巖溶發育演化過程及數值模擬：以層狀節理碳酸鹽巖為例

本書以裂隙石灰巖中的巖溶管道發育過程為核心，聚焦巖溶發育初期的生成與演化機制，通過數值模擬揭示巖溶系統中流體流動與化學溶蝕作用之間的復雜耦合關系。本書首先系統綜述近20 年來巖溶演化領域的基礎理論和數值模擬研究進展，全面梳理該領域的主要學術成果和技術發展現狀；然后，重點闡述巖溶發育的反應動力學理論，并建立巖溶早期發育與演化的反應性溶質傳輸數值模型，同時結合實際案例，深入討論裂隙開度、裂隙網絡非均質性等關鍵因素對裂隙溶蝕行為和巖溶發育過程的影響；最后，通過對二維與三維模型在刻畫巖溶演化過程中的差異進行對比分析，明確各類模型的適用條件，并提出未來研究的方向和重點。

本書適合水文地質、工程地質、水利工程、石油與天然氣工程及地熱開發工程等領域的科研和工程技術人員，以及專注巖溶發育演化機理和數值模擬研究的學者與研究生參考閱讀。

前 言

巖溶是地質演化的獨特產物，也是地球上最具震撼力的地質景觀之一。巖溶是一個動態變化的地質系統，其形成與演化過程十分復雜，受氣候、水文、地質、地形以及人類活動等多種因素的綜合影響。巖溶系統是氣候變化的天然記錄體，能忠實記錄古氣候變化特征，為氣候研究提供寶貴的實證數據。古巖溶的發育對油氣和地熱等礦產資源的遷移與儲集具有深遠影響。巖溶通道不僅為流體遷移提供了關鍵路徑，還影響資源分布和儲層穩定性。巖溶的存在對大壩、鐵路等工程設施的安全性構成潛在威脅。研究巖溶發育過程有助于預測巖溶區可能引發的結構性破壞，提高工程的安全性與可持續性。因此，研究巖溶發育過程具有重要的科學價值和工程應用意義。

本書討論的早期巖溶發育演化機制主要通過數值模型獲得。數值模擬在研究巖溶發育方面具有兩個顯著優勢。首先，巖溶發育是一個多尺度的地質過程，范圍從微米級裂隙開度的溶蝕，到數十米寬、幾公里長地下河的形成。數值模擬能夠有效捕捉這一復雜的多尺度溶蝕過程，為我們提供清晰的空間分辨視角。同時，巖溶發育是一個極為緩慢的過程，時間跨度可達數千至數萬年。借助數值模型，可以在長時間尺度上模擬和預測巖溶發育的路徑與演化過程，獲得直觀且系統的認識。

筆者研究團隊關于巖溶發育的數值模擬研究開始于2017 年。當時，筆者剛從英國帝國理工學院博士畢業，加入法國蒙彼利埃大學水文地質研究所工作，與蒙彼利埃大學埃爾韋·茹爾德（Hervé Jourde）教授共同指導博士生穆罕默德·阿利烏什（MohammedAliouache）開發了團隊的第一個二維裂隙網絡滲流-溶蝕耦合模型。研究團隊將這一模型應用于具有梯子狀結構的典型節理裂隙系統中，意外發現了裂隙組的鄰接模式可以擾動正反饋機制，從而顯著影響突破時間和溶蝕形態。2020 年，姜傳胤加入研究團隊。在他于蒙彼利埃大學攻讀博士學位期間，研究團隊持續改進最初的二維簡單巖溶模型，并建立了先進的三維模型，后期將這些模型應用于多個地質、水利和石油工程項目中，幫助解釋地層由巖溶發育引起的非均質性，取得了顯著成效。2023 年10 月，筆者在北京舉行的第七屆“地下水科學青年論壇”上作了題為“裂隙巖體巖溶發育演化機制及數值模擬”的學術報告。該報告引起了巖溶地下水領域多位權威專家的關注。報告結束后，多位青年學者來咨詢模型實現的細節問題。筆者意識到，巖溶發育數值模型在國內地下水領域的研究和應用還不廣泛，很多青年學者和博士對多場耦合模型構建方法存在諸多疑問。這促使筆者萌生了撰寫本書的想法。

本書是筆者研究團隊在巖溶發育演化過程及數值模擬領域研究成果的階段性總結，系統地闡述了巖溶發育的反應性溶質傳輸模型的構建方法，闡明了早期巖溶發育中石灰巖裂隙溶蝕的基本機制，揭示了非均質性和維度對巖溶發育的影響規律。但受篇幅所限，許多重要問題將留待后續討論。本書的相關研究得到了國家自然科學基金項目、四川省重點研發計劃項目，以及地質災害防治與地質環境保護全國重點實驗室的資助和支持。

作者簡介

王曉光，男，教授，博士生導師，四川省“天府峨眉計劃”特聘專家。天府永興實驗室地熱勘探開發與綜合利用研究中心副主任、四川省地熱能勘探技術工程研究中心主任。主要從事深部水文地質學及地熱開發工程方面的教學和科研工作。主持深地國家科技重大專項青年科學家課題、國家自然科學基金面上項目/青年科學基金項目、四川省重點研發計劃（重大科技專項）等科研項目10 余項。發表SCI 論文50 余篇；獲國家發明專利授權13 項（美國專利2 項）；主編教材1 部，參編行業規范1 部。

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（責編：黃橋 huangqiao@mail.sciencep.com）

本書適合水文地質、工程地質、水利工程、石油與天然氣工程及地熱開發工程等領域的科研和工程技術人員，以及專注巖溶發育演化機理和數值模擬研究的學者與研究生參考閱讀。

本文摘自科學出版社2025年4月出版《巖溶發育演化過程及數值模擬：以層狀節理碳酸鹽巖為例》一書，內容有刪節。標題為編者所加。

（本文編輯：羅莉@mail.sciencep.com）

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