Szemcseméret meghatározásra alapuló kutatásaink során lettünk figyelmesek a manapság rutinszerűen használt, "legmodernebb" granulometriai módszerek nagyvonalúan ignorált problémáira. Ekkor született meg a gondolat, hogy szemcseméret meghatározást, mint az egyik legalapvetőbb vizsgálati módszert (mind természetföldrajzban, mind üledékföldtanban, mind egyéb, nem földtudományi területeken, pl.: gyógyszeripar, cementgyártás) kritikusan bemutassuk a kutatói társadalomnak.
Célunk, hogy módszertani kutatási eredményeink minél több kollégához eljussanak, hiszen az elmúlt években, a modern szemcseméret meghatározási vizsgálatok viszonylag könnyen elérhetővé váltak a kutatók számára. A méréstechnológiai fejlődés azonban úgy tűnik – egyes tudományterületeken –, megelőzi az azt alkalmazók háttértudásának bővülését.
A módszertani kérdéseket boncolgató publikációinkban bemutattuk a lézer diffrakciós (Varga et al., in press) és az automata statikus képfeldolgozáson (Varga et al., 2018) alapuló szemcseméret meghatározás legfőbb problémaforrásait, valamint a granulometriai adatok értelmezési problémáit:
- Varga, Gy., Gresina, F., Újvári, G., Kovács, J., Szalai, Z. (in press). On the reliability and comparability of laser diffraction grain size measurements of paleosols in loess records. Sedimentary Geology
- Varga, Gy., Újvári, G., Kovács, J. (2019). Interpretation of sedimentary (sub)populations extracted from grain size distributions of Central European loess-paleosol series. Quaternary International 502, Part A, pp. 60-70.
- Varga, Gy., Kovács, J., Szalai, Z., Cserháti, Cs., Újvári, G., (2018). Granulometric characterization of paleosols in loess series by automated static image analysis. Sedimentary Geology 370, pp. 1-14.
Lézer diffrakció
A hullóporos eredetű üledékek szemcsemérete fontos információkkal szolgál a múltbéli környezeti viszonyokról. Azonban csak a korrekt granulometriai adatok és mindazok helyes értelmezése adhat támpontot az üledékek képződésekor uralkodó szélviszonyokról (szélsebesség, szélirány, szezonális eloszlások, viharosság stb.), a forrásterület(ek) távolságáról vagy éppen a poranyag leülepedése utáni talajosodási, mállási viszonyokról.
Szemcseméret meghatározására leggyakrabban a lézerdiffrakció elvén működő műszereket használják. Azt azonban sokszor nem veszik figyelembe, hogy a
- (1) ezzel a technikával közvetett adatokat szerezhetünk a vizsgált minták szemcséinek (valamilyen típusú gömb-ekvivalens) méretéről;
- (2) a lézerfény törésének és elnyelődésének mértéke alapján észlelt jel szemcseméretté történő átalakítása kétféle optikai modell (Fraunhofer és Mie) alkalmazásával valósítható meg;
- (3) a Fraunhofer-elmélet esetében feltételezzük, hogy a szemcsék kellően nagyok (a lézer hullámhosszának mintegy 40-szeres) és opakok;
- (4) a Mie-elmélet esetében viszont előzetes információra van szükség a szemcsék anyagi minőségétől függő refrakciós-indexről és abszorpciós-koefficiensről;
- (5) ez azonban egy poliminerális közeg esetében egy kellően nehéz kérdéskör;
- (6) nem is beszélve a különböző készülékek eltérő viselkedéséről azonos beállítások mellett is.
A különböző gyártók, különböző műszereivel végzett összehasonlító mérések eredményei rávilágítottak, hogy ez az összehasonlítás nem is oly egyszerű kérdéskör. A különböző műszerek felépítése is eltérő, de az alkalmazott monokromatikus fény hullámhossza, a szemcseméret-tartományok száma és mérete is alapvetően befolyásolják az eredményeket. A mérések során Fritsch Analysette 22 MicrotecPlus, Horiba Partica La-950v2 és Malvern Mastersizer 3000 (Hydo Lv unit) műszerek adataira támaszkodtunk. A vizsgálat során paleotalaj- és löszminták szemcseméret eloszlását határoztuk meg.
Különösen a kisebb szemcseméret-tartományok esetében volt egyértelmű a különböző műszerek, különböző optikai beállításainak eltérése. Őskörnyezeti rekonstrukciók szempontjából viszont, éppen ez a legkisebb szemcseméret frakció az, amely a legtöbb információval rendelkezik a múltbéli változásokról.
Jelentős eltéréses adódtak az egyes gyártók, azonos beállítás mellett (, illetve általános értelemben is) mért adati közt. Mind a teljes mintára (d), mind az agyag (a) és kőzetliszt (b) frakciókra elvégzett összehasonlító részelemzések rámutattak, hogy elsősorban nem a minta anyagi tulajdonsága, és nem is az optikai beállítás, hanem a lézer diffrakciós készülék típusa a legfőbb tényező a szemcseméret alakulásában. Csupán a homok (c) esetében látható, hogy noha a műszertípus (színnel jelölt) szerint csoportosulnak a minták, de az egyes klaszterekben az azonos minta, különböző optikai beállítás mellett mért rekordjai csoportosulnak.
Automata statikus képfeldolgozás
A Malvern Morphologi G3-ID a hagyományos lézerdiffrakciós szemcseméret meghatározással szemben lehetőséget teremt a méreteloszláson túl a különböző szemcsék alakjának (pl. köralakúság; konvexitás), alakeloszlásának, illetve az alaktól függő további méretparamétereknek (pl. körekvivalens átmérő; hosszúság, szélesség; kerület, terület) mérésére. Mindezeken túl a szemcsék optikai paramétereit, fényáteresztő képességét, továbbá a Raman feltét segítségével a kémiai összetételét is elemezhetjük. Az automatikus több tíz vagy százezer szemcsén végrehajtott elemzések a hagyományos mikroszkópos elemzésekhez képest sokkal hatékonyabbak, objektívek, reprodukálhatók és nagyobb számú minta alapján készülnek a statisztikai elemzések, így robusztusabbak is. Ezeknek a kiegészítő méréseknek a segítségével a korábbi lézeres mérések bemenő optikai paramétereit optimalizálhattuk és így az üledékképződési viszonyokat jobban reprezentáló adatsorokhoz jutottunk.
A műszer automata méret-, alakeloszlás és optikai adatai, valamint a Raman feltéttel meghatározott kémiai összetétel alapján törmelékes eredetű üledékek és talajok (1) szemcseméret meghatározási módszereit ellenőrizhetjük, továbbá képződési folyamataikról és környezetükről szerezhetünk információkat mind (2) a múltbéli (lösz-paleotalaj rendszer), mind (3) a jelenkori (por-talaj rendszer) lerakódások esetében. Így lehetőséget teremt a detritális és a leülepedés után képződött szemcsék részarányának meghatározására, így a szedimentációs mechanizmust reprezentáló és a környezeti viszonyoktól függő proxyk elkülönítésére.
Aggregátumok eredete – üledékes vagy lerakódás utáni?
Az agyag- vagy finomkőzetliszt méretű szemcsékből összeállt durvább frakciójú aggregátumok eredetének problémája (poszt- vagy szingenetikus) jelentősen befolyásolja a szemcseeloszlási vizsgálatok eredményeinek értelmezését, környezetrekonstrukciókban való alkalmazását. Mindez alapján számos esetben felmerül a kérdés: szükséges-e a dezaggregálás? A mikroszkópos felvételeken az aggregátumok felismerhetőek, alaktani paramétereik alapján mennyiségük és eloszlásuk automatikusan meghatározható, ásványtani összetételük meghatározásával eredetük is tisztázható.
A poranyag származása és a hullóporos szedimentáció dinamikája
A törmelékes üledékes kőzetek szemcséinek alakja és alakeloszlása a szállító és/vagy ülepítő közeg típusáról, a szemcseméret szállító közeg erejéről, dinamikájáról, a szállítási távolságról, így a lehetséges forrásterületről szolgáltat primer adatokat. A szállítás közben a távolsággal a szemcseméret is folyamatosan változik, így a különböző, mérettől függő ásványos összetétel is; közvetett adatokkal szolgálva a szállítási távolságról.
A hullóporos eredetű üledékek szemcseeloszlás görbéinek matematikai-statisztikai módszerekkel (paraméteres függvény-illesztés, end-member modeling, klaszteranalízis) történő felbontásával, különböző eredetű (pl. porvihar, háttérpor, több forrásterületről származó, szezonálisan eltérő) üledékpopulációkat tudunk elkülöníteni. Az elméleti alapokon meghatározott üledékpopulációk helyessége a különböző méreteloszlású és ásványi összetételű szemcsék automatizált mikroszkópos valós elkülönítésével ellenőrizhetővé és pontosíthatóvá válik. A különböző méretű és méreteloszlású szemcsék más-más kiülepedési mechanizmussal kerül ki a légkörből, rakódik le és halmozódik fel a felszínen.
Őskörnyzeti proxyk pontosítása és módosítása
A szemcseméret vizsgálatok jellemzően gömbalakú szemcséket feltételeznek, és az eredmények valamilyen típusú ekvivalens gömbátmérőnek felelnek meg, így nem tekinthetők pontos értékeknek. A szemcsék alakja azok ülepedési sebességét is módosítja, befolyásolva így az ezekből származtatott környezeti paraméterek (pl. porfluxus adatok és a szemcsemérettől függő szedimentációs sebesség hányadosából képzett porkoncentráció becslés) értékeit.
A szemcseméret-eloszlás adatokból származtatott paraméterek detritális és posztdepozit „jelének” elkülönítése az automatikusan megállapított méret- és alakeloszlási részarányok felhasználásával valósítható meg. A mállási indexek és geokémiai klímafüggvények eredményei szempontjából fontos tudni a ténylegesen talajosodási folyamatok révén képződött ásványi összetevők részarányát a paleotalajokban. A különböző hosszúságú és éghajlatú interglaciálisok során a löszképződés befejeződése után is számolhatunk hullóporos szedimentációval, mely finomszemcsés poranyag hozzáadódás felmelegedési időszakot jelző paleotalajok ásványtani és granulometriai tulajdonságait is módosította. Egyes esetekben pl. a középső pleisztocén vörös, „terra rossa-jellegű” paleotalajok képződése kapcsán játszhatott ez a folyamat komoly szerepet a pedogenezisben. A méret-, alak- valamint ásványtani adatok alapján lehetőség van az agyag- és finomkőzetliszt méretű detritális eredetű szemcsék elkülönítésére.
Jelentős eltéréses adódtak az egyes gyártók, azonos beállítás mellett (, illetve általános értelemben is) mért adati közt. Mind a teljes mintára (d), mind az agyag (a) és kőzetliszt (b) frakciókra elvégzett összehasonlító részelemzések rámutattak, hogy elsősorban nem a minta anyagi tulajdonsága, és nem is az optikai beállítás, hanem a lézer diffrakciós készülék típusa a legfőbb tényező a szemcseméret alakulásában. Csupán a homok (c) esetében látható, hogy noha a műszertípus (színnel jelölt) szerint csoportosulnak a minták, de az egyes klaszterekben az azonos minta, különböző optikai beállítás mellett mért rekordjai csoportosulnak.
Automata statikus képfeldolgozás
A Malvern Morphologi G3-ID a hagyományos lézerdiffrakciós szemcseméret meghatározással szemben lehetőséget teremt a méreteloszláson túl a különböző szemcsék alakjának (pl. köralakúság; konvexitás), alakeloszlásának, illetve az alaktól függő további méretparamétereknek (pl. körekvivalens átmérő; hosszúság, szélesség; kerület, terület) mérésére. Mindezeken túl a szemcsék optikai paramétereit, fényáteresztő képességét, továbbá a Raman feltét segítségével a kémiai összetételét is elemezhetjük. Az automatikus több tíz vagy százezer szemcsén végrehajtott elemzések a hagyományos mikroszkópos elemzésekhez képest sokkal hatékonyabbak, objektívek, reprodukálhatók és nagyobb számú minta alapján készülnek a statisztikai elemzések, így robusztusabbak is. Ezeknek a kiegészítő méréseknek a segítségével a korábbi lézeres mérések bemenő optikai paramétereit optimalizálhattuk és így az üledékképződési viszonyokat jobban reprezentáló adatsorokhoz jutottunk.
A műszer automata méret-, alakeloszlás és optikai adatai, valamint a Raman feltéttel meghatározott kémiai összetétel alapján törmelékes eredetű üledékek és talajok (1) szemcseméret meghatározási módszereit ellenőrizhetjük, továbbá képződési folyamataikról és környezetükről szerezhetünk információkat mind (2) a múltbéli (lösz-paleotalaj rendszer), mind (3) a jelenkori (por-talaj rendszer) lerakódások esetében. Így lehetőséget teremt a detritális és a leülepedés után képződött szemcsék részarányának meghatározására, így a szedimentációs mechanizmust reprezentáló és a környezeti viszonyoktól függő proxyk elkülönítésére.
Egy háromdimenziós objektum - jelen esetben ásványi szemcse - méretének egyetlen egy mérőszámmal történő leírása bizonyos mértékű torzítást von maga után. A lézerdiffrakció esetében a fény törésének és elnyelődésének figyelembevételével, egy gömb-ekvivalens átmérővel közelítjük a mért szemcse méretét, melyet aztán térfogatszázalékban fejezünk ki. Eközben azt feltételezzük, hogy (1) a vizsgált szemcse gömb alakú és (2) ismerjük az optikai tulajdonságait (komplex törésmutatóját), ami egy poliminerális közegben már önmagában komoly leegyszerűsítésnek tekinthető.
A képfeldolgozáson alapuló szemcseméret meghatározás során a háromdimenziós objektumunk méretét egy kétdimenziós levetített kép paramétereivel közelítjük, leggyakrabban a kör-ekvivalens átmérővel. Egy anizotróp testről készült levetített kép (mérete és alakja) függ (1) a test alaktani paramétereitől (egyszerű testek esetében az elnyúltságot és laposságot reprezentáló oldalarányokkal jól definiálhatók), valamint (2) a test levetítési síkhoz viszonyított orientáltságától.
Az agyag- vagy finomkőzetliszt méretű szemcsékből összeállt durvább frakciójú aggregátumok eredetének problémája (poszt- vagy szingenetikus) jelentősen befolyásolja a szemcseeloszlási vizsgálatok eredményeinek értelmezését, környezetrekonstrukciókban való alkalmazását. Mindez alapján számos esetben felmerül a kérdés: szükséges-e a dezaggregálás? A mikroszkópos felvételeken az aggregátumok felismerhetőek, alaktani paramétereik alapján mennyiségük és eloszlásuk automatikusan meghatározható, ásványtani összetételük meghatározásával eredetük is tisztázható.
A poranyag származása és a hullóporos szedimentáció dinamikája
A törmelékes üledékes kőzetek szemcséinek alakja és alakeloszlása a szállító és/vagy ülepítő közeg típusáról, a szemcseméret szállító közeg erejéről, dinamikájáról, a szállítási távolságról, így a lehetséges forrásterületről szolgáltat primer adatokat. A szállítás közben a távolsággal a szemcseméret is folyamatosan változik, így a különböző, mérettől függő ásványos összetétel is; közvetett adatokkal szolgálva a szállítási távolságról.
A hullóporos eredetű üledékek szemcseeloszlás görbéinek matematikai-statisztikai módszerekkel (paraméteres függvény-illesztés, end-member modeling, klaszteranalízis) történő felbontásával, különböző eredetű (pl. porvihar, háttérpor, több forrásterületről származó, szezonálisan eltérő) üledékpopulációkat tudunk elkülöníteni. Az elméleti alapokon meghatározott üledékpopulációk helyessége a különböző méreteloszlású és ásványi összetételű szemcsék automatizált mikroszkópos valós elkülönítésével ellenőrizhetővé és pontosíthatóvá válik. A különböző méretű és méreteloszlású szemcsék más-más kiülepedési mechanizmussal kerül ki a légkörből, rakódik le és halmozódik fel a felszínen.
Őskörnyzeti proxyk pontosítása és módosítása
A szemcseméret vizsgálatok jellemzően gömbalakú szemcséket feltételeznek, és az eredmények valamilyen típusú ekvivalens gömbátmérőnek felelnek meg, így nem tekinthetők pontos értékeknek. A szemcsék alakja azok ülepedési sebességét is módosítja, befolyásolva így az ezekből származtatott környezeti paraméterek (pl. porfluxus adatok és a szemcsemérettől függő szedimentációs sebesség hányadosából képzett porkoncentráció becslés) értékeit.
A szemcseméret-eloszlás adatokból származtatott paraméterek detritális és posztdepozit „jelének” elkülönítése az automatikusan megállapított méret- és alakeloszlási részarányok felhasználásával valósítható meg. A mállási indexek és geokémiai klímafüggvények eredményei szempontjából fontos tudni a ténylegesen talajosodási folyamatok révén képződött ásványi összetevők részarányát a paleotalajokban. A különböző hosszúságú és éghajlatú interglaciálisok során a löszképződés befejeződése után is számolhatunk hullóporos szedimentációval, mely finomszemcsés poranyag hozzáadódás felmelegedési időszakot jelző paleotalajok ásványtani és granulometriai tulajdonságait is módosította. Egyes esetekben pl. a középső pleisztocén vörös, „terra rossa-jellegű” paleotalajok képződése kapcsán játszhatott ez a folyamat komoly szerepet a pedogenezisben. A méret-, alak- valamint ásványtani adatok alapján lehetőség van az agyag- és finomkőzetliszt méretű detritális eredetű szemcsék elkülönítésére.
Recens porhozzáadódás talajokhoz
Hasonlóan a pleisztocén interglaciálisokhoz a jelenkori talajképződési folyamatokban is szerepet játszhat a külső, finomszemcsés porhozzáadódás. A méret-, alak- valamint ásványtani adatok alapján lehetőség van az agyag- és finomkőzetliszt méretű detritális eredetű szemcsék elkülönítésére.
Hasonlóan a pleisztocén interglaciálisokhoz a jelenkori talajképződési folyamatokban is szerepet játszhat a külső, finomszemcsés porhozzáadódás. A méret-, alak- valamint ásványtani adatok alapján lehetőség van az agyag- és finomkőzetliszt méretű detritális eredetű szemcsék elkülönítésére.
A Kárpát-medencében kiülepedett jelenkori poranyag származása
A hazánk légkörét esetenként elérő nagy távolságról származó poranyag kiülepedése viszonylag kis mennyiségű minták begyűjtését teszi lehetővé, ez olykor a lézeres szemcseméret meghatározáshoz szükséges minimális mennyiséget sem éri el. A mikroszkópos méreteloszlás, a szemcsék egyenkénti ásványtani és a mérettől függő ásványos eloszlás adatai, kiegészítve a légtömegek mozgásának trajektória-számításaival, a lehetséges forrásterületekről szolgáltat adatokat.
A légköri por optikai tulajdonságai
A légkörben szállított ásványi por éghajlati rendszerünk aktív komponense. A sivatagi-félsivatagi terültekről évente légkörbe kerülő több milliárd tonna poranyag visszaveri, szórja és részben elnyeli mind a Napból érkező rövid-, mind a Föld felszínéről visszavert hosszúhullámú sugárzást; ennek mértéke számos más tényező (pl. porkoncentráció, szállítási magasság) mellett a szemcsék optikai tulajdonságaitól is függ. Mindezen paraméterek a szállítás során folyamatosan változnak a mérettől függő szedimentáció miatt. A begyűjtött szemcsék ásványtani és fényáteresztő tulajdonságai, és ezek mérettől való függősége a műszerrel meghatározható.
Szemcseméret adatok értelmezési problémái
Szemcseméret adatok értelmezési problémái
"Interpretation of sedimentary (sub)populations extracted from grain size distributions of Central European loess-paleosol series" című tanulmányunkban felhívtuk a kutató társadalom figyelmét arra, hogy a túlzott leegyszerűsítések jelentős problémákkal terhelik meg az adatok értelmezését, azaz (1) egyetlen mérőszámmal vagy egyszerű index-szel nem lehet kifejezni a komplex szemcseeloszlási görbe legfőbb jellemzőit; (2) egyetlen környezeti folyamatra nem lehet következtetést levonni szemcseméret adatok alapján, mivel az üledékek képződésekor uralkodó szélviszonyok (szélsebesség, szélirány, szezonális eloszlások, viharosság stb.), a forrásterület(ek) távolsága vagy éppen a poranyag leülepedése utáni talajosodási, mállási folyamatok együttes hatása alakítja ki a vizsgált minta granulometriai profilját.
A hullóporos szedimentációs mechanizmus két komponensének, a helyi eredetű, porviharokhoz kötődő durvaszemű frakcióinak és a nagytávolságokról érkező finomszemű háttérpornak a mennyiségét különböző módszerekkel vizsgáltam. A szemcseeloszlási vizsgálatokat alkalmazó nemzetközi szakcikkekben az egyszerű statisztikai mutatókon túl a paraméteres függvényillesztés, az end-member modellezés, valamint olykor hierarchikus klaszter-analízis módszerével oldják meg a különböző üledékpopulációk elkülönítését. Ezeknek a különböző eljárásoknak az eredményei eltérőek, de a látszólagos ellentmondás a probléma eltérő megközelítéséből adódik. A paraméteres függvényillesztés során a bemeneti adat egy minta, melyet a szedimentációs mechanizmus két komponensére bontunk, ezzel ellentétben az end-member modellezés a teljes mérési adatbázis kovariancia struktúráját egyszerre vizsgálja, melynek eredményeként adódó három végső tag súlyozásával az összes minta szemcseeloszlása kifejezhető. A három tag egy hosszabb időintervallum, három alperiódusának jellemző szedimentációját tükrözi, melyek szezonálisan váltották egymást, míg a paraméteresen elkülönített populációk az eolikus szedimentáció két fő mechanizmusát képviselik. A klaszter-analízis eredményei jellemzően az end-member elemzésekhez hasonló eredményeket nyújtanak.
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése
Megjegyzés: Megjegyzéseket csak a blog tagjai írhatnak a blogba.