碳酸钙矿物广泛地分布在环境中,是沉积环境中最常见也是最重要的矿物之一。它也是一种非常重要的环境矿物,其矿化过程主要受化学作用和生物作用的调控。相关研究工作表明,一方面通过矿化过程形成的碳酸钙矿物可以作为反映不同时间空间尺度上环境变化的信息载体;另一方面,通过矿化过程形成的碳酸钙矿物同时还具有环境污染修复与治理的功能,其已经被广泛地应用于地下水污染治理、土壤污染原位修复及岩土工程改性等诸多领域。但是在化学矿化方面,目前传统研究主要针对在野外采集到的样品或在室内实验配制碳酸钙样品的结晶与矿化,对在不同饱和度条件下和不同多孔介质成分的矿化过程与影响研究多局限在二维尺度,对更能反映真实情况的三维表征与孔隙尺度的研究不足;在生物矿化方面,目前传统研究大多通过离心脱落沉淀等方法获取菌液中生成的矿物,无法实现对生物膜中所生成的矿物的原位无损可视化研究,更缺乏生物膜与碳酸钙矿物相互影响的研究。因此,研究碳酸钙矿化的过程及其影响机制具有重要的理论价值和现实意义。论文研究工作在大量查阅文献和实验数据分析的基础上,一方面通过碳酸钙化学矿化实验及X射线微断层扫描技术,并通过图像处理、数值计算实现了对碳酸钙化学矿化过程的化学分析和对多孔介质渗流特性的定量化分析;另一方面,借助针对微生物诱导碳酸钙矿化的原位实时无损可视化技术和生物膜渗透性和生物膜灭活响应实验,分析了生物矿化产物和碳酸钙生物矿化对生物膜的影响机制研究。论文的主要研究在于:1.通过室内碳酸钙化学矿化土柱实验,研究了不同饱和度条件下碳酸钙矿化溶液在单一组分多孔介质中的化学矿化过程。利用化学分析手段定量化分析了化学矿化过程中pH、总碱度、钙离子浓度、钠离子浓度、流量、压力差等参数的影响。与此同时,引入X射线微断层扫描技术对碳酸钙化学矿化样品进行扫描和三维重建,获得多孔介质在不同碳酸钙饱和度下的三维结构图像,从而实现对多孔介质中碳酸钙化学矿化过程的无损可视化研究。在此基础上,为提高研究精度,借助扫描电镜技术(SEM)分析了碳酸钙化学矿化过程所形成矿化物的形貌特征。2.通过室内碳酸钙化学矿化土柱实验,研究了单一饱和度条件下碳酸钙矿化溶液在多组分多孔介质中的化学矿化过程。研究中将化学分析、数值计算与图像定量化处理等手段相结合,分析了在化学矿化反应前后多孔介质中基质表面特性、矿化速率、孔隙度和渗透率等影响渗流特性的参数变化过程,开展了在孔隙尺度下碳酸钙化学矿化对多孔介质渗流特性的影响研究。3.通过设计一种新型结构的生物流通池反应器,结合共聚焦激光扫描显微镜与拉曼光谱显微镜,提出了针对微生物诱导碳酸钙矿化的原位实时无损可视化技术。在此基础上,分析了碳酸钙生物矿化产物的矿物学形态及成分、空间分布、矿化物与生物膜之间的相互作用等方面情况。4.通过开展碳酸钙生物矿化和非生物碳酸钙颗粒沉积两种作用下的生物膜渗透性和生物膜灭活响应实验,结合原位实时无损可视化技术成像,在分析碳酸钙生物矿化过程与非生物颗粒沉积后生物膜结构形态的变化、以上两种作用下的生物膜中溶质运移路径及对灭菌剂响应的不同的基础上,研究了碳酸钙生物矿化过程对生物膜的影响机制。以上研究结果表明,在化学矿化方面,利用X射线微断层扫描技术,并结合使用图像处理技术、室内土柱实验、化学定量分析与数值计算等方法,可以实现对不同碳酸钙饱和度及不同多孔介质基质组分条件下的碳酸钙矿化过程三维可视化,同时可以实现矿化过程对多孔介质渗流特性参数影响的定量化研究;在生物矿化方面,基于独特设计的生物流通池反应器,结合共聚焦激光扫描显微镜与拉曼光谱显微镜可以实现对碳酸钙生物矿化过程的原位实时无损可视化分析,通过成像分析发现,矿化产物的形成改变了生物膜原有的结构、渗透性等特性,因此可以通过碳酸钙生物矿化对生物膜进行调控。