深部水文地质学裂隙渗流研究挑战与进展

摘要

深部水文地质学是地球科学领域近年来快速发展的前沿方向，主要聚焦于地下数百米至数千米深度范围内的基岩裂隙含水系统。随着我国深部资源能源开发、环境保护与空间利用需求的不断增加，对深部地下水系统的认知程度与调控能力已成为支撑国家战略的关键科技问题。本文系统综述了深部水文地质学的研究进展，重点阐述了深部裂隙介质渗流的关键科学问题、研究方法与工程实践。首先，提出了深部水文地质学核心科学问题：深部地下水的来源与年龄、深浅层水循环相互作用机制、高度非均质含水系统表征、深部流体与工程相互作用以及深部生物圈影响。其次，系统梳理了深部裂隙介质渗流研究的关键方法与技术，包括实验室尺度的高精度观测与测试技术、现场实验与长期监测手段、多尺度数值模拟与多场耦合建模技术，以及多学科集成与人工智能研究范式。第三，聚焦典型工程背景，深入探讨了四类深部水文地质问题的研究进展：(1)深部低渗岩体裂隙渗流，以高放废物地质处置为例，分析了北山预选区深部地下水系统特征与水文循环模式；(2)深部低渗岩体裂隙溶质运移，以页岩气水力压裂为例，探讨了深部流体向上迁移的水文地质控制机制；(3)深部流体反应溶质运移，以深层碳酸盐岩储集空间为例，揭示了深部热液流体对储层改造的主控作用；(4)深部裂隙热流耦合，以增强型地热系统开发为例，分析了多场耦合作用下储层裂隙演化与热开采持续性的主控机制。最后，展望了深部水文地质学六大未来研究方向，包括深部观测技术系统建设、高精度裂隙渗流建模、多场耦合模拟能力提升、地球物理成像与水文融合、高分辨率水化学分析以及人工智能与大数据集成。本文对深部水文地质学理论、方法与应用的全面总结，旨在为高放废物地质处置、页岩气开发、二氧化碳地质封存、增强型地热系统以及深层至超深层油气资源开发等深部地质工程提供理论指导与技术支撑，为深部地下水资源的可持续管理与环境安全评价提供科学基础。

关键词

深部地质工程 / 深部水文地质学 / 裂隙渗流 / 多场耦合 / 数值模拟

基金资助

国家自然科学基金项目(42272297,42202285)