本書以裂隙石灰?guī)r中的巖溶管道發(fā)育過程為核心，聚焦巖溶發(fā)育初期的生成與演化機制，通過數(shù)值模擬揭示巖溶系統(tǒng)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(tǒng)綜述近20 年來巖溶演化領域的基礎理論和數(shù)值模擬研究進展，全面梳理該領域的主要學術(shù)成果和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；然后，重點闡述巖溶發(fā)育的反應動力學理論，并建立巖溶早期發(fā)育與演化的反應性溶質(zhì)傳輸數(shù)值模型，同時結(jié)合實際案例，深入討論裂隙開度、裂隙網(wǎng)絡非均質(zhì)性等關鍵因素對裂隙溶蝕行為和巖溶發(fā)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(zhì)、工程地質(zhì)、水利工程、石油與天然氣工程及地熱開發(fā)工程等領域的科研和工程技術(shù)人員，以及專注巖溶發(fā)育演化機理和數(shù)值模擬研究的學者與研究生參考閱讀。

前 言

巖溶是地質(zhì)演化的獨特產(chǎn)物，也是地球上最具震撼力的地質(zhì)景觀之一。巖溶是一個動態(tài)變化的地質(zhì)系統(tǒng)，其形成與演化過程十分復雜，受氣候、水文、地質(zhì)、地形以及人類活動等多種因素的綜合影響。巖溶系統(tǒng)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(shù)據(jù)。古巖溶的發(fā)育對油氣和地熱等礦產(chǎn)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(wěn)定性。巖溶的存在對大壩、鐵路等工程設施的安全性構(gòu)成潛在威脅。研究巖溶發(fā)育過程有助于預測巖溶區(qū)可能引發(fā)的結(jié)構(gòu)性破壞，提高工程的安全性與可持續(xù)性。因此，研究巖溶發(fā)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(fā)育演化機制主要通過數(shù)值模型獲得。數(shù)值模擬在研究巖溶發(fā)育方面具有兩個顯著優(yōu)勢。首先，巖溶發(fā)育是一個多尺度的地質(zhì)過程，范圍從微米級裂隙開度的溶蝕，到數(shù)十米寬、幾公里長地下河的形成。數(shù)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(fā)育是一個極為緩慢的過程，時間跨度可達數(shù)千至數(shù)萬年。借助數(shù)值模型，可以在長時間尺度上模擬和預測巖溶發(fā)育的路徑與演化過程，獲得直觀且系統(tǒng)的認識。

筆者研究團隊關于巖溶發(fā)育的數(shù)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(yè)，加入法國蒙彼利埃大學水文地質(zhì)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(fā)了團隊的第一個二維裂隙網(wǎng)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(jié)構(gòu)的典型節(jié)理裂隙系統(tǒng)中，意外發(fā)現(xiàn)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(tài)。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(xù)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(zhì)、水利和石油工程項目中，幫助解釋地層由巖溶發(fā)育引起的非均質(zhì)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(fā)育演化機制及數(shù)值模擬”的學術(shù)報告。該報告引起了巖溶地下水領域多位權(quán)威專家的關注。報告結(jié)束后，多位青年學者來咨詢模型實現(xiàn)的細節(jié)問題。筆者意識到，巖溶發(fā)育數(shù)值模型在國內(nèi)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(gòu)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(fā)育演化過程及數(shù)值模擬領域研究成果的階段性總結(jié)，系統(tǒng)地闡述了巖溶發(fā)育的反應性溶質(zhì)傳輸模型的構(gòu)建方法，闡明了早期巖溶發(fā)育中石灰?guī)r裂隙溶蝕的基本機制，揭示了非均質(zhì)性和維度對巖溶發(fā)育的影響規(guī)律。但受篇幅所限，許多重要問題將留待后續(xù)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(fā)計劃項目，以及地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)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(fā)與綜合利用研究中心副主任、四川省地熱能勘探技術(shù)工程研究中心主任。主要從事深部水文地質(zhì)學及地熱開發(fā)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(fā)計劃（重大科技專項）等科研項目10 余項。發(fā)表SCI 論文50 余篇；獲國家發(fā)明專利授權(quán)13 項（美國專利2 項）；主編教材1 部，參編行業(yè)規(guī)范1 部。

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（責編：黃橋 huangqiao@mail.sciencep.com）

本書適合水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、水利工程、石油與天然氣工程及地熱開發(fā)工程等領域的科研和工程技術(shù)人員，以及專注巖溶發(fā)育演化機理和數(shù)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(fā)育演化過程及數(shù)值模擬：以層狀節(jié)理碳酸鹽巖為例》一書，內(nèi)容有刪節(jié)。標題為編者所加。

（本文編輯：羅莉@mail.sciencep.com）

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