论文链接：https://doi.org/10.3390/min15010091

论文标题：Discernible Orientation for Tortuosity During Oxidative Precipitation of Fe(II) in Porous Media: Laboratory Experiment and Micro-CT Imaging

期刊名：Minerals

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/minerals

在地下水与海水交汇的海岸带，一场肉眼不可见的微观“地质工程”正在悄然进行。当富含亚铁离子的地下水遇到富含溶解氧的海水时，会引发氧化沉淀反应，生成铁氢氧化物。这些沉淀物会像“水垢”一样堵塞多孔介质的孔隙，改变地下水的流动路径。然而，从微观孔隙（纳米到微米尺度）到宏观样本（厘米到米尺度）的流体动力学变化，一直是科学界的观测难题。昆士兰大学Alexander Scheuermann教授研究团队，发表于 Minerals 期刊的研究通过创新的微焦点计算机断层扫描成像技术，成功“直播”了这一过程，揭示了铁沉淀导致孔隙堵塞的三个阶段，以及流动路径从“直通车道”被迫转向“蜿蜒小路”的动态演变。

研究过程与结果

为了模拟海岸带地下水中铁沉淀的全过程，澳大利亚昆士兰大学的研究团队设计了一套精巧的实验装置。他们将直径为2毫米的玻璃珠填充进一个特制的注射器中，模拟均质的含水层。随后，通过蠕动泵以恒定速率同时注入富含亚铁离子的酸性淡水和富含溶解氧的碱性盐水。这两种溶液在注射器入口附近混合，触发了亚铁离子的氧化并生成铁氢氧化物沉淀。

整个实验持续了25天。研究团队不仅每日记录高清照片和流出液体的重量变化，更关键的是，他们利用高分辨率微CT扫描技术，在样本的代表性单元体积尺度上，对沉淀物的时空演化进行了“三维动态追踪”。

图：(a) 实验装置示意图。富含 Fe(II) 的淡水和富含溶解氧 (DO) 的海水通过蠕动泵共同注入，在入口附近形成 Fe 沉淀区。四个圆柱体通过软管连接到注射器，其重量读数由 Raspberry Pi 记录。流出物收集在放置在电子秤上的容积容器中。(b) 使用万豪瓶在恒定水头 (h) 下进行渗流试验的示意图。该试验用于在拆除实验装置后测定样品的渗透率。

实验图像和数据清晰地展示了铁沉淀及其对水流影响的三个典型阶段：

1. 初期阶段（0-10天）：松散“涂层”，流动可逆。在这一阶段，新生成的铁氢氧化物主要以低密度的水合形态存在，它们松散地包裹在玻璃珠表面，形成一层均匀的“涂层”。这些沉淀物具有一定的流动性，即使暂时堵塞了某些狭窄的孔喉，也会被水流冲开，导致通道的堵塞和间歇性地重新开放。此时，水流路径基本保持平直，主要从样本中心通过。

2. 中期阶段（10-20天）：积累“架桥”，路径偏移。随着沉淀反应的持续，铁氧化物不断累积，密度逐渐增加。它们开始在颗粒之间形成连接结构，如同在孔隙中“架起了桥梁”，导致样本中心区域的孔喉形成为“瓶颈”，渗透性显著降低。水流为了寻找阻力最小的路径，开始被迫绕道，从中心区域向注射器内壁附近转移。这一阶段，水流路径开始变得弯曲，部分沉淀物甚至被高梯度水力冲刷流出体系。

3. 后期阶段（20-25天）：全面“堵心”，蜿蜒成网。到了实验的最后阶段，样本中心区域的孔隙几乎被完全堵塞。水流被彻底逼向注射器内壁，形成了高度分叉、曲折的“树枝状”流动通道。一个关键的变化是宏观毛细数的急剧下降（从最初的3.0降至0.05），这标志着驱动水流的动力机制发生了根本性转变——由最初占主导的粘性力 regime 转变为了毛细力 regime。在毛细力主导下，水流更倾向于在细小、不规则的通道中蜿蜒前行。

研究总结

这项研究首次通过高分辨率成像技术，直观地揭示了铁沉淀如何从微观尺度开始，逐步重塑多孔介质的内部结构，并最终在宏观尺度上改变地下水的流动路径。研究团队提出的“曲折度定向”概念模型，清晰地描述了流动路径从中心向边缘偏移的动态过程。

这项发现不仅加深了我们对海岸带“铁幕”——这一天然地球化学屏障形成机制的理解，还为解决众多实际工程问题提供了新思路。例如，在预测海岸含水层污染物迁移、设计地下水人工回灌、以及评估二氧化碳地质封存的长期安全性等方面，都需要准确预估矿物沉淀导致的渗透性变化。

当然，研究团队也指出，实验室环境与复杂的自然界存在差距。真实的地下环境含有更多元的离子、更复杂的微生物作用以及介质的非均质性。未来，他们将结合微生物学、地球化学和更先进的数值模型（如TOUGHREACT等），将实验室尺度的发现逐步推广到现场尺度，更全面地揭示地下水系统中错综复杂的物理、化学与生物过程，为可持续的地下水资源管理和环境修复提供坚实的科学依据。

Minerals 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, University Bayreuth, Germany

期刊研究范围涵盖矿物学、矿物地球化学和年代学、经济矿物资源、矿物勘探、创新的采矿技术以及矿物加工等广泛领域。期刊现已被SCIE、Scopus等数据库收录。

2024 Impact Factor: 2.2

2024 CiteScore: 4.4

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Acceptance to Publication: 2.6 days