ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 412, № 6, с. 772-775
ХИМИЯ
УДК 631.414
МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ФРАКТАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
У ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ
© 2007 г. Г. Н. Федотов, академик Ю. Д. Третьяков, В. И. Путляев, Е. И. Пахомов,
А. И. Куклин, А. X. Исламов
Поступило 10.11.2006 г.
При электронно-микроскопическом исследовании почвенных растворов обнаружено, что коллоидные частицы располагаются на подложке, образуя структуры, внешне очень похожие на фрактальные кластеры [1-3]. Полученные результаты позволили предположить, что почвенные коллоиды имеют фрактальное строение. Тем не менее сделать однозначный вывод о существовании фрактальных структур в почвенном растворе или илистой фракции почв не представлялось возможным, так как подобные структуры могли возникнуть и при подготовке образцов к электронно-микроскопическому исследованию.
Возникла необходимость поиска методов, позволяющих наблюдать коллоидные структуры непосредственно в почвах. К подобным методам можно отнести малоугловое рассеяние нейтронов и рентгеновских лучей [4].
Проведенные методом малоуглового рассеяния нейтронов исследования [5, 6] подтвердили предположение о существовании у коллоидов в почвах фрактальной организации, однако механизм ее возникновения был не вполне понятен.
Данная работа посвящена выяснению механизма возникновения фрактальной организации у почвенных коллоидов.
Электронно-микроскопическое исследование проводили на растровом электронном микроскопе LEO SUPRA-50 VP (фирма "Carl Zeiss", Германия).
В работе [7] показано, что при помещении предварительно высушенных капиллярно увлажненных агрегатов, взятых из иллювиальных горизонтов отдельных почв, в воду на ее поверхности появляется пленка. Для приготовления образцов для электронной микроскопии почвенные агрегаты размером 3-5 мм помещали в чашки Петри на
фильтровальную бумагу, увлажняли ее, капиллярно насыщая агрегаты водой. Через 2-3 мин поднимали уровень воды в чашке Петри, что приводило к отделению пленок от агрегатов и их подъему на поверхность воды. Затем пленки помещали на атомно-гладкую поверхность свеже-расщепленной слюды путем приведения в контакт поверхности слюды с водной поверхностью, на которой находилась пленка.
На приготовленные таким образом образцы после сушки напыляли углерод (термический испаритель Univex-300 фирмы "Leybold", Германия).
Для нахождения величин фрактальной размерности анализируемых объектов и максимальной интенсивности рассеяния использовали метод малоуглового рассеяния нейтронов. Как известно, фрактальные объекты дают специфическую картину рассеяния при анализе их методом малоуглового рассеяния нейтронов, а именно в достаточно широком диапазоне переданных импульсов зависимость интенсивности рассеяния от передаваемого импульса в логарифмических координатах представляет собой прямую линию [8]:
lg I ( k )~ - X lg k.
При этом для массовых фракталов значение х, т.е. показатель Порода, совпадает со значением фрактальной размерности D, тогда как для поверхностных фракталов х = 6 - D.
Измерения были проведены на малоугловом нейтронном спектрометре ЮМО (г. Дубна), причем использована двухдетекторная система. Поэтому диапазон по модулю вектора рассеяния составлял от 0.007 до 0.6 Â-1 при длинах волн нейтронов от 0.7 до 5 Â и расстояниях образец-детектор, равных 3.6 и 12.97 м для первого (ближнего) и второго (дальнего) детектора соответственно.
Образцы помещали в кюветы фирмы "Hellma" с полезной толщиной 2 мм, размер пучка составлял 14 мм. Кюветы размещали в термобоксе при температуре 25°С.
Первичную обработку экспериментальных спектров осуществляли с помощью программы SAS [9], причем нормировку данных для представления спектров в абсолютных величинах проводили на ванади-
Московский государственный университет леса, Мытищи Московской обл. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна Московской обл.
Таблица 1. Результаты исследования гумусовоаккумулятивных горизонтов контрастных почв методом малоуглового рассеяния нейтронов
Почва Воздушно-сухие почвы Почвенные пасты
фрактальная размерность интенсивность рассеяния, см-1 фрактальная размерность интенсивность рассеяния, см-1
Дерново-подзолистая 3.22 ± 0.03 400 2.69 ± 0.03 268
Бурая лесная 3.07 ± 0.02 590 2.64 ± 0.02 483
Чернозем выщелоченный 2.90 ± 0.02 200 2.77 ± 0.02 260
Чернозем типичный 2.90 ± 0.09 322 2.65 ± 0.09 800
Темно-каштановая 2.71 ± 0.02 707 2.40 ± 0.02 946
Светло-каштановая 2.97 ± 0.02 500 2.47 ± 0.02 500
Краснозем 2.82 ± 0.08 1159 2.53 ± 0.02 1205
евый стандарт. Фиксировали фрактальную размерность и интенсивность рассеянного излучения.
Для лучшего понимания целесообразности использования метода рассеяния нейтронов акцентируем внимание на применении этого метода к исследованию почв. Почвенные частицы коллоидных размеров рассеивают нейтроны под малыми углами, причем если они, взаимодействуя с излучением, ведут себя как независимые излучатели, т.е. находятся друг от друга на расстоянии, большем длины волны нейтронного излучения, то фрактальная размерность объектов меньше трех. Если коллоидные частицы находятся в контакте и не могут вести себя как независимые излучатели, то фрактальная размерность больше трех.
Проанализируем фрактальные характеристики, наблюдаемые для контрастных почв (табл. 1). Обращает на себя внимание,что величина фрактальной размерности для сухих образцов почв меньше трех, тогда как фрактальная размерность влажных, свежеприготовленных осадков бромида серебра и сульфата бария составляет 3.2-3.3. Следовательно, коллоидные частицы в воздушно-сухих почвах не контактируют друг с другом, что можно объяснить их стабилизацией в гумусовой молекулярной сетке.
На электронно-микроскопических фотографиях пленок из чернозема и дерново-подзолистой почвы представлены области, содержащие
неорганические частицы1 (рис. 1). Можно выделить два типа образуемых ими кластеров. В первом случае кластер имеет ядро - неорганическую частицу микронных размеров, вокруг которой сгруппированы коллоидные частицы. Во втором случае коллоидные частицы сгруппированы аналогичным образом, но ядро микронных размеров отсутствует. Наличие подобных кластеров в гумусовых пленках позволяет выдвинуть
1 Ранее нами показано [13], что эти пленки состоят из двух областей - участки, содержащие неорганические частицы, вкраплены в свободное от них пространство.
предположение о причинах фрактальной организации почвенных коллоидов. По-видимому, частицы микронных размеров фиксируются в гумусовом студне. Под воздействием окружающей среды происходит химическое выветривание минералов с образованием коллоидных частиц, которые диффундируют по студню от кластера. Гумусовый студень содержит большое количество полярных групп, поэтому коллоидные частицы закрепляются на макромолекулах гумуса. Чем больше расстояние от центра кластера, тем меньше частиц может его преодолеть. В результате концентрация коллоидных частиц от центра кластера к периферии убывает. В некоторых случаях микронная частица распадается полностью, и на электронных микрофотографиях наблюдается кластер, состоящий из коллоидных частиц без ядра микронных размеров. Следует отметить, что структуры, возникающие подобным образом, являются типичными фракталами [10].
Как известно, поверхность многих минералов под влиянием факторов внешней среды покрывается гелевой пленкой из коллоидных частиц, являющихся продуктами выветривания минералов [11, 12]. Известно также, что коллоидные частицы способны диффундировать в студнях полимеров [14]. Предлагаемый механизм фактически является для почв естественной комбинацией этих двух процессов - частицы минералов фиксированы в почвах в гумусовом студне, а образующиеся на их поверхности коллоидные частицы диффундируют в студне.
Рассмотрим полученные результаты в рамках предлагаемого механизма образования коллоидных структур с фрактальными свойствами. Коллоидные частицы диффундируют по гумусовому студню тем дальше, чем меньше функциональных групп в гумусовом студне. Содержание гумуса в дерново-подзолистых почвах значительно меньше, чем в черноземе и красноземе. Кроме того, он фульватного типа, т.е. в нем функциональных групп больше, чем в гумусе чернозема. В ре-
774
ФЕДОТОВ и др.
Рис. 1. Электронно-микроскопические фотографии пленок, и чернозема (в, г) на подложке слюды.
зультате уменьшение концентрации коллоидных частиц в кластерах дерново-подзолистой почвы происходит быстрее, чем в кластерах чернозема. Следовательно, фрактальная размерность коллоидов дерново-подзолистой почвы должна быть выше, чем в черноземе. При малом содержании гумуса при удалении воды коллоидные частицы могут приходить в соприкосновение, и это может приводить к переходу массового фрактала в поверхностный. Необходимо также отметить, что гумус, содержащий большее количество функциональных групп, должен сильнее набухать при взаимодействии с водой, и фрактальная размерность
выделенных из агрегатов дерново-подзолистой почвы (а, б)
коллоидов дерново-подзолистой, бурой лесной почв и краснозема должна уменьшаться при взаимодействии с водой сильнее, чем у чернозема. Именно это и наблюдается при исследовании почв методом малоуглового рассеяния нейтронов.
Кроме содержания и типа гумуса, на изменение фрактальной размерности оказывает влияние солонцеватость почв, т.е. содержание обменного натрия. При этом способность к набуханию у гумусового студня должна возрастать, что, по-видимому, и приводит к наблюдаемым изменениям фрактальной размерности для светло-каштановой почвы.
Таблица 2. Результаты погоризонтного исследования солонца методом малоуглового рассеяния нейтронов
Горизонт, см Воздушно-сухие почвы Почвенные пасты
фрактальная интенсивность рассеяния, см-1 фрактальная интенсивность рассеяния, см-1
размерность размерность
0-3 2.9 ± 0.02 242 2.73 ± 0.02 324
3-10 2.93 ± 0.02 251 2.74 ± 0.02 500
10-20 3.02 ± 0.02 256 2.73 ± 0.02 490
20-30 3.05 ± 0.02 301 2.76 ± 0.02 564
Обращает на себя внимание изменение интенсивности рассеяния, характеризующее концентрацию коллоидных частиц в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.