沉积盆地中的地下水是盆地流体中最具活力的重要组成部分,并蕴含有丰富的地热资源和卤水资源,由于地下深部条件复杂,且地质资料难以获取,深部水文地质特征研究相对较少,深部地下水系统的刻画比较薄弱。近年来,随着地热资源开发和CO2地质埋存的研究,深部水文地质条件研究得到了重视,并成为水文地质研究领域的热点之一。通过分析沉积盆地深部水文地质条件,构建深部地下水系统模型,探索深部地下水的形成与运移机制,对深部地下水资源、地热资源的评价和合理开发利用具有重要意义。合理的模型还有助于探讨深部盐水层CO2地质埋存工程中注入CO2引起的含水层压力场的变化,揭示注入CO2的运移扩散特征,为CO2深部盐水层埋存工程的安全实施提供科学依据。本次研究在系统收集松辽盆地中央坳陷区地质、水文地质、石油地质资料,特别是钻孔、地质剖面等资料的基础上,分析了研究区地层的空间分布规律,利用专业地质结构建模软件(GOCAD)构建了研究区精细三维地层结构模型。在此基础上,综合地层岩性特征、地层孔隙度特征、地层渗透性特征以及沉积相特征,将中央坳陷区3000m以浅地层划分为4组含水层和3组弱透水层岩组,构建了三维水文地质结构模型,综合文献资料与实测资料,赋入合理的水文地质参数;系统分析了研究区各含水层的水化学组成、特征指标的空间分布规律,揭示了水化学场演化特征;构建了地层温度模型,分析了研究区的地温场空间分布规律;在此基础上,结合地实测水头数据以及压实补给情况,逐含水层分析了研究区的地下水补径排基本空间特征。利用FEFLOW构建了松辽盆地中央坳陷区的深部地下水热运移数值模拟模型,探讨了研究区重力驱动、压实驱动以及热驱动作用对深部地下水热运移中水动力场特征的影响;利用所建立水热运移模型,对CO2注入的情景进行了模拟与分析,指出了超临界CO2流体注入对深部地下水压力场的影响及其扩散特征。研究得到以下结论与成果:(1)研究区内地层空间分布变化大,利用各地层的顶底板高程数据,借助GOCAD的空间平滑插值和建模功能建立的研究区三维地质结构模型,可以准确刻画地层的空间分布;同时将多种形式的地层水文地质参数合理赋入地质结构模型,从而实现了地质体的三维体视化,并可以多方式进行展示。(2)综合地层岩性、沉积相特征以及水文地质参数特征,结合油气地质研究成果,将研究区内3000m深度范围内的地层划分成4组含水层和3组弱透水层;其中第Ⅱ~Ⅳ含水层深度一般大于800m,压力和温度条件满足要求,是CO2深部盐水层埋存的合格场所。(3)中央坳陷区内深部地下水矿化度高,且具有随深度增加先变大再变小的特点,在1500~2000m深度内达到最大值。水化学类型以CaCl2型和NaHCO3型为主,表明区内地下水来源主要为陆相沉积水和海相沉积水;随着深部增加,前者所占比例增加,后者降低。含水层Ⅲ中钠氯系数与碳酸盐平衡系数极差大,说明其水文地质条件较为复杂;含水层Ⅳ中两系数极差较小,水文地质条件较为稳定。(4)松辽盆地地热资源丰富,平均地温梯度为3.8℃/100m,中央坳陷区内地温梯度为3~5℃/100m,平面上呈现中部大、南北小的趋势,中东部地温梯度最大,表明南北部受地下水入渗的影响,东部则受火山的影响。地温梯度随深度呈现小—大—小的变化趋势,其中中部嫩江组~青山口组地温梯度最大;当深度小于1000m时,地温随深度增加的整体趋势明显且稳定,而当深度超过1500m以后,地温异常区域显著增多,层间温差是区内地下水运移的驱动力之一。(5)只考虑压力驱动的前提下,中央坳陷区内中部含水层以单个中心的离心流为主,而深部含水层通常形成多个局部离心流的流场特征。深部含水层中地下水的补给主要为同层侧向补给以及层内压实补给,而越流泄水是重要的排泄方式。(6)利用FEFLOW软件建立了研究区的三维非均质、各向异性的地下水非稳定流数值模型。模型分为7层,每层剖分为10000个单元格,所有水文地质参数均从已构建的三维地质结构模型直接导出。含水层Ⅰ层内水头极差较小,但平均渗透性能好,水动力场相对最活跃。含水层Ⅱ层内流场可视为三个局部离心流组成,中部离心流影响范围最大。含水层Ⅲ平均水头值高,且只存在一处集中分布的高水头区,水动力场相对最不活跃。含水层Ⅳ东部的平均水头值明显低于层内其他区域,导致整体自西向东的流动趋势。(7)敏感性模拟分析显示,边界流量增量与研究区内含水层平均水头值增量之间呈线性关系,5%的边界流量增量约可造成0.08%的平均水头值增量;压实补给量与研究区内含水层平均水头值增量之间呈线性关系,5%的压实补给量增量约可造成水头值2.5%的变化,表明压实驱动是影响深部水动力场的重要驱动力。剖面热对流模拟结果显示,热驱动的存在可在高地温梯度区域显著改变局部渗流强度及流场特征,其对整体区域的流场影响也不能忽视。(8)超临界CO2流体注入模拟结果表明,3000m3/d注入速度时,局部异常高压需要较长时间积累才会显现,不同空间位置出现时间显著区别。相同含水层相同注入速率下,不同位置井的异常压力随时间变化特征与该含水层径流特征密切相关,井6在含水层Ⅲ的注入区域,由于地下水以垂向运移为主,压力扩散较缓,直至注入结束900a后仍未恢复常态。井8在含水层Ⅳ的注入点处,压力异常区域大,且由于渗流强度弱,压力扩散十分缓慢。含水层Ⅲ在技术适宜性及安全性方面优于含水层Ⅳ。特色与创新点:(1)利用GOCAD构建了附带水文地质参数的高精度三维地质结构模型,实现了地层的三维体视化;(2)构建了三维水文地质结构模型,并将水化学、温度、压力等多信息进行耦合,综合分析地下水系统特征,实现了深部地下水系统刻画;(3)实现了水文地质结构模型中水文地质参数与地下水数值模型参数的直接转换;(4)构建了大区域尺度深部地下水热运移数值模拟模型,以及三维结构模型中特定剖面的水热对流模型,前者用于分析注入CO2后深部地下水压力场变化及CO2运移特征,后者用于反应热驱动对深部渗流场的影响。