（通讯员 黄静）近日，国际地学领域权威期刊、Nature Index自然指数期刊JGR-Solid Earth刊发了研究论文“Geometry-Based Prediction of Solute Transport Process in Single 3D Rock Fractures Under Laminar Flow Regime”。论文第一作者为我院周佳庆特任教授，通讯作者为香港大学焦赳赳（Jiu Jimmy Jiao）教授，共同作者为我院2020级硕士研究生郭利国、香港大学研究助理教授罗新（Xin Luo）。中国地质大学（武汉）工程学院为第一署名单位。
天然岩体受到复杂的应力条件、水文环境以及工程活动等因素的影响，内部普遍发育着不同尺度的宏细观裂隙。这些裂隙在地下物质运移中起着至关重要的作用，其物质传输和运移特性与许多地球物理过程和人类工程活动密切相关。然而，由于岩石裂隙的几何非均匀性和其间流体流态的复杂性，使得岩石裂隙中的物质运移特性表征和预测十分棘手。为解决上述科学问题，借助大型高性能工作站，开展了大规模三维岩石裂隙溶质运移高精度数值模拟研究，阐述并定量化了几何结构特征对溶质运移的控制机制（图1）。采用经典一维宏观对流-扩散理论，对模拟得到的溶质穿透曲线进行反演模拟分析，构建了水动力弥散系数、溶质传输速度与岩石裂隙开度、粗糙度之间的量化公式（图2）。基于经典传输解析公式和修正立方定律，嵌入传输系数参数化公式，最终推导构建了岩石裂隙溶质运移过程预测解析模型。该预测模型实现了仅依据几何结构信息，高保真度地预测溶质运移过程（图3），从而回避了大规模数值建模与模拟求解问题，模型对于直接、高效、低成本地预测裂隙岩体中的物质运移过程具有重要理论意义。
预测模型量化了地质体结构对其间物质运移的控制性机制，搭建了地质体结构演变与水化信息演化二者间的理论桥梁，为有效修复地下水环境、高效开采地下油气资源提供了理论支撑。鉴于地质结构信息对于地质灾害（地震、滑坡等）等方面研究的重要性，论文构建的结构演变~水化信息耦合模型，也为基于物质/水化信号的地质灾害成因机制和早期预警研究提供了新的思路。
该项研究成果受“重大地质灾害预测与防控学科”111创新引智基地、国家自然科学基金委员会面上项目、香港研究资助局CRF & GRF项目、全国博士后管理委员会“香江学者计划”项目等资助。
论文信息：
Title: Geometry-Based Prediction of Solute Transport Process in Single 3D Rock Fractures Under Laminar Flow Regime
Authors: Jia-Qing Zhou, Li-Guo Guo, Jiu Jimmy Jiao*, Xin Luo
Source: Journal of Geophysical Research-Solid Earth
Published: March 2023
DOI: https://doi.org/10.1029/2022JB025542
图1 岩石裂隙几何结构对溶质运移过程的影响机制
图2 溶质传输模型关键系数的几何双参数表征模型
图3 基于几何信息的岩石裂隙溶质传输过程预测
