岩溶发育演化过程及数值模拟：以层状节理碳酸盐岩为例

本书以裂隙石灰岩中的岩溶管道发育过程为核心，聚焦岩溶发育初期的生成与演化机制，通过数值模拟揭示岩溶系统中流体流动与化学溶蚀作用之间的复杂耦合关系。本书首先系统综述近20 年来岩溶演化领域的基础理论和数值模拟研究进展，全面梳理该领域的主要学术成果和技术发展现状；然后，重点阐述岩溶发育的反应动力学理论，并建立岩溶早期发育与演化的反应性溶质传输数值模型，同时结合实际案例，深入讨论裂隙开度、裂隙网络非均质性等关键因素对裂隙溶蚀行为和岩溶发育过程的影响；最后，通过对二维与三维模型在刻画岩溶演化过程中的差异进行对比分析，明确各类模型的适用条件，并提出未来研究的方向和重点。

本书适合水文地质、工程地质、水利工程、石油与天然气工程及地热开发工程等领域的科研和工程技术人员，以及专注岩溶发育演化机理和数值模拟研究的学者与研究生参考阅读。

前 言

岩溶是地质演化的独特产物，也是地球上最具震撼力的地质景观之一。岩溶是一个动态变化的地质系统，其形成与演化过程十分复杂，受气候、水文、地质、地形以及人类活动等多种因素的综合影响。岩溶系统是气候变化的天然记录体，能忠实记录古气候变化特征，为气候研究提供宝贵的实证数据。古岩溶的发育对油气和地热等矿产资源的迁移与储集具有深远影响。岩溶通道不仅为流体迁移提供了关键路径，还影响资源分布和储层稳定性。岩溶的存在对大坝、铁路等工程设施的安全性构成潜在威胁。研究岩溶发育过程有助于预测岩溶区可能引发的结构性破坏，提高工程的安全性与可持续性。因此，研究岩溶发育过程具有重要的科学价值和工程应用意义。

本书讨论的早期岩溶发育演化机制主要通过数值模型获得。数值模拟在研究岩溶发育方面具有两个显著优势。首先，岩溶发育是一个多尺度的地质过程，范围从微米级裂隙开度的溶蚀，到数十米宽、几公里长地下河的形成。数值模拟能够有效捕捉这一复杂的多尺度溶蚀过程，为我们提供清晰的空间分辨视角。同时，岩溶发育是一个极为缓慢的过程，时间跨度可达数千至数万年。借助数值模型，可以在长时间尺度上模拟和预测岩溶发育的路径与演化过程，获得直观且系统的认识。

笔者研究团队关于岩溶发育的数值模拟研究开始于2017 年。当时，笔者刚从英国帝国理工学院博士毕业，加入法国蒙彼利埃大学水文地质研究所工作，与蒙彼利埃大学埃尔韦·茹尔德（Hervé Jourde）教授共同指导博士生穆罕默德·阿利乌什（MohammedAliouache）开发了团队的第一个二维裂隙网络渗流-溶蚀耦合模型。研究团队将这一模型应用于具有梯子状结构的典型节理裂隙系统中，意外发现了裂隙组的邻接模式可以扰动正反馈机制，从而显著影响突破时间和溶蚀形态。2020 年，姜传胤加入研究团队。在他于蒙彼利埃大学攻读博士学位期间，研究团队持续改进最初的二维简单岩溶模型，并建立了先进的三维模型，后期将这些模型应用于多个地质、水利和石油工程项目中，帮助解释地层由岩溶发育引起的非均质性，取得了显著成效。2023 年10 月，笔者在北京举行的第七届“地下水科学青年论坛”上作了题为“裂隙岩体岩溶发育演化机制及数值模拟”的学术报告。该报告引起了岩溶地下水领域多位权威专家的关注。报告结束后，多位青年学者来咨询模型实现的细节问题。笔者意识到，岩溶发育数值模型在国内地下水领域的研究和应用还不广泛，很多青年学者和博士对多场耦合模型构建方法存在诸多疑问。这促使笔者萌生了撰写本书的想法。

本书是笔者研究团队在岩溶发育演化过程及数值模拟领域研究成果的阶段性总结，系统地阐述了岩溶发育的反应性溶质传输模型的构建方法，阐明了早期岩溶发育中石灰岩裂隙溶蚀的基本机制，揭示了非均质性和维度对岩溶发育的影响规律。但受篇幅所限，许多重要问题将留待后续讨论。本书的相关研究得到了国家自然科学基金项目、四川省重点研发计划项目，以及地质灾害防治与地质环境保护全国重点实验室的资助和支持。

作者简介

王晓光，男，教授，博士生导师，四川省“天府峨眉计划”特聘专家。天府永兴实验室地热勘探开发与综合利用研究中心副主任、四川省地热能勘探技术工程研究中心主任。主要从事深部水文地质学及地热开发工程方面的教学和科研工作。主持深地国家科技重大专项青年科学家课题、国家自然科学基金面上项目/青年科学基金项目、四川省重点研发计划（重大科技专项）等科研项目10 余项。发表SCI 论文50 余篇；获国家发明专利授权13 项（美国专利2 项）；主编教材1 部，参编行业规范1 部。

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（责编：黄桥 huangqiao@mail.sciencep.com）

本书适合水文地质、工程地质、水利工程、石油与天然气工程及地热开发工程等领域的科研和工程技术人员，以及专注岩溶发育演化机理和数值模拟研究的学者与研究生参考阅读。

本文摘自科学出版社2025年4月出版《岩溶发育演化过程及数值模拟：以层状节理碳酸盐岩为例》一书，内容有删节。标题为编者所加。

（本文编辑：罗莉@mail.sciencep.com）

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