基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化研究进展

基于微生物或脲酶诱导碳酸钙沉淀（MICP/EICP）的土体固化技术是近年来岩土和地质工程领域的研究热点之一。在系统回顾基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化技术发展历程的基础上,重点阐述了MICP/EICP固化机制、土体孔隙结构、菌液和脲酶性质、胶凝液性质和固化方式等方面对碳酸钙特性影响的研究进展。研究结果表明：土体孔隙越小,越不利于微生物或脲酶入渗,固化均匀性越差;土颗粒接触点越多,可为碳酸钙提供的沉积点位越多,碳酸钙与土颗粒间的黏结和桥接作用越强,固化效果越好;一定菌液或脲酶浓度或脲酶活性范围内,碳酸钙的生成速率和生成总量随浓度及活性的增大而增大,但过高的浓度或活性易导致碳酸钙生成速率过快,从而在土体注入端发生堵塞;低浓度胶凝液得到的碳酸钙晶体更小,在土体中的分布更均匀;采用合适的注浆饱和度可提高具有黏结作用的碳酸钙的占比;采用多层交替注入或单相低pH值注入可提高碳酸钙在试样中分布的均匀性。基于碳酸钙沉淀特性的影响因素,提高固化土体的均匀性,验证其耐久性,室内试验结果在现场尺度的适应性和改进方案应该成为以后研究的重点。     

微生物胶结砂岩型铀矿砂的抗渗性能试验研究

地浸采铀产生的污染物通过渗透迁移作用威胁地下水资源,已成为制约地浸采铀技术发展的瓶颈,而微生物胶结技术能有效地降低砂岩铀矿的渗透性,是目前抑制污染物向采区周围地下水迁移的有效方法。因此,选用巴氏芽孢杆菌,分析其耐酸性;利用自行研制的砂岩型铀矿砂渗透系数试验装置,测得不同胶结液浓度、不同菌液与胶结液体积比以及不同注浆轮次条件下砂岩型铀矿砂的渗透系数,确定其最优的参数配比;采用扫描电镜（scanning election microscopy,简称 SEM）和X射线衍射光谱（X-ray diffraction,简称 XRD）等设备,表征微生物胶结前后铀矿砂的矿物成分及其微观结构,研究其微生物胶结抗渗机制。研究结果表明：巴氏芽孢杆菌在 pH = 4 时仍具有较好的繁殖能力和脲酶活性,能适应铀矿砂的酸性环境;在一定范围内增大胶结液浓度、菌液与胶结液的体积比可以促进碳酸钙的生成,最佳的胶结液浓度为 1 mol/L、菌液与胶结液体积比为1:3、注浆轮次为7时,注浆后铀矿砂的减渗率达到 95.33%;胶结后铀矿砂的渗透系数随注浆轮次的增加而降低,经过11轮注浆后铀矿砂的减渗率高达99.75%,渗透系数下降到 2.8×10⁻⁵ cm/s;沉积的碳酸钙晶型主要为方解石,方解石堵塞铀矿砂粒间孔隙,并将矿砂颗粒胶结成整体,是铀矿砂渗透系数降低的主要原因。微生物诱导碳酸钙沉淀胶结铀矿砂的抗渗机制为控制和减少地下水污染提供重要的理论指导。     

酶诱导碳酸钙沉淀加固遗址土动力特性试验研究

中国西北地区地震频发,土遗址长期受到地震活动的不利影响。为了研究酶诱导碳酸钙沉淀技术（EICP）加固遗址土的动力特性,对1.55、1.65、1.75 g/cm³这3种初始干密度的遗址土进行EICP处理,并设置未经EICP处理的对照组。开展了不同围压、振动频率下的动三轴试验。结果表明：在相同动应力作用下,相比对照组,试验组的动应变更小,耗散的能量更少,阻尼比更小;在EICP加固后,随着干密度、围压、振动频率增大,可以降低动应变的产生,但这种效果依次减弱。动本构关系符合Hardin模型,干密度、围压、振动频率对模型参数a（动弹性模量）的影响程度逐渐减小;微观分析发现,EICP加固后,碳酸钙沉淀在土颗粒表面附着,填充孔隙,并与土颗粒相互胶结成致密结构,土体结构强度增强。     

微生物诱导碳酸盐岩沉淀过程及作用机理

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcium carbonate precipitation, MICP)是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程。由于MICP具有反应速度快、环境条件要求低、应用范围广、温室气体减排效应显著等特点,在地质、土木、水利、环境多个领域中广泛推广应用。文章在分析国内外相关研究成果的基础上,归纳整理出反硝化过程、硫酸盐还原作用、尿素分解作用等多种微生物诱导下碳酸钙矿化途径和作用机制。以尿素分解菌为代表,重点讨论微生物诱导碳酸盐沉淀过程中pH、温度、离子浓度等环境因素对生成矿物晶型晶貌等方面的影响,总结了MICP的环境应用机制,即环境中的重金属元素通过替换作用替换矿化矿物中的Ca2+或CO₃2?从而被固定。MICP作为一种简单高效的地质环境过程,在生态环境修复领域具有广阔的应用前景。      

豫西苗岭统馒头组二段皱饰构造与遗迹化石共生特征*

埃迪卡拉纪以来,微生物与后生动物之间呈此消彼长的关系,但在寒武纪苗岭世却出现了微生物成因沉积构造和后生动物扰动构造短暂共存的现象。笔者在豫西馒头组二段下部识别出包括皱饰构造与微生物席裂构造在内的2种微生物成因沉积构造,对皱饰构造与遗迹化石的共生关系进行了分类,建立了席上足辙迹(Monomorphichnus henanensis)与牧食迹(Jinningichnus badaowanensis)、席下水平漫游迹(Planolites montanus)、席下深层泥岩中生物扰动共3种微生物席与后生动物的共生模式和生态演化模型。上述研究表明,具有特殊环境耐受性的“机会主义”动物在食物来源较为宽松的潮坪环境中与微生物席共存,这种微生物席与后生动物短暂而“和谐”的共存关系不仅延续了埃迪卡拉纪双方的部分共生特征,且在以混合底为主导的显生宙生态环境中得到了进一步变化与发展。     

南海–东印度洋海域微生物气溶胶空间分布特征

通过走航观测对南海–东印度洋海域的大气细颗粒物(PM_2.5)(共49个)进行采集,使用DAPI染色荧光显微技术获得微生物气溶胶浓度,开展微生物气溶胶在该海域空间分布特征的研究。结果显示,微生物气溶胶浓度范围在2.14×10⁴～5.93×10⁶ cells·m^-3之间,空间分布明显不均衡,即东印度洋>海峡>南海。在东印度洋海域,微生物气溶胶浓度变化幅度较大,以赤道为界,总体呈现北高南低的趋势。微生物气溶胶的粒径主要分布在0.37～2.5μm之间。南海、海峡和东印度洋赤道以北样品中原核生物占比较高,约65%;而在东印度洋赤道以南,真核生物占比则升高至近50%。最后,本研究根据东印度洋海域微生物气溶胶的差异,对其来源开展研究,揭示了海洋生物分布、海洋环境要素以及人为源远距离传输等因素对于开放海域微生物气溶胶浓度的影响。     

地质微生物响应地质环境变化的若干问题--兼论环境代用指标的应用

微生物能够通过改变细胞膜脂类成分而灵敏地响应地质环境条件的变化,使得人们建立了一系列微生物的古环境代用指标。应用比较广泛的古温度定量化指标包括藻类的长链烯酮U_(37)~k、古菌甘油二烷基甘油四醚的TEX_(86),以及细菌甘油二烷基甘油四醚的MBT/CBT等。然而,由于缺乏生理学和生态学分析,人们在应用微生物的环境代用指标时不断发现适用性问题。论文重点从微生物对环境响应的化学过程、生理范围和生态效应这三方面分析了一些环境代用指标在应用时需要考虑的多指标相互验证、线性范围和灵敏度,以及地区性差异等问题。微生物通过脂类响应环境变化有多种化学方式和途径可以实现,使得许多代用指标可以相互验证。微生物对地质环境的生理响应是有线性范围的,这决定了微生物脂类的环境代用指标的灵敏度大小。而微生物对环境因子的生态响应则决定了代用指标的应用存在地区性差异。某种环境的微生物活动往往受到一些限制性因子控制,相应地一些微生物脂类的环境代用指标也主要响应这些限制性环境因子的变化。微生物的古环境代用指标的应用不仅需要了解微生物通过脂类响应环境变化的化学机理,更要了解相应微生物的生理学和生态学原理。     

塔里木盆地柯坪地区肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层成因

微生物碳酸盐岩储层是油气地质学研究的重要领域,针对古老深埋的塔里木盆地肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩存在的优质储层争议和储层成因问题,通过野外观察、剖面测量、密集取样、物性测试、薄片分析和CT扫描等手段,对柯坪野外露头区的肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩储层进行了系统调查与分析。结果表明,肖尔布拉克组的优质微生物碳酸盐岩储层为具有亮晶凝块结构的层状凝块石建造,其储层孔隙度最大值为9.35%,孔隙度介于2.69%~9.35%之间的比例为70.3%,平均值为5.07%,且其储层孔隙度和平行渗透率具有极好的线性正相关性。这些优质储层的储集空间类型包括粒间孔、晶间孔、粒间溶孔、晶间溶孔、扩溶孔和溶洞6类。潮下带上部高能原始沉积环境中形成的亮晶凝块结构为优质储层的形成提供了微生物沉积作用上的先决条件;热液溶蚀作用形成大量大孔径的组构非选择性扩溶孔和溶洞则是优质储层形成过程中至关重要的成岩作用过程,极大地提高了层状凝块石建造的孔隙度。这将进一步深化对肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层类型和成因的认识。     

四川汉源-峨边地区上震旦统灯影组藻白云岩特征及成因研究

"藻白云岩"术语的提出已有五十年历史,震旦系藻白云岩以其巨大的厚度,精美的原生结构、构造,以及丰富的微生物化石和矿产资源而闻名,但至今其成因仍存在争议。以四川汉源-峨边地区上震旦统灯影组藻白云岩为研究对象,对其宏观的剖面、岩石学、原生构造特征,微观的白云石和微生物化石形态、原生结构特征,以及相应的地球化学特征进行了详细研究。结果表明:研究区灯影组藻白云岩为一套在潮坪和潟湖环境下形成的微生物（碳酸盐）岩的岩石类型组合,以藻黏结型的叠层状、纹层状、葡萄状和均一状（藻）白云岩为主要的次级类型;藻白云岩中主要发育原生的隐晶状微生物白云石和次生的纤维状拟晶白云石,其形成与蓝细菌、硫酸盐还原细菌、中度嗜盐好氧细菌和红藻等微生物的矿化作用密切相关:沉积-同生阶段,主要由微生物诱导矿化作用形成大量纳米似立方体粒状和（亚）微米级片状微生物白云石,同时共（伴）生纤维状文石和高镁方解石;同生-准同生阶段,主要由微生物影响矿化作用形成纳米球粒状和微米级不规则状、球状和卵状微生物白云石,同时纤维状文石和高镁方解石因微生物催化矿化作用和拟晶白云石化作用形成纤维状拟晶白云石;随后微生物白云石与拟晶白云石一起组成具纹层状、叠层状、均一状等构造的藻白云岩。对藻白云岩特征及成因的研究有助于理解微生物-矿物交互作用和过程的复杂性、多样性,也为前寒武纪微生物矿化作用、微生物白云石和拟晶白云石研究提供了新的实例。