自然界中广泛存在的微生物深度参与了各类地质过程，其中微生物诱导碳酸盐沉淀（Microbially induced carbonate precipitation，简称MICP）作为常见的自然现象，在工程与环境领域启发了众多潜在的应用。碳酸钙在岩土体内部的时空分布对岩土体力学和渗透特性有着显著的影响。然而，微生物生命活动、流体迁移扩散、碳酸钙沉淀的阻塞效应等多种因素，共同导致了碳酸钙沉淀在时间和空间上的非均匀性，阻碍了MICP技术的推广应用。如何量化微生物诱导碳酸钙沉淀的时空分布情况，是理解MICP动力学机制，推动MICP技术发展的亟待解决的难题。
针对这一难题，永利官网唐朝生教授课题组通过前期研究，验证了直流电法在监测MICP改性土体过程的可行性，实现了微生物改性砂土全过程的持续精细监测（Zhang et al., 2024）。在近期研究中，进一步构建了直流电导率与碳酸钙体积分数之间的岩石物理模型，实现了微生物诱导碳酸钙沉淀时空分布过程的重建（图1），为理解MICP改性土体异质性问题的原因，掌握MICP改性土体动力学过程特征提供了新的见解。文章主要发现如下：
图1试验研究模型设置（a）和研究区的反演电导率（b）与实测碳酸钙含量（c）
1. 尿素水解与碳酸钙沉淀的竞争效应
微生物矿化反应中的尿素水解和碳酸钙沉淀对土体电导率具有竞争效应。尿素水解通过提高离子浓度主导了孔隙液驱替过程的土体导电性提升（图2），而碳酸钙沉淀则通过消耗离子和复杂化孔隙结构降低了土体导电性。在孔隙液连续流动的条件下，尿素水解、碳酸钙沉淀和孔隙液驱替三者耦合作用的最终结果是土体电导率的持续下降。
2. 胶结指数与碳酸钙体积分数正相关
微生物矿化处理前后的土体样品具有差异显著的胶结指数（Archie公式中的重要参数）。对比不同样品不同区域的胶结指数，可以发现胶结指数同沉淀碳酸钙的体积分数具有明显的正相关关系（图3）。引入胶结影响经验参数可拟合得到两者的量化关系，作为电导率与碳酸钙体积分数的岩石物理模型中的关键部分。
图3 微生物矿化处理前后的土体胶结指数变化
3. 流场和细菌活性影响MICP异质性
基于提出的电导率-碳酸钙体积分数岩石物理模型，可重建不同样品在MICP处理全过程中的碳酸钙空间分布特征（图4）。重建碳酸钙分布结果显示浆液流场和细菌脲酶活性是影响碳酸钙时空分布的两个重要原因。浆液流动的方向和路径影响了碳酸钙沉淀局部阻塞特征，而细菌活性影响碳酸钙沉淀的平均含量的增速。
图4 不同样品在MICP处理过程中的碳酸钙体积分数时空演化
上述研究成果近期以“Reconstructing the spatiotemporal distribution of microbial-induced carbonate precipitation using electrical conductivity tomography”为题，发表于工程地质领域权威期刊《Engineering Geology》，永利官网博士研究生章君政为论文第一作者，永利官网唐朝生教授，法国国家科学研究中心EDYTEM实验室André Revil教授为共同通讯作者。研究获得国家自然科学基金青A类延续、国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）、国家建设高水平大学公派研究生项目等项目资助。
论文信息：
Zhang, J.-Z., Tang, C.-S., Revil, A., Lv, C., Xu, J.-J., Lan, R.-Y., Zhou, Q.-Y., 2026. Reconstructing the spatiotemporal distribution of microbial-induced carbonate precipitation using electrical conductivity tomography. Eng. Geol., 366, 108689. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2026.108689.
Zhang, J.-Z., Tang, C.-S., Lv, C., Zhou, Q.-Y., Shi, B., 2024. Monitoring and Characterizing the Whole Process of Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation Using Electrical Resistivity Tomography. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 150, 04023132. https://doi.org/10.1061/JGGEFK.GTENG-11782.
图文：章君政
审核：唐朝生
