Frozen soils and sediments microstructure x-ray tomography study: methods, approaches, perspectives

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.

сезонная мерзлота, микроморфология, минеральный скелет, лед, поры, агрегаты, season congelation, frozen soil, micromorphology, microstructure, mineral matrix, ice, pore, aggregates, x-ray microtomography

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.А. Основы 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.