预测地下化学爆炸试验中的多相流与示踪剂迁移

地下爆破为何与公众息息相关

地下核试验被禁止，但世界仍需方法判断是否有人违规则。一个强有力的线索是可从地下爆破处泄漏并被带入大气层的放射性气体，这些气体可以在远处被检测到。本研究考察了埋藏爆炸后头几小时到几天内气体如何在干燥的地下岩石中快速迁移，使用一次大型化学爆炸作为安全替代。通过将详尽的现场测量与先进的计算模型相结合，研究人员展示了爆炸产生的压力如何迅速将气体推入周围岩体——这些认识有助于改进未来的监测并降低环境风险。

沙漠中的一次试验爆破

这项工作以内华达国家安全场址的一次近期试验为中心，地点是在高出水位数百米的火山岩中开凿的隧道群内。科学家们未使用核装置，而是在地下深处引爆了化学炸药，以形成一个小空洞并产生强大的冲击波。爆破前，他们在计划空洞周围钻了几口细小钻孔，并仔细测量了岩石的性质——例如气体和水在其中的通透性。爆炸后，这些钻孔像通往地下的小窗户一样，允许仪器追踪压力变化和不同气体随时间到达的情况。

追踪爆炸后的气体

炸药引爆时，会在空洞中产生一个高温、高压的气体囊。突如其来的超压将空气、水蒸气和示踪气体——例如特意选择的放射性氙同位素以及燃烧副产物如二氧化碳和甲烷——强行推入周围岩体。研究团队使用专门的计算代码模拟气体与水如何在岩石细小孔隙中共同移动，考虑了高温、陡压差以及示踪剂溶入孔隙水的过程。他们用简化的二维径向模型表示隧道环境：以中央空洞为中心的火山岩层，气体向外推动，并有部分通过模型边界逸出。

预测与实际的吻合度

关键在于，模型仅使用爆破前可获得的数据进行构建与校准，以模拟科学家在评估未知试验时必须面对的条件。即便在这种限制和简化几何的情况下，模拟仍能在大约一个数量级范围内预测靠近钻孔处示踪气体到达的时间和规模。换言之，模型给出了气体在附近到达速度与数量的大致正确图景。然而，模型倾向于低估较远或较浅钻孔处的气体浓度，并有时预测气体到达时间过早。这些不匹配突显了气体运动对岩石渗透率和含水量等小尺度变化的敏感性，而这些特征在事前很难全面掌握。

岩石本身隐藏的细节

研究表明，并非所有岩层表现相同。有些岩层具有孔隙和微裂隙，使气体更容易迁移，而另一些则更致密或含有如沸石等矿物，能够强烈吸附某些气体。事后利用爆炸后的压力数据进行的后续分析表明，一处上部岩层的渗透性比爆炸前的测试所显示的要高，这有助解释为何实际气体浓度在该处高于预测值。其他差异很可能来自模型尚未包含的过程，例如氙和二氧化碳在沸石类矿物上的强吸附，或细尺度的含水饱和度变化，这些都可能阻挡或引导气体流动。

这对探测与安全意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：地下爆炸后早期的气体运动既迅速又复杂，并强烈受局部岩性影响。这项工作表明，通过细致的场地表征和复杂的建模，科学家可以做出有用的提前预测，说明气体何时何地可能出现——这些预测足够准确，可用于指导传感器布局与未来试验的设计。除核监测外，同样的见解也适用于理解任何受压气体（从工业泄漏到天然排放）在干燥未饱和岩体中的迁移方式。一步步地，经现场验证的这种建模能力提升了我们发现隐蔽爆炸并管理地下释放污染物环境风险的能力。

引用: Ortiz, J.P., Lucero, D.D., Rougier, E. et al. Predicting multiphase flow and tracer transport for an underground chemical explosive test. Sci Rep 16, 9431 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35868-w

关键词: 地下爆炸, 放射性气体迁移, 地下监测, 防扩散, 未饱和带流动