;WHITE,R.,W.& EDIS,R.,B.;2007: Image analysis evaluation of soil
structure under raised bed and conventional cultivation in southwest Victoria. Educ. Mater. Of Univ. Melbourne http://amorphous.agfor.unimelb.edu.au/soils/staff.shtml LEBRON,I.;SUAREZ,D.;SCHAAP,M.G.;2002: Soil pore size and geometry as a result of aggregate-size distribution and chemical composition. Soil Science. 167(3): 165- 172.
MOONEY, S.; MORRIS, C.; BERRY, P., 2006: Visualization and quantification of the effects of cereal root lodging on three-dimensional soil macrostructure using X-ray computed tomography. Technical articles, Soil Science. 171(9):706-718.
MURPHY, C.P. , 1986: Thin Section Preparation of Soils and Sediments. AB
Academic Publishers, Berkhamsted.
SINKANKAS,J.;1968: High pressure epoxy impregnation of porous materials for thin- section and microprobe analysis. Amer. Mineralogist, 53, 339-342.
SCHWARTZ, J., F., & LINDSLEY-GRIFFIN, N.; 1990: An improved impregnation
technique for studying structure of unlithified cohesive sediments. Proceeding of the Ocean Drilling Program, Scientific Results, 112, 87 – 91.