《Water Resources Research》：Coupling MRI and XRCT to Resolve Structure–Transport Evolution During Enzyme-Induced Calcite Precipitation at the REV Scale
编辑推荐：
本研究的目的是理解酶诱导方解石沉淀（enzyme-induced calcite precipitation, EICP）如何改变多孔介质中的流动与输运过程，这对于开发可持续的土壤稳定、渗透性控制及地下水管理方法至关重要。为此，研究人员在代表性单元体（repr
本研究的目的是理解酶诱导方解石沉淀（enzyme-induced calcite precipitation, EICP）如何改变多孔介质中的流动与输运过程，这对于开发可持续的土壤稳定、渗透性控制及地下水管理方法至关重要。为此，研究人员在代表性单元体（representative elementary volume, REV）尺度上，采用将X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography, XRCT）与磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）相结合的双非侵入成像方法，研究了EICP过程中孔隙结构与水力特性的耦合演化。研究人员使用恒定流速注入，并以0.5 M CaCl?、0.5 M尿素和5.0 g L?1刀豆粉（jack bean meal）的溶液处理三个初始渗透率介于22×10?12 m2至25×10?12 m2之间的重复砂柱。在六个注入循环（175倍孔隙体积）中，渗透率下降超过三个数量级，而平均孔隙度仅从0.38温和降低至0.28。XRCT结果显示沉淀集中在入口附近，该处的表面积与体积比从0.055增至0.065 μm?1，迂曲度从约2.0升至约3.5。MRI测量显示相应的局部含水量和弛豫时间降低，其中T?从约1.5 s降至约1.0 s，T?从约50 ms降至约30 ms。联合成像结果表明存在两阶段沉淀过程：先是早期孔喉堵塞，随后是孔体逐渐变窄。这些发现证明渗透率损失不仅受孔隙度降低控制，还受沉淀分布控制。
**论文解读：耦合MRI与XRCT揭示REV尺度下EICP的结构–输运演化**
**1. 研究背景与问题**
土壤稳定和渗透性控制是岩土与环境工程中的关键挑战。传统机械加固和水泥、石灰等化学稳定剂虽有效，但存在能耗高、成本高、排放CO?及化学残留等环境问题。生物胶结技术，特别是酶诱导方解石沉淀（EICP），利用脲酶催化尿素水解生成碳酸根，与钙离子反应沉淀碳酸钙（CaCO?），被视为有前景的可持续替代方案。EICP通过改变孔隙空间显著影响渗透率、持水性和流动路径，但以往研究多基于批量实验或一维柱实验，难以在三维空间内直接观测沉淀的演化过程，通常只能通过出口化学或终点测量间接推断。因此，在代表性单元体（REV）尺度上定量耦合孔隙结构演化与水力输运特性仍存在知识空白。本研究旨在通过联合X射线计算机断层扫描（XRCT）和磁共振成像（MRI），解决EICP处理过程中沉淀分布如何控制渗透率演化这一核心问题。
**2. 研究内容与结论**
研究人员制备了三个重复的F32石英砂柱，初始渗透率为22.1×10?12至25.9×10?12 m2，采用恒定流速（0.01 mL s?1）共注入约175倍孔隙体积的胶结液（0.5 M CaCl? + 0.5 M尿素）和酶液（5.0 g L?1刀豆粉提取物），每个注入循环后进行MRI、XRCT成像和渗透率测量。结果显示，所有样品的渗透率下降超过三个数量级，而平均孔隙度仅从约0.38降至0.28。XRCT显示沉淀主要集中在入口附近，局部迂曲度从约2.0升至约3.5，表面体积比从0.055增至0.065 μm?1；MRI则显示入口附近含水量和T?、T?弛豫时间同步降低。联合成像揭示了两阶段机制：早期（0–90 PV）以孔喉堵塞为主导，导致连通性丧失和迂曲度显著上升，但孔隙度变化很小；后期（90 PV以后）以孔体逐渐变窄和表面粗糙化为主，对应T?下降和S/V增加。该研究首次在REV尺度上实现了结构参数（孔隙度、迂曲度、S/V）与输运敏感参数（含水量、T?、T?）的空间配准联合分析，证明渗透率损失主要受沉淀空间分布和孔喉连通性控制，而非单纯由平均孔隙度降低决定。
**3. 关键技术方法**
研究人员采用了三种主要技术：一是非侵入双成像方法，包括用于量化三维孔隙结构（孔隙度、迂曲度、S/V，体素分辨率8 μm）的XRCT，以及用于绘制水含量和弛豫时间（T?、T?）分布图的MRI（B?=4.7 T，面内分辨率0.14 mm）；二是基于X射线图像确定REV尺寸，通过评估孔隙度、迂曲度和平均孔径随立方子体积的收敛性，选定1.38 mm边长作为REV，将两组数据重采样至该尺度并利用参考管进行空间配准；三是恒定流速渗透率测量，结合高精度压力传感器记录压差，利用Darcy定律计算渗透率，并通过控制实验验证了无流动期间压力松弛源于无定形碳酸钙（ACC）向晶体形态的转变。
**4. 研究结果**
**4.1 渗透率测量**：三个重复样品的初始渗透率处于22.1×10?12至25.9×10?12 m2，最终降至0.0089×10?12至0.0148×10?12 m2，下降超过三个数量级。注入过程中压力上升，但每个循环起始压力低于上一循环结束压力，表明ACC转变释放水分并导致体积收缩。
**4.2 MRI结果**：含水量图显示入口附近出现并强化低含水量区；T?弛豫时间在早期（0–90 PV）轻微增加，后期明显下降，反映先从孔喉失去弛豫信号，随后孔体收缩增强表面弛豫；T?则呈全柱均匀下降，表明内部磁场梯度效应增强，沉淀使孔隙结构在整个柱内发生变化。
**4.3 XRCT结果**：分割图像显示沉淀从约90 PV起变得可辨，入口附近孔隙度下降最多（局部从0.37降至0.24），上部区域几乎不变，平均孔隙度从0.35降至0.28 cm3 cm?3。局部迂曲度和S/V在底部5–7 mm区域内显著上升。
**4.4 MRI与XRCT联合解释**：垂直剖面显示XRCT孔隙度与MRI含水量趋势一致，验证了两种成像方法。早期T?增加结合迂曲度上升、孔隙度变化小，表明孔喉堵塞导致连通性丧失；后期T?下降与S/V增加同步，且表面弛豫率ρ?基本不变，证实几何变化而非表面化学变化主导弛豫行为。入口局部化归因于ACC颗粒在孔喉处的机械截留和脲酶滞留，而非反应物沿程耗竭（单程尿素消耗仅约9%–10%）。
**4.5 孔隙度–渗透率关系**：归一化渗透率与归一化平均孔隙度数据呈现强非线性，幂律指数η在样品尺度为20–70，属于高值范围。若采用入口附近局部最低孔隙度代替柱平均孔隙度，η降至10–45，表明使用反映流动限制区的局部结构参数可显著改善预测。
**5. 讨论与结论**
研究表明，EICP过程中的渗透率演化由沉淀的空间分布、连通性和连续性共同控制，单一几何描述符或柱平均孔隙度不足以预测渗透率下降。两阶段机制——早期孔喉连通性丧失和后期孔体变窄——为孔网络模型和达西尺度反应输运模型提供了机理细节。该工作建立的MRI–XRCT联合工作流程可在REV尺度上解析结构–输运耦合演化，为生物胶结工程和水文地质应用中的渗透率预测提供了新方法。结论强调，将空间分辨或连通性描述符纳入孔隙度–渗透率模型，而非依赖整体平均的幂律拟合，是提高预测能力的关键方向。
