下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
本书主要包括以下研究内容。
使用碳酸盐岩图像分析岩溶法（以下简称图像分析法）的前提是，当地已经进行了较长时间的传统碳酸盐岩研究方法研究，积累了足够多的岩溶数据供图像分析法进行验证。如果研究区TCRM积累的数据不足以验证图像分析法的结果，就很难知道图像分析法岩溶研究的结果是否准确。图像分析法进行岩溶研究的原理是所有碳酸盐岩玻片的高度都是很小（注意是纳米级不是无穷小，自动机中不能用无穷小），且接近 0（但不是 0）的，所以可以近似地认为所有的碳酸盐岩玻片孔隙的高度都一致，这样玻片孔隙的体积占玻片总体积的百分比就等于孔隙底面积占玻片总面积的百分比，即计算体积百分比的三维问题变成了计算底面积的二维问题（因为孔隙的高度都是近似一致的，孔隙实际上近似底面不规则的圆柱体），必须先明白这个空间图形学转换才能继续本研究。由于玻片的总面积是固定已知的，可以用玻片图像的像素点总数替代，只要找到一种算法正确地识别出代表孔隙的像素点个数，二者相除就可以得到玻片的孔隙度，将本方法获得的孔隙度和TCRM获得的孔隙度或历史文档中同地层孔隙度对比，就可以知道本方法的结果（实际是筛选的算法）是否准确。
同一地点、不同时期利用图像分析法获得的岩溶发育速度的线性倍增关系应该和基于传统碳酸盐岩研究方法的室内岩溶模拟实验研究得到的岩溶发育速度的线性倍增关系是一致的。同一地点、同一时期利用图像分析法获得的孔隙度等碳酸盐岩指标和基于传统碳酸盐岩研究方法的室内岩溶模拟实验研究得到的孔隙度等碳酸盐岩指标应该是接近的。以基于传统碳酸盐岩研究方法的室内岩溶模拟实验研究已经得到的结果为目标对比值，就可以通过算法迭代修正图像分析法的算法，使图像分析法的结果逼近目标对比值。这样对新的碳酸盐岩样本使用两种方法得到的岩溶发育速度和孔隙度等碳酸盐岩指标应该是接近的。
碳酸盐岩图像分析岩溶研究是全新的岩溶研究方法，本书目前想到的是使用碳酸盐岩玻片获得碳酸盐岩的偏光显微图像，利用形式算法中的有穷自动机作为图像分析的算法获得黑白二值化处理的阈值区间，进而以碳酸盐岩玻片偏光显微图像的黑白二值化阈值处理结果为碳酸盐岩的孔隙度计算依据。图像分析是信息科学的重要组成部分，目前也取得了新的研究进展。所以本研究必须重视图像处理的科学进展，及时地将图像处理方面的最新研究进展引入碳酸盐岩图像分析岩溶研究中。目前在开源网站的图形图像处理的源代码很多，有很多免费的仅限非商业用途的源代码公开的控件、函数和动态链接库（DLL文件），这些开源代码都是图像分析领域的最新进展，在碳酸盐岩图像分析岩溶研究中要注意引用这些开源代码的最新成果，使碳酸盐岩图像分析岩溶研究跟上图像分析研究的最新进展。这些开源的图像分析控件、函数和动态链接库所要求的操作系统是不同的，要注意将碳酸盐岩图像分析岩溶研究的计算任务分解到服务器端和PC端。在服务器端运行的碳酸盐岩图像分析岩溶研究的计算任务应该注意结果的发布方式和权限设置，让服务器端的计算结果发布给所有有权限使用的碳酸盐岩研究人员共享。
碳酸盐岩图像分析岩溶研究应该将主要的研究、突破方向集中在碳酸盐岩的岩石孔隙度获取上。这是因为在岩石孔隙度获取上在图像分析领域有众多先例可以借鉴，如在地物和石笋模式识别方面。因此，借助于图像分析领域的最新研究成果，利用碳酸盐岩玻片的偏光显微图像以黑白二值化阈值处理的方式获得碳酸盐岩的孔隙度，是一件不是很困难而且可重复度比较高的研究方式。那么将以图像分析法获得的碳酸盐岩孔隙度和用TCRM获得的碳酸盐岩孔隙度相比，就可以迅速知道图像分析法获得的碳酸盐岩孔隙度是否正确。就像TCRM研究中同一采样地点、不同时期采集的碳酸盐岩样品的孔隙度有一定的倍率关系一样，利用碳酸盐岩玻片的偏光显微图像获得的碳酸盐岩孔隙度也应该存在一定的孔隙度倍增关系，因为两种研究方法的地学背景是一致的。以碳酸盐岩图像分析岩溶研究获得的孔隙度倍增关系，应该是接近于以TCRM获得的碳酸盐岩的孔隙度倍增关系的。如果二者之间的孔隙度倍增关系有比较大的差异，说明用碳酸盐岩图像分析岩溶研究的结果和用TCRM研究的结果有较大的出入。如果这一出入没有办法以目标逼近算法迭代的方式予以缩小，说明该碳酸盐岩采集地点的地学背景复杂，不太适合作为碳酸盐岩的图像分析岩溶研究的样品采集点。
在碳酸盐岩的岩溶研究指标值中，碳酸盐岩的孔隙度只是其中一个常用值。在碳酸盐岩的岩溶研究中，岩溶发育速度是一个非常重要的常用岩溶指标值。当地碳酸盐岩岩溶发育的速度可以定量地以岩溶发育速度（mm / ka）值直观地进行反应。在苏北碳酸盐岩地区的TCRM历史研究数据中，同一采样地点、不同采样时期的碳酸盐岩样品的孔隙度倍增值与碳酸盐岩样本的岩溶发育速度倍增值是较接近的。既然可以利用碳酸盐岩玻片的偏光显微图像以图像分析法获得碳酸盐岩的孔隙度进而获得同一采样地点、不同采样时期的碳酸盐岩样本的孔隙度倍增值，那么就可以用以前获得的碳酸盐岩样本的岩溶发育速度值，结合碳酸盐岩样本之间的孔隙度倍增值，迅速得到当前碳酸盐岩样本的岩溶发育速度值。为了确保研究人员所在的碳酸盐岩地区获得碳酸盐岩发育速度的正确率，可以利用碳酸盐岩的TCRM历史研究中已经加工了碳酸盐岩玻片的采集点数据进行测试，将以碳酸盐岩图像分析岩溶研究方式得到的碳酸盐岩岩溶发育速度的值和TCRM历史研究数据中的值进行对比，此外还应该进行两种研究方法的碳酸盐岩岩溶发育速度倍增关系的对比研究。如果以上对比的结果都是接近的，说明在当前碳酸盐岩地区使用图像分析法进行碳酸盐岩样本的岩溶发育速度研究是可行的。
利用图像分析法进行碳酸盐岩的孔隙度研究一定要有验证手段，基于传统碳酸盐岩研究方法的岩溶室内模拟实验研究是很好的验证手段。要进行基于传统碳酸盐岩研究方法的岩溶室内模拟实验研究首先要有研究用的岩石样本。由于基于传统碳酸盐岩研究方法的岩溶室内模拟实验研究是与图像分析法研究做对比研究，所以采样地点最好有较多的重复研究的历史记录，因此，本书将在沿用历史采样点的基础上，增加若干个采样点。为此本项目设计了室内模拟实验装置做基于传统碳酸盐岩研究方法的岩溶室内模拟实验研究。研究得到的结果将分别用于图像分析法的算法迭代和结果检验。
传统碳酸盐岩研究方法一般包括对碳酸盐岩的孔隙度、岩溶发育速度和单轴抗压强度等指标的研究。所以一个地区如果能进行较长时期的碳酸盐岩研究，则一定会积累比较丰富的碳酸盐岩孔隙度等指标数据。除了采样地点附近的地层判断、产状收集等工作，岩石断面的目视解译也是很重要的研究手段。为了配合碳酸盐岩断面的目视解译，有时会加工碳酸盐岩玻片用来采集碳酸盐岩的偏光显微图像，进行碳酸盐岩的岩性分析。所以在碳酸盐岩的TCRM研究中，也会收集碳酸盐岩玻片的偏光显微图像。由于碳酸盐岩样本体积较大，保存不易，碳酸盐岩TCRM研究中长期保存大量碳酸盐岩样本不常见，但碳酸盐岩玻片体积较小，可以使用玻片架或玻片盒保存，因此，碳酸盐岩玻片保存下来的概率一般都比碳酸盐岩样品大。有时在碳酸盐岩地区的岩溶研究中，我们会发现已经有碳酸盐岩玻片。因此，碳酸盐岩的TCRM研究是和碳酸盐岩图像分析岩溶研究的兼容度比较高的研究方法，碳酸盐岩的TCRM研究的结果数据中有时直接就能找到碳酸盐岩的偏光显微图像，可以直接供碳酸盐岩图像分析岩溶研究使用。
在碳酸盐岩的TCRM研究和碳酸盐岩图像分析岩溶研究进行对比时，有可能出现碳酸盐岩的TCRM历史研究数据中找不到碳酸盐岩图像分析岩溶研究使用的玻片对应的碳酸盐岩样本的TCRM历史研究数据。这是很有可能出现的状况，为解决这样的问题，可以采用室内模拟研究的方式对碳酸盐岩的TCRM历史研究数据进行补充。所有碳酸盐岩图像分析岩溶研究使用的碳酸盐岩玻片对应的碳酸盐岩样本，都应该至少有孔隙度、岩溶发育速度两个指标，这样才能将碳酸盐岩的TCRM研究和碳酸盐岩图像分析岩溶研究进行结果对比。为了减少碳酸盐岩室内模拟研究中的误差，一般在项目进行中应该保持研究人员的队伍稳定，尽量不更换研究人员。此外，还必须尽可能在项目研究中对不同的碳酸盐岩样品使用相同的碳酸盐岩室内模拟研究流程，尽量在相同的碳酸盐岩室内模拟研究装置上进行碳酸盐岩的室内模拟研究。碳酸盐岩室内模拟研究装置在研究中出现故障时，一般建议维修而不是更换（除非在继续使用中研究人员将面临人身安全问题时，一定予以更换全新室内模拟研究设备）。总之，每个用碳酸盐岩图像分析岩溶研究方法得到的碳酸盐岩岩溶指标值，如碳酸盐岩孔隙度、岩溶发育速度等，都应该有两个研究方法来源的值，进行对比验证。
碳酸盐岩的TCRM研究中如果发现当前碳酸盐岩样本需要进行室内模拟研究，一般属于在TCRM历史研究中没有研究数据的情况。如果先在TCRM历史研究数据中没找到碳酸盐岩的孔隙度等数据，然后进行了碳酸盐岩的室内模拟研究，以室内模拟研究的方式得到了碳酸盐岩的孔隙度等指标，但在之后的碳酸盐岩的TCRM历史研究数据整理时又找出了碳酸盐岩的岩溶指标数据，此时要仔细对比碳酸盐岩孔隙度值等指标，如果二者接近，说明室内岩溶研究结果正确，如果二者的值不接近，则需要将室内模拟研究重复一次，以室内模拟研究的值为最终TCRM研究值。碳酸盐岩的室内模拟研究要注意在室内压力与温度条件设置上尽量和TCRM历史研究数据中的记录一致，如果碳酸盐岩采样点当前的碳酸盐岩地层的温度与压力和碳酸盐岩的TCRM历史研究数据不一致，则使用当前碳酸盐岩地层的温度与压力值作为碳酸盐岩室内模拟研究的参数值。碳酸盐岩的室内模拟研究得到的岩溶发育速度和岩石孔隙度值等指标，如果和碳酸盐岩样本的单轴抗压强度值历史研究数据有较大的出入，则要仔细分析出入形成的原因，不能无视与碳酸盐岩单轴抗压强度值产生出入的原因，这些原因有可能对当地碳酸盐岩的岩溶发育过程是非常重要的，碳酸盐岩研究人员要高度重视。
微生物在岩溶碳、氮、硫物质循环过程中起着重要的作用，它既可以表现为微生物在能量获得过程中改变岩溶水的pH值，也可以表现在改变岩溶水的水化学过程。本书认为苏北岩层中的岩溶水中含有的各种微生物通过对当地碳、氮、硫物质循环过程进行改变，从而实现对当地岩溶过程的干预。在当地碳酸盐岩岩层中的岩溶水中，自养硝化菌、脱氮硫杆菌和自养硫化菌广泛分布。自养硝化菌和脱氮硫杆菌在硝化作用和反硝化作用过程中，改变了
和H
+
等阳离子的浓度，也改变了
和
等阴离子的浓度，从而改变了正常的岩溶溶蚀过程，改变了碳、氮、硫元素的循环过程。自养硫化菌在和岩溶水流过黄铁矿石表面的过程中，有可能改变了岩溶水中
和H
+
浓度，从而改变了正常的岩溶溶蚀过程，改变了碳、氮、硫元素的循环过程。由于自养硝化菌、脱氮硫杆菌和自养硫化菌在自身能量获得过程中，对岩溶水的H
+
含量应该会有改变，从而对碳酸盐岩地区的孔隙度有明显影响。
碳酸盐岩地区的岩溶微生物对碳酸盐岩地层的岩溶作用产生的影响主要表现为对岩溶水中H + 含量的影响。岩溶水中H + 含量会明显影响岩溶水的pH值，进而明显改变碳酸盐岩地层的岩溶作用。碳酸盐岩地层岩溶水中的岩溶微生物的来源多种多样，它们可能原本就分布在碳酸盐岩表层的岩溶土壤当中，由于碳酸盐岩地区岩溶土壤中的淋溶作用而进入岩溶水；也可能是循碳酸盐岩地层的孔隙进入碳酸盐岩地层深部的岩溶水。碳酸盐岩地层中的岩溶微生物可能伴随岩溶水在碳酸盐岩地层间的渗流，对地层深部的碳酸盐岩产生影响。碳酸盐岩地层中的岩溶微生物形成的代谢物，可能改变岩溶水中各种阴离子的含量，从而对碳酸盐岩地层间的岩溶作用产生影响。碳酸盐岩地层中岩溶水中的硝酸-亚硝酸根离子和硫酸-亚硫酸根离子对碳酸盐岩地层中的岩溶作用都有很大的影响。而这些碳酸盐岩地层中岩溶水中的硝酸-亚硝酸根离子和硫酸-亚硫酸根离子含量和岩溶水中的岩溶微生物有密切关系，有相当一部分阴离子是来源于岩溶微生物的生物作用的。
碳酸盐岩地层中的岩溶微生物研究方法很多，16S rDNA技术是比较常见的岩溶微生物研究技术。这项技术比较成熟，有很多应用先例，操作难度也不大，对研究设备和对重点高校的研究所而言也不是非常困难的要求。因此，16S rDNA技术是比较合适的碳酸盐岩地区岩溶微生物研究手段。碳酸盐岩地层中的岩溶微生物采集时要注意操作规范，值得注意的是，地理信息系统专业的硕士研究生没有经过微生物研究培训，在抽滤瓶使用等方面最好先进行简单的技术培训。利用 16S rDNA技术进行碳酸盐岩地区岩溶微生物研究时，要注意岩溶微生物研究岗位的预先编制，研究岗位一经确定，研究过程中不宜随便变更研究人员的研究岗位。用 16S rDNA技术进行碳酸盐岩地区岩溶微生物研究时，获得的岩溶微生物原始研究数据，要注意数据存储方式，尽量选择所有研究人员都熟悉的数据库进行数据存储。所有的岩溶微生物研究的原始数据尽量选择硬盘阵列方式保存，以确保原始数据的存储绝对安全。在研究团组内部进行数据复制时，要注意复制数据的U盘或移动存储设备不要丢失，研究团组内部可以使用NAS主机作为云存储手段。
利用 16S rDNA技术进行碳酸盐岩地区岩溶微生物研究时获得的岩溶微生物原始研究数据，如果用表格的方式直接面向读者发布，则数据的可读性较差，有些较重要的数据，读者不一定能明白其重要性，所以一定要重视岩溶微生物研究的原始研究数据的可视化表达。当碳酸盐岩地区用 16S rDNA技术进行岩溶微生物研究结束时，应尽可能地选择可视化程度比较高的研究数据发布方式。一般而言，要尽可能地用曲线、图表等可视化表达方式进行碳酸盐岩岩溶微生物研究数据的发布。在一些代码托管网站有一些用R语言编写的用 16S rDNA技术进行微生物研究数据的源代码公开结果发布代码，为碳酸盐岩岩溶微生物研究原始数据的可视化发布提供了良好的借鉴。碳酸盐岩岩溶微生物的研究数据的可视化表达必须是现有研究团组能够掌握的（一般而言，地理信息系统专业的学生掌握R语言并不困难），研究数据的可视化表达必须充分说明研究人员的意图，充分向读者展示具有重要意义的研究数据。在使用这些开源代码时，应该尊重原作者的版权声明，并按照开源软件的用途限制使用开源代码（不要应用于商业目的）。为了引导更多的研究人员使用 16S rDNA技术进行碳酸盐岩地区岩溶微生物研究，研究团组开发的源代码应该留下版权声明后尽可能上传共享。
在苏北碳酸盐岩地区进行碳酸盐岩岩溶微生物研究时，要注意研究团组的个人人身安全防护。从苏北碳酸盐岩地区采集的岩溶水和岩溶土壤等样品的16S rDNA技术检测结果中，均发现有大肠杆菌等对人体有害的微生物出现。所以一定要反复教育研究团组成员，严格执行洗消作业，防止岩溶微生物中的有害微生物侵入人体，带来严重后果。曾有研究团组中的学生询问为什么苏北碳酸盐岩地区的当地民众在生产作业中基本没有注意防护，当地却没有发现流行病史记录，这个问题实际上超出了岩溶微生物的研究范畴，碳酸盐岩地区岩溶微生物的研究是针对岩溶微生物对碳酸盐岩岩溶作用的影响而研究的，当地岩溶水和岩溶土壤中发现的对人体有害的微生物，不是碳酸盐岩地区岩溶微生物的主要研究方向。因此，苏北碳酸盐岩地区有没有流行病史，不是苏北碳酸盐岩地区岩溶微生物研究主要的关心方向，研究团组中的同事做好个人防护就可以了。在苏北碳酸盐岩地区采集和搬运各种样品时容易造成研究团组成员的外伤，如手指被划破、脚部有碰触伤等，岩溶微生物可能经由这些伤口进入人体。一定要注意检查这些外伤，妥善地洗消、包扎，注意观察受伤者体温有无异常变化，伤口表面有无发炎，等等。
对笔者而言，苏北是比较理想的岩溶研究区域。苏北境内有碳酸盐岩与岩溶水分布，每年返乡时很容易积累起地表水文土壤比较长时间的观测记录。因此，苏北是比较理想的使用图像分析法进行碳酸盐岩地区岩溶研究的地区。苏北地表高，高程起伏较小，岩溶水与岩溶土壤中微生物分布的数量与种群均比较理想，是合适的碳酸盐岩图像分析岩溶研究区域。
由于笔者每年都需要返乡几次，和其他地方的碳酸盐岩地区相比，苏北碳酸盐岩地区岩溶研究中的差旅费用减少了很多。苏北碳酸盐岩地区的民众、生活习惯和口音与笔者比较接近，比较容易得到当地民众的帮助。苏北碳酸盐岩地区前往研究区的交通问题比较好解决，在研究区的食宿问题也比较好解决。苏北碳酸盐岩地区为经济开发项目进行了不少施工，这些人类活动方便了碳酸盐岩的采集和碳酸盐岩地层的观测，但碳酸盐岩的采样点在 10 年左右时间尺度，可能因为被工程建设影响而废弃。苏北碳酸盐岩地区地质资料比较齐全，比较适合作为岩溶研究的基础。苏北碳酸盐岩地区的人力成本比较低，相应的碳酸盐岩玻片的加工磨制成本也不高。苏北碳酸盐岩地区的地史也比较合适。苏北碳酸盐岩地区岩溶水中的微生物生物多样性也比较好，是比较理想的碳酸盐岩生物岩溶作用的研究区域。总而言之，和其他的典型碳酸盐岩地区相比，苏北碳酸盐岩地区是比较合适的岩溶研究区域。