Способ определения минералогического состава фракций физической глины почв

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА ФРАКЦИЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ГЛИНЫ ПОЧВ(71) Заявитель Республиканское научное дочернее унитарное предприятие Институт почвоведения и агрохимии(72) Авторы Смеян Николай Иванович Цытрон Галина Станиславовна Сергеенко Владимир Терентьевич Лисица Владимир Данилович Щульгина Светлана Владимировна(73) Патентообладатель Республиканское научное дочернее унитарное предприятие Институт почвоведения и агрохимии(57) Способ определения минералогического состава фракций 0,005-0,01 мм и 0,001-0,005 мм физической глины почв с помощью рентгендифрактометрии, при котором фракцию предварительно обрабатывают лимоннокислым натрием и дитионитом натрия, определяют качественный состав фракции, затем определяют интегральные интенсивности первых базальных рефлексов глинистых минералов от препарата фракции, насыщенного этиленгликолем, умножают их на поправочные коэффициенты для вермикулита - 1,32, гидрослюды - 4,6, каолинита - 3, хлорита - 2,5, и из общей суммы интегральных интенсивностей определяют долю каждого из минералов. Изобретение относится к области агрономического почвоведения и может быть использовано при оценке эффективного и потенциального плодородия почв, рационального и экологически безопасного использования почвенных ресурсов. Физическая глина по классификации механических элементов почвы (по Н.А.Качинскому 1) представлена фракциями 0,001 мм, 0,001-0,005 мм, 0,005-0,01 мм. По количеству физической глины в почве определяется ее гранулометрический состав. Минералогический состав физической глины формирует физико-химические свойства почвы, такие как набухание, гидрофильность, поглотительная способность, реакция среды и др. Глинистые минералы являются источником пополнения почвенных растворов элементами питания растений. Исторически сложилось так, что качественный и количественный состав физической глины определялся только во фракции мельче 0,001 мм 2. Фракции 0,001-0,005 мм и 0,005-0,01 мм оказались вне поля зрения петрографов и рентгенологов. Иначе говоря, эти фракции оказались неудобными для петрографов потому, что они на грани разрешающей 10926 1 2008.08.30 способности их инструментально-технической базы (оптического микроскопа). Для рентгенологов эти объекты при исследовании давали дискретные линии на фотопленке. В силу обстоятельств данные фракции менее изучены и информация по калийному состоянию почв по этим фракциям не учитывалась, что давало неадекватное представление о плодородии почв. Задачей нашего изобретения является разработка способа определения минералогического состава фракций 0,001-0,005 мм и 0,005-0,01 мм физической глины. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является определение минералогического состава во фракциях 0,005-0,01 мм микроскопическим путем, а во фракциях 0,001-0,005 мм приготовлением специальных ориентированных препаратов, изучение которых проводилось в иммерсионных жидкостях с различным показателем преломления 3. Фракции имеют полиминеральный состав, содержат кварц, полевые шпаты, слюду,халцедон, кальцит. Мелкий размер фракций не дает возможности точно определить процентное содержание минералов, так как отдельные зерна имеют неправильную форму с микроагрегатным строением. Из всех перечисленных минералов в указанных фракциях назван один глинистый минерал - слюда. Недостатком вышеназванного технического решения является то, что определить даже качественный минералогический состав названных фракций физической глины не представляется возможным, тем более количественное содержание глинистых минералов. Техническое решение предлагаемого способа определения минералогического состава фракций 0,01-0,005 мм и 0,005-0,001 мм физической глины почв заключается в выделении этих фракций по методике Н.И.Горбунова 2. Навеску образца почвы весом 25 г испытывают на содержание в нем карбонатов 10 -ной НС. Присутствие карбонатов определяют по вскипанию (выделение 2) при доливании кислоты. При обнаружении карбонатов в образце их разрушают 1,0 н НС до прекращения вскипания. Образец почвы отмывают от кислоты и солей дистиллированной водой путем декантации. После удаления карбонатов образец разминается и переносится в стеклянный стакан емкостью 2 л с добавлением дистиллированной воды до определенной метки. Через 24 ч от метки с глубины 7 см сифоном сливают суспензию с фракцией менее 0,001 мм в приемный сосуд. Операцию повторяют до полного просветления содержимого 2 л стеклянного стакана. После отмучивания частиц менее 0,001 мм выделяют частицы 0,001-0,005 мм, используя тот же стакан. Суспензия отстаивается 1 ч 20 мин и с глубины 10 см сливается в приемный сосуд. Операция повторяется до отмучивания всех частиц. После высушивания на водяной бане фракцию 0,001-0,005 мм используют для определения минералогического состава. После удаления частиц 0,001-0,005 мм со стакана 2 л продолжают отмучивание частиц 0,01-0,005 мм. Дистиллированной водой суспензию доводят до метки и сифоном с глубины 10 см через 19 мин 39 с сливают в приемный сосуд. Операция продолжается до полного выделения частиц 0,01-0,005 мм. Твердый остаток из приемного сосуда высушивают и фракцию используют для анализа. Фракции 0,001-0,005 мм и 0,005-0,01 мм по 0,5 г обрабатывают 30 -ной перекисью водорода на водяной бане 2-3 ч до завершения реакции окисления. После этого производят удаление аморфных полуторных окислов по методу О. Мера и П. Джексона 4. К 0,5 г образца фракций добавляют 40 мл 0,5 М раствора лимоннокислого натрия и 5 мл 1 н. раствора бикарбоната натрия. Полученную смесь на водяной бане нагревают до 80 С и добавляют 0,5 г дитионита натрия. После перемешивания смесь выдерживают на кипящей бане в течение 15 мин. Полуторные окислы переходят в растворимую форму. Избыток реактива и растворимые полуторные окислы удаляют пятикратным промыванием дистиллированной водой в центрифужной пробирке при скорости вращения ротора центрифуги 5 тыс. об/мин. Далее образец насыщают 1 н. раствором хлористого магния и через 12 ч 2 10926 1 2008.08.30 взаимодействия фракцию от раствора отделяют на центрифуге. После просушивания обработанных образцов приступают к анализу. Для приготовления ориентированных препаратов берут 50 мг фракции в соотношении с водой 110, разминают, а суспензию переносят на покровное стекло размером 2525 мм. Съемку воздушно-сухого препарата,сольватированного этиленгликолем и прокаленного при 550 С в течение 2 часов, проводят на дифрактометре Дрон-2,0 с медным излучением, фильтрованным . Положение базальных рефлексов на рентгендифрактограмме определяем по таблицам 5. Принципиально новым моментом в предлагаемом авторами способе является использование поправочных уравнивающих коэффициентов интегральных интенсивностей базальных рефлексов для глинистых минералов вермикулита, гидрослюды, каолинита,почвенного хлорита. Качественный минералогический состав фракций диагностируют по группе базальных рефлексов. По четким рефлексам (фиг. 1 позиция 1 и фиг. 2 позиция 1) в области 10, 5 и 3,33 , не меняющимся после сольватации этиленгликолем (фиг. 1 позиция 2 и фиг. 2 позиция 2) и термической обработки (фиг. 1 позиция 3 и фиг. 2 позиция 3), глинистые минералы относят к гидрослюдам. Высокосимметричные и довольно интенсивные пики при 7 и 3,56(фиг. 1 позиция 1 и фиг. 2 позиция 1), не меняющие своего положения после сольватации образца этиленгликолем (фиг. 1 позиция 2 и фиг. 2 позиция 2) и исчезающие при прокаливании 550 С в течение 2 ч (фиг. 1 позиция 3, фиг. 2 позиция 3), относят к группе каолинита. Базальный 14 рефлекс (фиг. 1 позиция 1, фиг. 2 позиция 1) чаще всего сформирован двумя минералами вермикулитом - 14 отражение, сохраняющееся после сольватации этиленгликолем (фиг. 1 позиция 2, фиг. 2 позиция 2) и практически исчезающее при параллельном усилении 10 рефлекса при прокаливании до 550 С (фиг. 1 позиция 3, фиг. 2 позиция 3), и хлоритом, о наличии которого свидетельствует отражение при 4,72(фиг. 1 позиции 1, 3 и фиг. 2 позиции 1, 3) и сохранившийся после термической обработки пик небольшой интенсивности при 142. Количественное определение глинистых минералов во фракциях 0,01-0,005 и 0,0050,001 мм физической глины производят по интегральным интенсивностям первых базальных отражений для гидрослюды, хлорита, каолинита и вермикулита. Интегральная интенсивность базального рефлекса равна произведению полуширины рефлекса на его высоту. Высоту рефлекса измеряют в мм от вершины до линии фона, а полуширину - между линиями пика на половине его высоты. Расчет глинистых минералов производят по рефлексам. 1. Гидрослюду - по 10 . 2. Почвенный хлорит - по 14 . На первый базальный рефлекс хлорита накладывается первый рефлекс вермикулита. В этом случае 14 рефлекс почвенного хлорита определяют по третьему (при 4,72 ) из соотношения 001 / 0030,93 (таблица). 3. Вермикулит - по 14 рефлексу. С интегральной интенсивности 14 пика вычитают интенсивность первого рефлекса почвенного хлорита. Полученная величина интенсивности принадлежит первому базальному рефлексу вермикулита. 4. Каолинит - по 7,1 . Интенсивность пика при 7,1 состоит из наложения первого базального рефлекса каолинита и вторых отражений вермикулита и почвенного хлорита. Интегральную интенсивность второго рефлекса вермикулита рассчитывают по соотношению 001 / 00265, а второго хлорита - 001 / 0030,50 (таблица). Из общей интегральной интенсивности пика 7,1 вычитают 002 вермикулита и 002 почвенного хлорита, остаток и будет интегральной интенсивностью первого базального рефлекса каолинита. Полученные интегральные интенсивности первых базальных рефлексов глинистых минералов умножают на поправочные уравнивающие коэффициенты. Для вермикулита он равен 1,32 гидрослюды - 4,60 каолинита - 3,00 почвенного хлорита - 2,50 (таблица). 3 10926 1 2008.08.30 Соотношение интенсивностей базальных рефлексов глинистых минералов и поправочные уравнивающие коэффициенты Минералы Вермикулит Гидрослюда Каолинит Почвенный хлорит Поправочные уравнивающие коэффициенты 1,32 4,60 3,00 2,50 Суммируя полученные величины и взвесив долю каждого из минеральных компонентов на общую сумму, получают процентное содержание глинистых минералов в определяемой фракции физической глины. Сущность предлагаемого авторами изобретения состоит в определении качественного минералогического состава фракций 0,001-0,005 мм и 0,005-0,01 мм физической глины по базальным рефлексам и количественного расчета в них глинистых минералов с использованием поправочных коэффициентов для первых базальных рефлексов вермикулита, гидрослюды, каолинита, почвенного хлорита. Базальные рефлексы глинистых минералов от ориентированных препаратов, сольватированных этиленгликолем, для количественного расчета выбраны из тех соображений, что имеющиеся структурные дефекты глинистых минералов в виде неупорядоченного сочетания слоев не сказываются на интенсивностях отражений их дифракционных пиков 6. Способ определения минералогического состава фракций 0,01-0,005 мм и 0,0050,001 мм физической глины с использованием ориентированных препаратов, сольватированных этиленгликолем, и поправочных уравнивающих коэффициентов для первых базальных рефлексов вермикулита, гидрослюды, каолинита, почвенного хлорита отвечает критериям новизны. Комплексное сочетание подготовки препарата, сольватация его этиленгликолем, использование поправочных уравнивающих коэффициентов к первым базальным рефлексам глинистых минералов фракций 0,01-0,005 мм и 0,005-0,001 мм физической глины для определения их минералогического состава в научно-технической литературе неизвестно. Предлагаемый способ определения минералогического состава фракций физической глины почв отвечает критерию изобретательского уровня, так как сочетание ориентированных препаратов, сольватация их этиленгликолем, прокаливание при 550 С, использование поправочных уравнивающих коэффициентов для первых базальных рефлексов вермикулита, гидрослюды, каолинита и почвенного хлорита обеспечивают возможность установить качественный минералогический состав и количественное содержание глинистых минералов во фракциях 0,01-0,005 и 0,005-0,001 мм физической глины. Пример определения глинистых минералов во фракции 0,01-0,005 мм горизонта Ап (515 см) дерново-подзолистой супесчаной почвы. На фиг. 1 приведены дифрактограммы воздушно-сухого образца, сольватированного этиленгликолем и прокаленного при 550 С. Присутствие 10 , 5 и 3,33 рефлексов на дифрактограммах воздушно-сухого и сольватированного этиленгликолем образца свидетельствует о присутствии гидрослюдистого компонента. Наличие 7 и 3,56 рефлексов от образцов воздушно-сухих, сольватированных этиленгликолем и исчезающих после прокаливания, подтверждает наличие каолинита во фракции. Вермикулит определяют по 14 рефлексу, который наблюдается в воздушно-сухом и сольватированном образцах и исчезает после прокаливания с параллельным усилением 10 пика. По наличию отражения 4,7 воздушно-сухого образца и слабому отражению в области 14 после прокаливания образца определяют почвенный хлоритовый компонент. Таким образом, во фракции 0,01-0,005 мм содержатся гидрослю 4 10926 1 2008.08.30 да, вермикулит, каолинит и хлорит. Для количественного подсчета глинистых минералов поступают следующим образом. Определяют интегральную интенсивность первых базальных рефлексов. Первоначально проводят фоновую линию и от нее измеряют высоту рефлексов и затем умножают на полуширину рефлекса (ширина рефлекса на половине высоты). В нашем случае 14264 мм 2, 10243 мм 2, 7130 мм 2. Чтобы рассчитать 001 почвенного хлорита определяют 003 (4,7 ). Его интенсивность равна 39 мм 2. Воспользуемся данными таблицы, где 001 / 0030,93 для почвенного хлорита. Определяют 001 почвенного хлорита. Она равна 36. Интегральная интенсивность 14 ,равная 264, принадлежит первому базальному рефлексу вермикулита и почвенного хлорита. Из общей величины интенсивности 264 мм 2 вычитают интенсивность первого рефлекса хлорита 36 мм 2, получают интенсивность рефлекса вермикулита 228 мм 2. Из общей интенсивности 7 рефлекса 130 мм 2 вычитают долю, приходящуюся на второй пик вермикулита (228654) и второй хлорита (360,572), получают величину интенсивности рефлекса каолинита 54 мм 2. Интегральные интенсивности рефлексов вермикулита, гидрослюды, каолинита и почвенного хлорита умножают на уравнивающие коэффициенты и получают гидрослюда - 2434,61117 мм 2 вермикулит - 2281,32301 мм 2 каолинит - 543162 мм 2 хлорит - 362,590 мм 2. Из общей суммы интенсивностей базальных рефлексов 1670 мм 2 определяемых глинистых минералов на долю гидрослюды приходится 67 , вермикулита - 18 , каолинита - 10 и почвенного хлорита - 5 . Содержание глинистых минералов вокругляют до целых. Определение минералогического состава фракции 0,005-0,001 мм. На фиг. 2 помещены рентгендифрактограммы воздушно-сухого, сольватированного этиленгликолем и прокаленного при 550 С образца горизонта Ап дерново-подзолистой супесчаной почвы. Установлено, что фракция представлена гидрослюдой, каолинитом,вермикулитом и хлоритом. Количественное содержание рассчитывают по базальным рефлексам отмеченных минералов. Интенсивность 14 рефлекса равна 812 мм 2, 10 рефлекса - 354 мм 2 и 7- 210 мм 2. Интенсивность рефлекса 4,7 , принадлежащего третьему отражению почвенного хлорита, равна 36 мм 2, соответственно интенсивность его первого отражения (360,9333 мм 2) равна 33 мм 2. Интенсивность 14 рефлекса, принадлежащего вермикулиту, равна (812 - 33779 мм 2) 779 мм 2. Интенсивность каолинитового рефлекса с учетом вермикулита и хлорита равна (210 - 12 - 66132 мм 2) 132 мм 2. С учетом поправочных коэффициентов интенсивности рефлексов определяемых минералов таковы гидрослюды - 3544,61628 мм 2 вермикулита - 7791,321028 мм 2 каолинита - 1323396 мм 2 почвенного хлорита - 332,583 мм 2. На долю гидрослюды приходится 52 , вермикулита - 33 , каолинита - 13 и почвенного хлорита - 2 .(5-15 см) дерново-подзолистой супесчаной почвы, развивающейся на связной водно-ледниковой супеси, подстилаемой с глубины 0,6 м моренным суглинком. Позиции 1) воздушно-сухой образец 2) сольватированный этиленгликолем 3) прокаленный при 550 С. Фиг. 2. Рентгендифрактограммы фракции 0,005-0,001 мм горизонта Ап (5-15 см) дерново-подзолистой супесчаной почвы, развивающейся на связной водно-ледниковой супеси, подстилаемой с глубины 0,6 м моренным суглинком. Позиции 1) воздушно-сухой образец 2) сольватированный этиленгликолем 3) прокаленный при 550 С. 10926 1 2008.08.30 Источники информации 1. Качинский Н.А. Физика почвы. Ч. . - М. Изд-во МГУ, 1965. 2. Горбунов Н.И. Рентгендифрактометрические методы исследования минеральной фазы почв. Исследования тонкодисперсных фракций почв // Методы изучения минералогического состава и органического вещества почв / Под ред. И.С. Рабочева. - Ашхабад Ылым, 1975. - С. 24-85. 3. Роговой П.П., Самодуров П.С. Минералы и химические элементы в профиле сильнооподзоленных дерново-подзолистых почв Белоруссии, образовавшихся на лессовидных породах // Почвообразующие породы и их роль в формировании почв БССР Сб. науч. тр./ Бел НИИ почвоведения Редкол. П.П. Роговой (председ.) и др. - Мн. Гос. изд-во сельхоз. лит. БССР, 1962. - С. 55-146. 4. Мера О.П., Джексон М.Л. Удаление окислов железа из почвы и глин при помощи дитионитлимоннокислой системы с буферным раствором бикарбоната натрия. Кора выветривания Сб. - М. Изд-во АН СССР, 1963. - Вып. 5. - С. 389-398. 5. Гиллер Я.Л. Таблицы межплоскостных расстояний. - М. Недра, 1966. - Т. 2. - 362 с. 6. Бриндли Г.В. Каолиновые, серпентиновые и родственные им минералы. Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов. - М. Мир, 1965. - С. 70-164. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7