利用水力层析成像技术表征裂缝岩石中的地下异质性：对原位开采的影响

《Journal of Hydrology》：Hydraulic tomography for characterizing subsurface heterogeneity in fractured rocks: implications for in-situ recovery mining

　　• 首次在裂隙岩石中比较了均匀模型、分区模型和高精度（HT）模型在ISR（原位回收）中的应用。• HT模型能够揭示受裂隙控制的K（水力传导率）异质性，而无需结构条件数据。• 长期运行数据可以解析超出含水层测试范围的大规模连通性。• 示踪剂测试的验证将改进的K特征与传输预测联系起来。

引言
原位回收（ISR），也称为原位浸出（ISL），是一种先进的采矿技术，可以直接从地下矿床中提取关键矿物。该方法通常涉及通过注水井将浸出液注入地下矿层，溶解目标矿物，然后通过抽水井回收富含矿物的溶液，以便后续提取矿物（例如，Seredkin等人，2016年）。与传统露天和地下采矿方法相比，ISR在环境可持续性、提取效率和经济可行性方面具有显著优势，尤其是在低品位矿床的情况下（Bhargava等人，2015年）。ISR最初是在20世纪50年代末和60年代初为美国和前苏维埃社会主义共和国联盟（USSR）开发的一种铀提取方法，现已成为主要的铀生产方法（OECD-NEA和IAEA，2020年），并且越来越多地被用于其他商品，包括铜、金、锂和稀土元素（例如，Zabolotsky等人，2008年；Martens等人，2012年；Xiao等人，2017年；Liu等人，2022年）。尽管具有这些优势，ISR的性能从根本上仍然取决于特定地点的矿床特征（Ilankoon等人，2018年）以及在生产条件下可靠预测地下流体流动和溶质传输的能力（Saunders等人，2016年）。因此，提出了反应传输建模（RTM）作为ISR设计和操作的强大工具，通过模拟耦合的流动、传输和地球化学过程（Ben Simon等人，2014年）。然而，其预测可靠性在很大程度上取决于对水力传导率（K）和特定存储量（Ss）空间异质性的准确表征，这些因素控制着压力传播、地下水流动路径、清扫效率、溶质迁移以及潜在的场外污染传输。

一个关键挑战是，许多应用RTM的工作流程仍将K和Ss表示为均匀的或少数几个地质分区（例如，Lagneau等人，2019年；Collet等人，2022年；Wang等人，2022a；Wang等人，2022b）。尽管这种简化在实践中是可行的，但它们可能无法捕捉控制ISR相关流动和传输行为的异质性。先前的研究表明，受异质K场影响的地下水流动响应可以对铀的迁移和沉积产生主导作用，超过矿物学变异性的影响（Mikake等人，2000年）。数值研究也强调，捕捉空间异质性对于可靠的地下过程预测至关重要，尤其是在涉及对水力性质产生反馈的化学反应的情况下（De Lucia等人，2011年；Krause等人，2016年）。然而，在与ISR操作相关的现场案例中，从均匀或分区概念化转变为更详细的异质性表征方法能获得多少预测价值仍不清楚。

在过去三十年中，提出了水力层析成像（HT）技术（Gottlieb和Dietrich，1995年；Yeh和Liu，2000年），并证明它是准确表征多孔介质（例如，Berg和Illman，2011年；Cardiff等人，2013年；Hochstetler等人，2016年；Zhao和Illman，2018年；Luo等人，2022年）和裂隙介质（Illman等人，2009年；Illman，2014年；Mohammadi和Illman，2019年；Klepikova等人，2020年；Tiedeman和Barrash，2020年）中地下异质性的有效方法。典型的HT调查包括进行一系列空间变化的抽水或注水测试，在不同的观测位置测量水力响应数据。这些数据集提供了每个生产点和观测点之间的水力参数异质性的快照，并可以使用先进的反演建模算法（例如，Kitanidis，1995年；Yeh等人，1996年；Brauchler等人，2003年；Zhu和Yeh，2005年；Xiang等人，2009年）来绘制不同尺度的水力参数空间分布图。此外，整合额外的水文地质数据，如地质数据（Zhao和Illman，2017年；Zhao和Illman，2018年）、裂隙几何和基质信息（Zhao等人，2021年）、地球物理调查结果（Wang和Illman，2023年）、流量计测量数据（Luo等人，2023年）和水力剖面工具数据（Zhao等人，2023年），可以进一步提高异质性表征的准确性。鉴于在ISR现场调查期间通常收集的广泛特定场地的水文地质信息，HT已成为开发更好地支持ISR预测和管理的场地表征模型的非常合适和有效的方法。

然而，在ISR相关条件下应用HT进行异质性表征仍有三个相互关联的科学空白：1）确定适当的模型复杂性水平；2）量化将长期水力响应数据与常规含水层测试结合的价值；3）独立验证推断出的水力参数场与溶质传输行为的吻合度。在裂隙岩石中，HT已被证明是一种有效的工具，可用于成像连通性和主导流动路径（例如，Illman等人，2009年；Zha等人，2016年；Klepikova等人，2020年；Tiedeman和Barrash，2020年）。这些研究所证明了HT用于表征裂隙岩石异质性的可行性。然而，在裂隙岩石矿床中，系统性的三维比较在均匀模型、基于地质的分区模型和高度参数化的HT表示之间仍然不常见。

第二个空白涉及长期水力响应数据的整合。除了常规含水层测试之外，这些数据通常在ISR现场开发和生产过程中收集。它们通常包括受多个抽水和注水源影响的监测井水位曲线，因此可能包含比单个含水层测试更大的空间尺度上的水力异质性信息。越来越多的长期运行记录被纳入基于HT的表征中。例如，Luo等人（2022年）应用了三维HT模型来绘制市政供水井场的长期运行数据，以映射大规模异质性，而Lin等人（2023年）使用河流阶段HT通过整合自然水力瞬态与点尺度地质信息来表征盆地尺度的水力异质性。谐波抽水层析成像进一步表明，不同持续时间的强迫可以强调裂隙岩石中不同的水力连通性组分（Fischer等人，2018年）。同样，Ren等人（2021年）整合了不同持续时间的单孔和跨孔测试，在裂隙花岗岩中识别出特定地点的非单调尺度依赖性K。总体而言，这些研究表明，在不同持续时间和支撑体积下测量的水力响应可能提供关于含水层异质性的互补信息。然而，长期运行数据所贡献的增量和非冗余信息尚未在裂隙岩石ISR现场进行直接评估。

第三个空白涉及使用HT衍生的水力参数场独立验证溶质传输。在多孔介质中，实验室和现场研究表明，与均匀的、基于地质的分区模型或克里金模型相比，高分辨率或基于HT的表征可以改善溶质、修复剂和示踪剂的传输预测（Illman等人，2012年；Zhao等人，2022年；Zhang等人，2024年；Wang等人，2026年）。这些发现支持这样的工作假设：更准确的空间异质性和水力连通性表征应该能够产生更可靠的保守溶质传输预测。然而，这一假设需要在裂隙岩石中进行验证，因为在裂隙岩石中，稀疏的高对比度路径和强方向性的裂隙连通性可能导致通道化和尺度依赖的传输。最近的一项现场研究使用示踪剂测试结果来证实从HT推断出的优先路径在煤矿石灰岩含水层中的情况（Qian等人，2024年），但未比较其他异质性表示产生的前向传输预测。据我们所知，还没有任何裂隙岩石现场研究直接比较了均匀的、基于地质的分区模型和HT衍生的K和Ss场与独立的现场示踪剂测试。

这些空白导致了本研究中测试的三个假设：首先，在可用的校准数据足够且信息丰富的情况下，高度参数化的HT模型将比均匀模型和基于地质的分区模型更准确地解析显著的异质性细节，并更准确地预测裂隙岩石中的地下水流动和溶质传输。其次，长期水力操作会在大距离上传播压力信号，使得响应对仅通过短期跨孔测试反演无法获得的大规模水力连通性更加敏感。第三，K和Ss表征的真正改进将转化为更可靠的保守示踪剂传输预测。

我们在加拿大Denison’s Wheeler River Property的一个铀矿床评估了这些假设，该矿床已被提议用于ISR开采。在该地点，裂隙岩石被表示为具有有利于ISR操作的水力特性的等效多孔介质。评估了四种复杂度逐渐增加的表征案例来表示K和Ss场，包括均匀模型、基于地质的分区模型和基于HT的地质统计模型（以下简称HT模型）。结果参数场不仅通过其再现水力响应的能力进行了评估，还通过其预测保守溶质传输的能力进行了评估。尽管ISR本质上是一个反应传输过程，但针对仅依赖于流场的传输行为进行验证，允许对K和Ss层析图进行评估。据我们所知，这项研究是首次在针对ISR开采的裂隙岩石矿床中，使用独立的示踪剂数据对均匀模型、基于地质的分区模型和HT模型进行全面比较的研究。这一比较旨在确定最佳性能的表征策略，以及从每个额外复杂性级别获得的预测价值，包括长期运行水力数据在基于HT的表征中的作用。以下部分介绍了现场描述、方法论、结果、讨论和关键结论。

铀矿床
该铀矿床位于萨斯喀彻温省北部的Wheeler River Property，靠近Athabasca盆地的东南边缘，该盆地被分类为一个广阔的、封闭的、椭圆形的克拉通盆地，面积为425公里（东西向）× 225公里（南北向）（Liskowich，2018年）。该地点下方的局部地质主要由早期古元古代和太古代结晶基底岩石组成，上面不整合地覆盖着平坦的未变质的砂岩。

地下水流动和溶质传输建模
本研究开发了三维数值模型来模拟研究地点的地下水流动和溶质传输。如图1所示，长方体模拟域在东北、西北和垂直方向上的尺寸分别为440米、150米和260米，矿化区位于域的中心。尽管矿化区位于裂隙岩石中，但之前的现场调查将该地层表示为等效的多孔介质。

模型的校准
所有案例的校准都在一个拥有48个处理器的SLURM集群的计算节点上进行。所有模型都得到了很好的校准，观测到的水位变化与模拟的水位变化之间的差异在反演过程结束时趋于稳定。补充信息中的图S7显示了每个案例的目标函数迭代收敛情况和选定的迭代次数。图3显示了观测到的与模拟的水位下降数据的校准散点图。

模型复杂性和预测可靠性
本研究提出的一个核心问题是，在ISR相关地点表征异质性时，如何最好地解决模型复杂性和预测性能之间的权衡。据我们所知，这项研究是首次针对ISR开采的裂隙岩石，使用独立示踪剂数据进行验证，对均匀模型、基于地质的分区模型和HT方法进行的水力参数特征的全面评估。以下讨论集中在案例上。

总结和结论
原位回收（ISR）采矿依赖于对地下水流动和溶质传输的准确预测，以设计井场、管理回收效率并保护环境。由于这些预测受到地下水力参数异质性的强烈影响，我们评估了不同的异质性表征方法如何影响ISR相关尺度上的模型性能。在这项研究中，我们评估了最大铀矿床区域中K和Ss的空间分布。

CRediT作者贡献声明
Ning Luo：撰写——原始草稿、可视化、方法论、概念化。
Chad Sorba：资源、资金获取。
Cristina Ramirez：撰写——审阅和编辑、验证、概念化。
Mikkel Tetland：撰写——审阅和编辑、调查、数据管理。
Xavier Lu Dac：调查、数据管理。
Walter A. Illman：撰写——审阅和编辑、监督、项目管理、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文报告工作的个人关系。

致谢
这项研究通过Denison Mines Corp.对Walter A. Illman（WAI）的资助进行。项目的额外资金来自加拿大的自然科学与工程研究委员会（NSERC）通过发现基金的资助给WAI。我们感谢丹尼森大学（Denison）的工作人员以及承包商的Ian Judd-Henrey和Daniel Weber，他们收集了用于HT分析的数据。
Ning Luo | Chad Sorba | Cristina Ramirez | Mikkel Tetland | Xavier Lu Dac | Walter A. Illman