政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告指出，地热能是推动能源转型、应对气候变化的重要清洁能源之一。地热资源主要赋存于两类地质环境（图1）：一类是天然渗透性较高的水热型储层，另一类是渗透性较低的基岩型（又称干热岩）储层。尽管全球地热潜力巨大，但具备直接发电条件的高温高渗水热型储层仅分布于少数地区；绝大多数地热资源赋存于深部干热岩储层，因其渗透性较低，须通过水压致裂（Hydraulic stimulation）技术进行开发。此外，部分初始渗透率不足或长期注采后效率下降的水热系统同样需要水压致裂加以改造。这类通过水压致裂形成或激活裂隙网络、以提升储层渗透性与产能的地热系统，统称为增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems, EGS）。
图1基于高渗含水层的水热型地热系统与经水压致裂改造的干热岩地热系统。在人工压裂造缝及后续生产过程中均可能面临增渗不足/不持久与诱发地震风险的挑战。
本文从EGS工程实际出发，指出当前制约其大规模开发的两大核心挑战：一是流体注入诱发的地震风险难以控制，二是增渗效果有限或难以长期维持。这两个问题并非彼此独立，而是共同受控于流体注入过程中裂隙与断层的摩擦-渗流协同演化，并受到原位条件下热-水-力-化（THMC）多物理场的耦合影响。作为深部岩体中的主要地质界面，裂隙与断层虽空间占比很小，却主导着流体运移过程，其水-力耦合响应直接影响地热生产效率与注水诱发地震的风险。因此，阐明其在流体注入条件下的渗透性与滑移稳定性协同演化机制至关重要。值得关注的是，随着水平井分段压裂技术成功应用于美国商业公司Fervo Energy和科研项目Utah FORGE的多个现场试验项目，EGS开发正从基于长裸眼段水力剪切（Hydro-shearing，II/III型剪切破裂）的传统造储模式，向基于多段水力压裂（Multistage hydro-fracturing, I型张拉破裂主导）的新一代造储模式发展。尽管如此，新一代水力压裂造储过程中采用的高流体压力仍可能诱发既有裂隙网络的剪切行为，形成混合模式裂隙网络。因此，深入探究水力剪切过程中稳定性与渗透性的协同演化机制，对新一代EGS应对诱发地震风险等挑战仍具有重要意义。
为此，本文聚焦EGS流体注入过程中岩体界面的地质力学响应，系统综述了近年来在室内试验、数值模拟与现场观测方面的关键研究进展，提炼影响岩体界面稳定性与渗透性协同演化的重要因素，进而归纳未来EGS安全高效开发亟需突破的研究方向。
文章首先系统梳理了描述岩体界面水-力响应的主要理论框架，包括滑移弱化定律、速率-状态摩擦定律以及断裂力学理论，并结合基于位移与速率的开度演化模型，探讨其在刻画滑移稳定性与渗透性演化方面的适用性与局限性。在此基础上，本文围绕影响岩体界面稳定性与渗透性演化的关键控制因素，综述了近期研究进展与未来发展方向（图2），重点包括：（1）支撑剂、（2）热效应、（3）矿物与粘土充填、（4）裂隙与断层分支结构、（5）原位弹性约束与恒定法向刚度条件，以及（6）粘裂行为对岩体界面摩擦-渗流耦合演化的影响，及其在EGS开发中的应用与挑战。
图2流体注入作用下，EGS 岩体界面响应中仍缺乏充分认识的效应与过程。
进一步地，本文强调了跨尺度、多方法的综合研究策略在理解EGS岩体界面注水响应机制中的重要性（图3）。通过对比室内实验室（室内尺度）、地下实验室（矿山尺度）以及现场EGS项目（现场尺度）的不同优势，探讨了地下实验室原位测试在沟通室内试验结果与现场观测中起到的重要作用，以及结合基于分布式光纤监测的高时空分辨率监测技术与基于机器学习方法的数据处理分析技术在EGS开发，尤其是在水平井分段压裂中的应用潜力。
图3本文提出的跨尺度、多方法的综合研究策略。实验室尺度试验有助于揭示现场尺度观测现象背后的基本物理机制。这些机制可通过矿山尺度试验加以验证，并进一步应用于现场尺度的地热工程项目。而数值模拟、解析方法以及机器学习技术是连接不同尺度过程、提升解释能力与预测能力的关键工具。
最后，基于现有摩擦-渗流耦合理论框架下的的主要研究进展，本文针对尚未充分理解的关键问题，结合最新发展动态，提出未来应重点开展的研究方向，包括进一步开发反映热-水-力-化耦合条件的试验方法，改进摩擦-渗流耦合本构框架，加强高时空分辨率监测数据处理与解析能力等，进而构建实验-数值-现场相融合的跨尺度、多方法研究体系。相关研究将为更安全、更高效的EGS设计与运行提供坚实的知识基础与理论支撑。
以上成果以“Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical Controls on Fracture and Fault Responses to Fluid Injection in Enhanced Geothermal Systems: Current Understanding and Future Directions”为题，近期发表于能源领域国际权威期刊 Renewable and Sustainable Energy Reviews（影响因子：16.3）。论文第一通讯作者为永利官网冀胤霖研究员，第一作者为其合作指导的GFZ德国波茨坦地学中心博士生孟德昊，合作者包括永利官网朱鸿鹄教授、张苏鹏博士，四川大学水利水电学院张泽天教授，以及GFZ地学中心Hannes Hofmann教授与Arno Zang教授。本研究得到了江苏特聘教授项目，国家自然科学基金青年科学基金项目与永利304官网唯一高层次人才启动资金的资助。
原文：
Meng Dehao, Ji Yinlin*, Zhu Honghu, et al. Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical Controls on Fracture and Fault Responses to Fluid Injection in Enhanced Geothermal Systems: Current Understanding and Future Directions. Renewable and Sustainable Energy Reviews. https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.116665