希瑟·海恩斯,一个Susithra看到,b安妮玛丽奥克福德,cElisa Vignaga一个和威廉·m·福尔摩斯d
一个水学院,英国赫瑞瓦特大学
b英国剑桥大学化学工程与生物技术
c土木工程,英国格拉斯哥大学
d格拉斯哥实验核磁共振中心,英国格拉斯哥大学。电子邮件:(电子邮件保护)
介绍
描述的表面和次表面沉积学一直是河流砾石层研究人员感兴趣的。表面结构的确定是很重要的,因为它施加控制床粗糙度,near-bed水力学和颗粒夹带运输。1同样,地下结构的解释和流动床渗透率的分析至关重要,污染物的命运并维持健康的hyporheic生态。2例如,许多无脊椎动物(如蜉蝣,石蚕)和鱼(如鲑鱼)产卵河床表面以下,和依靠地下流动提供必要的氧气和营养。虽然表面湍流流驱动这些小地下流,他们还可以传达沙子和淤积堵塞地表和地下孔隙空间。减少地下流可以饿死鸡蛋的氧气,幼虫或青少年不出现。这是在苏格兰河流砾石层尤其关键,沉积物供给和沉积的上升(砂浆和金沙)是导致野生鲑鱼的急剧下降。
为了更好地了解这种flow-sediment-ecology交互在河流系统中,实验进行了使用长矩形流坦克被称为“槽”,见图1 a和1 b。在这里,传统的技术分析沉积物结构通常受限于一维(1 d)和二维(2 d)方法,如取心、摄影等等。即使能够获得更先进的技术(如激光位移扫描),这些往往是局限于成像沉积物表面的床上。使用磁共振成像(MRI)克服这些限制,为研究人员提供一种非侵入性技术来提供新颖的三维(3 d)时空数据的内部孔隙结构。此外,重要的地下流可以被添加了MRI造影剂表面流动的水。
图1所示。A、B油烟大传统液压槽(15米长×宽-1.8米,深0.45米×0.3)。C显示了初始粗砾石床表面的照片。D显示了砾石床后从流水沉积的沉积物。高分辨率非原位MRI进行河床的街区。E截面MRI显示细砾只有浸润上面几层的床上。F而细沙子导致更深的渗透影响更多的孔隙空间。(海恩斯et al . 2009年)
磁共振成像
磁共振成像是基于核磁共振(NMR)的现象,由爱德华·珀塞尔在1945年独立发现和菲利克斯•布洛赫。核磁共振扫描仪和核磁共振光谱仪共享相同的硬件和电子;都使用一个大型静态磁场,B0样本中,诱导核磁化和脉冲射频辐射的激发。3许多细胞核(如1H,13C,23Na,31日P)拥有核自旋角动量和给一个核磁共振信号,虽然1H核主要是用于核磁共振(主要是水)中,它给最高的信号和天然丰度高(99.9%)。由于内在的核自旋角动量,净磁化进动的静态磁场(B0),旋进的频率w0=ƳB0,Ƴ磁旋常数。在核磁共振光谱半岛综合体育官方APP下载德甲学,旋进的频率的微小差异(如化学位移,J耦合)给原子核的位置信息在一个分子中,从而使分子结构确定的核磁共振光谱。在磁共振成像的情况下,额外的硬件称为“梯度”用于添加一个小样本线性梯度磁场。和曼斯菲尔德发现,1973年,Lauterbur执行核磁共振这种磁场梯度的存在,有效地与原子核进动频率的空间位置。这种洞察力使核磁共振成像技术的发展,在临床诊断中具有重要的应用价值> 25000全球临床磁共振成像系统。然而,MRI发现许多其他应用程序从心理学研究使用功能性核磁共振化学工程和研究多孔介质中传输。4
细沉积物渗透到砾石床用传统槽(非原位MRI)
许多因素影响砾石河床淤积过程,包括颗粒大小和分布、孔隙大小、浊度、当地孔隙结构和near-bed速度和湍流流动。为了更好地理解细泥沙淤积河床结构的影响,我们进行了一系列大型水槽实验。在这里,一个玫瑰石英岩性粗砾石床是17毫米粒径。玫瑰石英被使用由于其低重金属含量,减少在MRI图像失真。通道是倾向于在1:200梯度与水流在7.7 L s1;在这个流量粗砂砾框架本身是不动的。实验被进行喂养细砾石(2.4毫米直径)和金沙(0.5毫米直径)为固定时间流。5这些优良的沉积物水运输和分发,最终达成和解,渗透到粗砾石床。在每个试验中,部分床上的间接(即外部边缘的样本区域)与液态氮冷冻,切成块非原位核磁共振成像。这些块被成像7-Tesla力量Biospec系统使用三维快速收购放松增强(罕见)扫描分辨率300µm各向同性(回波时间11女士,罕见的因子8,重复时间5000毫秒,带宽200 kHz,体积的视野104×80×104毫米,每个样本扫描时间是21小时)。图1显示了示例照片表面和截面的高分辨率三维核磁共振数据集,这些图像先生强调不同的渗透行为的床不同的饲料谷物大小。金沙导致更深的渗透影响所有孔隙空间,而细砾导致渗透只上几层床的形成粗近地表“海豹”。此外,数据表明,有相当大的空间变化,罚款的积累;一些地区是完全或部分填满,而其他人仍然是空着的。6这显著影响当地的河床孔隙比和渗透性,对地下水力传导率至关重要负责含氧水的自由交流和删除hyporheic栖息地内的代谢废物。
核磁共振兼容的水槽(原位MRI)
为了充分利用核磁共振成像,我们构建了一个油烟水槽通过核磁共振成像扫描仪,从而允许串行原位成像的沉积过程和地下流。7水槽的兼容和安全在高磁场(7特斯拉)环境中,需要构建有色金属材料,即有机玻璃®聚(甲基丙烯酸甲酯)和铝。此外,水槽的大小限制了孔的核磁共振成像系统(15厘米)直径3米长矩形截面深6.2厘米×9.3厘米宽。这个装置允许我们方法的形象原位时间序列的特定于精细沉积、沉积和渗透过程见图2。此外,我们调查了地下流动通过添加钆对比剂(Gd二乙三胺五醋酸(diethylenetriaminepentaacetate)]水库。图3显示了串行T1磁共振成像;慢慢的钆对比剂渗透从表面流到更深的砾石床。这是增加的信号T1加权磁共振成像,测量地下流交换,渗透流速和深度,孔隙连通性等。此外,水槽是建于三个部分,这使得外面拆除和重建粒子图像测速技术(PIV)的核磁共振实验的流液压成像床上,见图2。
图2。一张照片的模长MRI-compatible浅水水槽内孔的磁共振成像系统。B侧面拍摄的照片显示的频道最初粗白云岩砾石床上覆盖着。C显示了水槽外面聚集的粒子图像测速技术显现的MRI上面的表面流动。
总结
我们已经表明,核磁共振可以用于结构分析的沉积物,两者兼而有之非原位和原位在实验槽。核磁共振兼容的水槽允许连续入渗过程的三维高分辨率成像和地下流动的可视化。此外,串行后MRI核磁共振扫描仪的水槽可以删除和重建,从而允许对“传统”耦合PIV和激光表面扫描相同的床上。能够使用核磁共振分析这种复杂的自然过程在四维(时间和空间)现在提供了一个激动人心的机会解开大量过程相关的更广泛的环境科学。
引用
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