Магнитная восприимчивость почв это

Магнитные свойства почв

Магнитные свойства почв являются объективным отражением их типа, сложения, происхождения и протекающих в них процессов. Показатели магнитных свойств почв обладают большой информативностью.

Они тесно коррелируют с традиционно используемыми в почвоведении показателями свойств почв, поэтому могут с успехом применяться для решения многих вопросов почвоведения:

• диагностики различных типов почв, образовавшихся под влиянием тех или иных почвообразовательных процессов,
• при составлении почвенных карт и агрохимических картограмм,
• в агрономической практике для определения производительности почв и т. д. (Ковриго, Лукшин с сотр., 1967-1994).

Понятие о магнитных свойствах почв

Магнитные свойства почв, как и любого вещества, проявляются в их способности намагничиваться в магнитном поле. Одним из наиболее важных показателей магнитных свойств почв является магнитная восприимчивость (æ).

Магнитная восприимчивость является мерой намагниченности образца под действием внешнего магнитного поля.

Магнитные свойства почв связаны в основном с их твердой фазой, в состав которой входят первичные и вторичные минералы, а также органическое вещество, обладающие различными по своей природе магнитными свойствами.

Они могут быть диамагнитными, парамагнитными и ферромагнитными. У диамагнетиков æ -5 ед. СИ), у парамагнетиков æ > 0 и более высокие значения по абсолютному значению (до 10 _2 ед. СИ).

Для ферромагнетиков характерны несравненно большие значения магнитной восприимчивости (æ >> 0). Типичные представители диамагнетиков в почвах — кварц, каолинит, гипс, ортоклаз, кальцит, органическое вещество.

Парамагнитными компонентами являются авгит, доломит, мусковит, монтмориллонит, вермикулит. К ферромагнитным компонентам почв относятся минералы, содержащие железо, никель, кобальт, титан, железоорганические и другие соединения:

• магнетит — FeO • Fe₂O₃,
• гематит — αFe₂0₃,
• маггемит — γFe₂0₃,
• ильменит — FeO • ТiO₂,
• лимонит — Fe₂O₃ • 3Н₂O,
• лепидокрокит — γFeO • ОН,
• гидролепидокрокит — γFeO • ОН • nН₂O,
• гетит — αFeO • ОН,
• гидрогетит — αFeO • ОН • nН₂O.

Характер намагничивания диа-, пара- и ферромагнитных компонентов твердой фазы почв выражается зависимостью намагниченности / от напряженности магнитного поля Н (рис. 8).

Для диамагнетиков это прямая 1 с отрицательным угловым коэффициентом, для парамагнетиков — прямая 2 с положительным угловым коэффициентом, а для ферромагнетиков это кривая 3, имеющая сложный характер. В средних полях она круто идет вверх, а в сильных полях асимптотически приближается к намагниченности насыщения I_s.

У ферромагнетиков в отличие от диа- и парамагнетиков линия размагничивания LI_r не совпадает с линией намагничивания 0L. При размагничивании, когда напряженность магнитного поля снижается до нуля, ферромагнетики еще обладают остаточной намагниченностью 1_r.

Для того чтобы привести намагниченность ферромагнетика к нулю, надо приложить обратное (противоположное) магнитное поле —Н_с (см. рис.8), называемое коэрцитивной силой. Дальнейшим возрастанием обратного поля доводят образцы до насыщения -I_s.

С уменьшением обратного поля и переменой его знака снова наступает насыщение I_s. При полном цикле намагничивания получается замкнутая кривая LI_rM—I_rL, называемая петлей магнитного гистерезиса.

Мы рассмотрели особенности намагничивания диа-, пара- и ферромагнитных компонентов твердой фазы почв отдельно. Но твердая фаза почв является их смесью. Каков же в этом случае характер намагничивания почв?

Оказывается, даже незначительное присутствие в почве ферромагнитного компонента обеспечивает ей гистерезисный характер намагничивания.

Поэтому показателями магнитных свойств почв наряду с магнитной восприимчивостью являются также остаточная намагниченность 1_п коэрцитивная сила Н_с, намагниченность насыщения Is и сама гистерезисная петля.

Характеристика почв по магнитным свойствам

Количественный и качественный состав ферромагнитных компонентов в почвах изменяется и зависит прежде всего от процесса почвообразования.

Поэтому величина площади и форма петель магнитного гистерезиса верхних горизонтов почв, а также изменение этих петель по генетическим горизонтам характерны для каждого типа почв (рис. 9). Развитие дернового процесса почвообразования способствует расширению гистерезисной петли.

Что связано с образованием в почве ферромагнитных минералов с высокой магнитной восприимчивостью. При развитии подзолистого и глеевого процессов почвообразования гистерезисная петля сужается, практически вырождаясь в прямую, как у парамагнетиков.

Магнитная восприимчивость легко определяется с помощью специальных приборов (ИМВ-2, ИПК-2 и др.) как в полевых, так и в лабораторных условиях, без применения каких-либо химических анализов.

Для этого достаточно привести в контактное соприкос новение рабочую поверхность датчика прибора с поверхностью почвенного образца. Значения магнитной восприимчивости, выраженные в единицах СИ, считывают со шкалы прибора.

Типы и подтипы почв, сформировавшиеся на тех или иных материнских породах, имеют определенные для них значения магнитной восприимчивости верхних гумусовых (пахотных) горизонтов, обусловленные почвообразовательными процессами.

В результате которых изменяется магнитная восприимчивость ферромагнитных компонентов почв. Например, значения магнитной восприимчивости пахотного горизонта дерново-подзолистых суглинистых почв восточноевропейской части России колеблются в пределах (40,3 +14,3)10 -5 единиц СИ, а дерново-карбонатных — соответственно (68,5 ± 18,7) 10- 5 единиц СИ.

Величины магнитной восприимчивости для верхних гумусовых (пахотных) горизонтов автоморфных почв отражают зональные и региональные особенности почвообразования, которые в большой степени зависят от интенсивности и качественной направленности гумусово-аккумулятивного процесса.

В результате которого происходят количественные и качественные изменения ферромагнитных минералов. Значения магнитной восприимчивости становятся выше от дерново-подзолистых к серым лесным почвам. Черноземы имеют наиболее высокие значения ж, в каштановых почвах величины ж ниже, они еще ниже у сероземов.

На снижение значений ж заметно влияют процессы оподзоли-вания и оглеения, еще более — гранулометрический состав, развитие плоскостной водной эрозии и наличие свободных карбонатов.

Каждый тип и подтип почвы характеризуется своим магнитным профилем, т. е. закономерностями изменения магнитной восприимчивости по генетическим горизонтам. Для примера на рисунке 10 приведены профили магнитной восприимчивости дерново-подзолистой и дерново-карбонатной почв.

Профильную кривую магнитной восприимчивости в основном определяет илистая фракция, в которой сосредоточены в дисперсном состоянии ферромагнитные минералы.

На основе измерений магнитной восприимчивости разработаны магнитометрические способы диагностики почв, определения их качественных показателей и производительности.

Использование магнитометрических способов в почвоведении и агрономической практике

Так как различные почвы имеют типичные для них показатели магнитной восприимчивости, то магнитометрические способы могут использоваться для диагностики почв и установления почвенных границ при крупномасштабном почвенном картографировании.

Для уточнения границ элементарных агрохимических участков при составлении агрохимических картограмм. Показатели магнитной восприимчивости имеют положительную корреляцию с содержанием гумуса, величиной обменной кислотности.

Суммой обменных оснований, степенью насыщенности почв основаниями, содержанием физической глины, т. е. со свойствами, при которых произошли количественные и качественные изменения ферромагнитных компонентов почвы.

Поэтому по величине магнитной восприимчивости верхнего гумусового (пахотного) горизонта можно устанавливать нуждаемость почв в известковании, степень окультуренности почв, их бонитетный балл, делать заключение о степени развития плоскостной водной эрозии, выделять однородные по плодородию участки поля для проведения полевых опытов и т. д.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие компоненты твердой фазы почв называют диамагнитными, парамагнитными и ферромагнитными? По какому признаку?
2. Назовите основные показатели магнитных свойств почв и дайте им определения.
3. Как гистерезисным характером намагничивания и показателями магнитной восприимчивости можно охарактеризовать разные типы почв?
4. Какие имеются возможности использования магнитометрических способов для определения качественных показателей почв и их производительности?

Источник

Магнитная восприимчивость почв это

МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ПОЧВ

Явление магнетизма известно давно. Свое название оно получило от города Магнетии в Малой Азии, где были обнаружены залежи магнитного железняка — «камня, притягивающего железо». Первым письменным свидетельствам знакомства человека с магнитными свойствами более 2 тыс. лет. Одним из таких источников является поэма Тита Лукреция Кара «О природе вещей», написанная в I в. до н. э.

Древние люди приписывали магниту много чудесных свойств. Отрицать влияние магнитных полей на живой организм нельзя. Магнитное поле влияет и на растения. Результаты некоторых опытов показали, что всхожесть и рост семян зависят от того, как первоначально они были ориентированы относительно магнитного поля Земли. Изменение внешнего магнитного поля может ускорять или угнетать развитие растений, однако физика этого процесса не совсем ясна.

По современным представлениям, основное геомагнитное поле (ГМП) Земли порождается вихревыми электрическими токами, циркулирующими в жидком ядре нашей планеты. Магнитное поле, обусловленное процессами, происходящими в недрах Зем-. ли, почти постоянно. Оно испытывает лишь медленные вековые колебания. Напряженность магнитного поля Земли в среднем составляет около 40 А/м. Однако существуют внешние причины, возмущающие ГМП. К ним относятся электрические токи в ионосфере и окружающем Землю космическом пространстве. Особенно сильные изменения ГМП, называемые магнитными бурями, связаны с солнечной активностью.

Реакция клеток непрерывно меняется, причем растения реагируют не только на изменение величины магнитного поля, но и на его направление. Ученые считают, что в основе этой необычной связи лежит тот факт, что проницаемость клеточных мембран (фундаментальное свойство, определяющее гомеостазис живых систем) находится под непосредственным влиянием ГМП. Такая восприимчивость живых организмов к изменению геомагнитного поля связана, видимо, с особенностями протоплазмы живых клеток и с характерными свойствами входящей в ее состав воды. Еще в середине XIX в. итальянский ученый Дж. Пиккарди, исследуя ход физико-химических реакций в коллоидном растворе хлорида висмута, сделал вывод, что вода способна изменять свои свойства,

реагируя на постоянно изменяющиеся в пространстве силы гравитационного, магнитного, электрического полей.

Магнетизм — всеобъемлющее, глобальное свойство природы. Любое вещество, в том числе почва, при введении его в магнитное поле намагничивается. Это значит, что в веществе создается собственное магнитное поле, обусловленное свойствами и поведением его частиц.

Магнитные свойства почв связаны в основном с их твердой фазой, в состав которой входят первичные и вторичные минералы, а также органическое вещество.

Степень намагниченности вещества характеризуют вектором намагниченности J, который численно равен суммарному магнитному моменту всех частиц, заключенных в единице объема вещества.

Намагниченность образца возникает под действием внешнего магнитного поля. Для большинства веществ (однородных, изотропных) справедливо равенство

J=kH,
где A: — безразмерный коэффициент (магнитная восприимчивость); Н— напряженность внешнего магнитного поля. Единица напряженности магнитного поля и намагниченности в системе СИ — 1 А/м (ампер/метр).

Численное значение магнитной восприимчивости к равно среднему магнитному моменту единицы объема вещества, приоб­ретаемому в магнитном поле единичной напряженности. Магнит­ная восприимчивость характеризует способность вещества к на­магничиванию.

Все вещества по их поведению в магнитном поле можно разде­лить на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

Диамагнетики. К ним относятся некоторые металлы (висмут, серебро и др.), сера, фосфор, вода, большая часть органических соединений, а также ортоклаз, кварц, диоксид углерода, метан. Вещества этой группы отличаются тем, что их магнитная воспри­имчивость отрицательна ( к 1), мала по абсолютной величине и колеблется в пределах (3,8—11,3) • 10 -6 СИ. Это значит, что диа­магнетики слабо намагничиваются, магнитное поле в них слабее, чем в вакууме. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не за­висит от температуры. Типичные представители диамагнетиков в почвах — кварц, каолинит, гипс, ортоклаз, кальцит, органическое вещество.

Парамагнетики — это вещества, у которых магнитная воспри­имчивость также мала по абсолютному значению, но положитель­на (к> 1) и находится в пределах (12,6—11,3) • 10 -6 СИ. Они на­магничиваются в направлении внешнего поля. Магнитное поле в парамагнетиках немного больше, чем в вакууме. С ростом тем­пературы магнитная восприимчивость к парамагнетиков убывает:

к = С/Т, где С — константа, зависящая от рода вещества; Т — ем­кость катионного обмена, мг-экв/100г почвы. Парамагнитными компонентами почвы являются авгит, биотит, гематит, сидерит, до­ломит, лепидокрокит, мусковит, монтмориллонит, вермикулит и др.

Диамагнетизм и парамагнетизм — это очень слабые проявления магнетизма: относительное изменение магнитного поля при этом составляет 1 — 100 милионных долей.

Ферромагнетики и ферримагнетики. Это сильномагнитные кри­сталлические вещества, для которых А: > 1: базальты, андезиты, габбро, магнетит, маггемит. Магнитная восприимчивость их высокая: (3,15—6,05) ■ 10 -3 СИ у базальтов, андезитов и до (37,8—100,8) • 10 -3 СИ у магнетита, маггемита. К ферромагнит­ным компонентам почв относятся минералы, содержащие железо, никель, кобальт, титан, железоорганические и другие соединения (магнетит, гематит, маггемит, ильменит, лимонит, лепидокрокит, гидролепидокрокит, гетит, гидрогетит).

Таким образом, магнитная восприимчивость почв складывается из магнитной восприимчивости диа-, пара- и ферромагнетиков.

Намагниченность диа- и парамагнетиков линейно зависит от внешнего поля Н, у ферромагнетиков эта зависимость сложная: уже в слабых полях наступает магнитное насыщение, при котором намагниченность J достигает некоторого предельного значения (Js = Jmax) и перестает зависеть от Н. При устранении намагничивающего поля ферромагнетики сохраняют остаточную намагниченность Jr. Чтобы их размагнитить, нужно приложить противоположное поле величиной — Нс называемой коэрцитивной силой.

Для физической характеристики почв и грунтов определяют объемную (к), удельную (%) намагниченность, намагниченность насыщения (Js), остаточную намагниченность (/г), коэрцитивную силу (-Нс), гистерезисную петлю.

Магнитная восприимчивость к — наиболее изученная характеристика почв. А. А. Лукшиным и Т. И. Румянцевой установлено, что % для разных типов почв и их генетических горизонтов является характерной физической величиной. Максимальное значение ее — в красноземах (на базальтах и андезитах) и черноземах, минимальное — в почвах тундры и во всех гидроморфных. Величина х может служить индикатором ряда элементарных почвенных процессов (оглеение, оглинение, осолодение), для изучения железистых минералов в почве — их миграции и трансформации в процессе почвообразования.

Количественный и качественный состав ферромагнитных компонентов в почвах изменяется и зависит от процесса почвообразования. Развитие дернового процесса почвообразования связано с образованием в почве ферромагнитных минералов с высокой магнитной восприимчивостью. При развитии подзолистого и глеево-го процессов почвообразования магнитная восприимчивость, как у парамагнетиков.

Величины магнитной восприимчивости для верхних гумусовых (пахотных) горизонтов автоморфных почв отражают зональные и региональные особенности почвообразования. Эти особенности в большой степени зависят от интенсивности и качественной направленности гумусово-аккумулятивного процесса, в результате которого происходят количественные и качественные изменения ферромагнитных минералов. Значения магнитной восприимчивости возрастают от дерново-подзолистых к серым лесным почвам. Черноземы имеют наиболее высокие значения магнитной восприимчивости, в каштановых почвах величины магнитной восприимчивости ниже, еще ниже они у сероземов.

На снижение значений магнитной восприимчивости заметно влияют процессы оподзоливания и оглеения, еще более — гранулометрический состав, развитие плоскостной водной эрозии и наличие свободных карбонатов.

Каждый тип почвы характеризуется своим магнитным профилем, т. е. закономерностями изменения магнитной восприимчивости по генетическим горизонтам. Профильную кривую магнитной восприимчивости в основном определяет илистая фракция, в которой сосредоточены в дисперсном состоянии ферромагнитные минералы.

Показатели магнитной восприимчивости имеют положительную корреляцию с содержанием гумуса, величиной обменной кислотности, суммой обменных оснований, степенью насыщенности почв основаниями, содержанием физической глины, т. е. с показателями, при которых произошли количественные и качественные изменения ферромагнитных компонентов почвы.

На основе изменений магнитной восприимчивости разработаны магнитометрические способы диагностики почв, определения их качественных показателей.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение естественной радиоактивности почв. Чем она вызвана?

2. Какими явлениями обусловлена искусственная радиоактивность? 3. Приведите агрономические приемы, снижающие опасность радиоактивного загрязнения сельскохозяйственной продукции. 4. Перечислите диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные элементы твердой фазы почвы. 5. Назовите основные показатели магнитных свойств почв и дайте им определения.

Источник