Применение геометрических α-форм для анализа порового пространства почвы по микротомограммам

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Предлагается новый подход анализа изображений внутренней структуры почвы (микротомограмм) и моделирования ключевых гидрофизических функций на основе томографических характеристик порового пространства. Подход основан на построении серии замкнутых оболочек (α-форм) вокруг исследуемого трехмерного участка томограммы. Эти оболочки способны проникать в поры объекта с диаметром больше заданного. Анализируется зависимость внутреннего объема оболочек от минимального размера пор. Алгоритм построения α-форм имитирует процесс вытеснения жидкости из пор, связанных с поверхностью твердой фазы почвы, и позволяет анализировать анизотропию связности пор путем ограничения проницаемости части поверхности объекта. Построенные α-формы моделируют поверхность жидкой фазы, а максимальная кривизна поверхности соответствует капиллярному давлению. Подход применен для анализа образцов почвенного микропрофиля коркового солонца с контрастной структурой порового пространства. Микрогоризонты солонца имеют выраженную закрытую пористость и анизотропию связности пор. Подход позволяет оценивать основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) без учета усадки, связность и анизотропию пор. Результаты сравнивали с типичными известными ОГХ солонцовых горизонтов почв России. Проведено сравнение моделей ОГХ, получаемых на основе 2D- и 3D-изображений. Метод опробован на томограммах образцов эолового слоистого песчаника, для которых имелись томограммы и прямые измерения ОГХ.

Об авторах

А. А. Владимиров

Почвенный институт им. В.В. Докучаева; Объединенный институт ядерных исследований

Автор, ответственный за переписку.
Email: artem.a.vladimirov@gmail.com
Россия, Москва; Дубна

К. Н. Абросимов

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: artem.a.vladimirov@gmail.com
Россия, Москва

Т. А. Васильев

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: artem.a.vladimirov@gmail.com
Россия, Москва

Н. А. Васильева

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: artem.a.vladimirov@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Абросимов К.Н., Герке К.М., Фомин Д.С., Романенко К.А., Корост Д.В. Томография в почвоведении: от первых опытов к современным методам (обзор) // Почвоведение. 2021. № 9. С. 1097–1112. https://doi.org/10.31857/S0032180X21090021
  2. Белолюбцев А.И., Болотов А.Г. Моделирование гидрофизических параметров почв склонов Нечерноземной зоны // Вестник АГАУ. 2018. № 6(164) С. 86–91.
  3. Единый государственный реестр почвенных ресурсов России. Версия 1.0: Коллективная монография М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2014. 768 с. https://egrpr.esoil.ru/
  4. Иванов А.Л., Шеин Е.В., Скворцова Е.Б. Томография порового пространства почв: от морфологической характеристики к структурно-функциональным оценкам // Почвоведение. 2019. № 1. С. 61–69. https://doi.org/10.1134/S0032180X19010064
  5. Плаченов Т.Г., Колосенцев С.Д. Порометрия. Л.: Химия, 1988. 175 с.
  6. Скворцова Е.Б., Герке К.М., Корост Д.В., Абросимов К.Н. Строение порового пространства в подзолистых горизонтах суглинистых почв (анализ 2d и 3d изображений) // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2013. № 71. С. 65–79. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2013-71-65-79
  7. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с. ISBN 5-211-05021-5
  8. Шеин Е.В. Современное состояние, перспективы и актуальные вызовы в физике почв // Почвы – стратегический ресурс России. Тез. докл. VIII съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева и Школы молодых ученых по морфологии и классификации почв. М., 2021. С. 66–67.
  9. Berg C.F., Held R. Fundamental Transport Property Relations in Porous Media Incorporating Detailed Pore Structure Description // Transp. Porous Media 2016. V. 112. P. 467–487. https://doi.org/10.1007/s11242-016-0661-7
  10. Cássaro F.A.M., Durand A.N.P., Gimenez D., Vaz C.M.P. Pore-Size Distributions of Soils Derived using a Geometrical Approach and Multiple Resolution MicroCT Images // Soil Sci. Soc. Am. J. 2017. V. 81. P. 468–476. https://doi.org/10.2136/sssaj2016.09.0291
  11. Edelsbrunner H., Kirkpatrick D.G., Seidel R. On the shape of a set of points in the plane // IEEE Transactions on Information Theory. 1983. V. 29. P. 551–559. https://doi.org/10.1109/TIT.1983.1056714
  12. Lin Q., Bijeljic B., Ali Q. Raeini, Rieke H., Blunt M.J. Drainage capillary pressure distribution and fluid displacement in a heterogeneous laminated sandstone // Geophys. Res. Lett. 2021. V. 48. https://doi.org/10.1029/2021GL093604
  13. Mahabadi N., Dai S., Y. Seol Y., Sup Yun T., Jang J. The water retention curve and relative permeability for gas production from hydrate-bearing sediments: pore-network model simulation // Geochem. Geophys. Geosyst. 2016 V. 17. P. 3099–3110. https://doi.org/10.1002/2016GC006372
  14. Mufti S., Arghya D. Pore network modeling approach for simulating soil water retention curve under different stress conditions // E3S Web of Conferences. 2023. V. 382. P. 10004. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202338210004
  15. Münch B., Holzer L. Contradicting Geometrical Concepts in Pore Size Analysis Attained with Electron Microscopy and Mercury Intrusion // J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. P. 4059–4067. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02736.x
  16. Portaneri C., Rouxel-Labbé M., Hemmer M., Cohen-Steiner D., Alliez P. Alpha Wrapping with an Offset // ACM Transactions on Graphics. Proceedings of the ACM SIGGRAPH conference. 2022. V. 41. P. 1–22. https://doi.org/10.1145/3528223.3530152
  17. Silin D., Patzek T. Pore space morphology analysis using maximal inscribed spheres // Physica A. 2006. V. 371. P. 336–360. https://doi.org/10.1016/j.physa.2006.04.048
  18. Song S., Qile D., Jingna W. Improved algorithm for estimating pore size distribution from pore space images of porous media // Phys. Rev. E. 2019. V. 100. P. 053314. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.053314
  19. Torquato S. Random Heterogeneous Materials: Microstructure and Macroscopic Properties // Springer-Verlag. 2002. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-6355-3
  20. Xiong Q., Baychev T.G., Jivkov A.P. Review of pore network modelling of porous media: Experimental characterisations, network constructions and applications to reactive transport // J. Contam. Hydrol. 2016. V. 192. P. 101–117. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2016.07.002
  21. Yang Z., Peng X.F., Lee D.J., Chen M.Y. An image-based method for obtaining pore-size distribution of porous media // Environ. Sci. Technol. 2009. V. 43(9). P. 3248–3253. https://doi.org/10.1021/es900097e
  22. Zubov A.S., Murygin D.A., Gerke K.M. Pore-network extraction using discrete Morse theory: Preserving the topology of the pore space // Phys. Rev. E. 2022. V. 106. P. 055304. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.106.055304

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Шлиф из микропрофиля солонца с новообразованными микрогоризонтами (желтые квадраты) и разметкой под образцы для томографической съемки (красные квадраты).

Скачать (34KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Модели порового пространства солонца разных горизонтов, созданные программой Bruker CTvox по данным компьютерной томографии.

Скачать (168KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Модельная зависимость влажности от pF, приведенная к полной влагоемкости (ПВ) для различных микрогоризонтов. Линиями показано среднее значение, закрашенными областями – стандартная ошибка среднего. Для сравнения приведены характерные для солонцовых горизонтов экспериментальные ОГХ, взятые из базы данных [3] и показанные тонкими линиями.

Скачать (16KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Иллюстрация последовательности α-форм, построенных вокруг одной из выбранных областей томограммы при значениях диаметра наименьшей проницаемой поры (параметр α) 85, 50, 35 мкм.

Скачать (71KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Анизотропия связности пор для микрогоризонтов микропрофиля солонца в зависимости от размера пор: объем вертикальных пор (левый рис.), объем горизонтальных пор (правый рис.) в зависимости от размера пор. Линиями показано среднее значение, закрашенными областями – стандартная ошибка среднего.

Скачать (39KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Сравнение 2D- и 3D-моделей ОГХ, приведенных к полной влагоемкости (ПВ). Реконструированная по микрофотографии методом наибольшего диска ОГХ (точки) и по микротомограмме методом α-форм (линия) для микрогоризонта AKL 0–8 мм. Серым цветом показано стандартное отклонение для 3D-модели.

Скачать (10KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение ОГХ, реконструированной по микротомограмме методом α-форм, и экспериментальной ОГХ для слоистого песчаника [12].

Скачать (13KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Модель ОГХ реконструированная методом α-форм для Fontainebleau песчаников различной пористости [9]. Серым цветом показано стандартное отклонение модели.

Скачать (12KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024