矿物沉淀和溶解是地球临界带中广泛存在且相互耦合的地球化学过程，它们是控制地下储层孔隙率和渗透率长期演变的主要因素（Noiriel, 2015）。准确预测这些形态变化对于工程应用至关重要，例如碳捕获和储存（CCS），其中由于矿物沉淀或 trapping 导致的注入能力下降是一个主要问题（Hajiabadi et al., 2021），以及地热系统，其中流体循环可能受到严重影响（Jamero et al., 2018）。虽然矿物反应的热力学特性已经得到很好地理解，但在现场观察到的反应速率通常与实验室批量实验的结果相差数个数量级（Ding et al., 2017）。这种差异主要是由于孔隙尺度上的传输限制，流动、扩散和表面几何形状之间的相互作用调节了反应物的供应并控制了沉淀物的空间分布（Noiriel and Daval, 2017）。
自然沉积颗粒表现出显著的形态异质性，这对孔隙尺度上的反应传输有重要影响。与理论研究中常用的理想化球形颗粒不同，自然岩石颗粒具有复杂的表面地形，这些地形由断裂、风化和成岩过程形成（Mejía-Ledezma et al., 2020）。这些表面具有从纳米级的晶体阶梯到微米级的角度粗糙度和风化坑洞等多尺度粗糙度（Yang et al., 2016），从而形成局部化的流动分离、停滞和再循环区域（Deng et al., 2018; Meakin and Tartakovsky, 2009）。此外，沉积过程和构造变形通常通过叠层或颗粒结构的发展产生特定的颗粒取向（B?rzs?nyi et al., 2012; B?rzs?nyi and Stannarius, 2013），这意味着特定的表面特征会系统性地面对上游停滞区或下游流动阴影区。虽然已知颗粒结构会影响整体渗透率的各向异性（Clavaud et al., 2008），但它对孔隙尺度上沉淀模式的控制作用，特别是顶点朝向与面朝向颗粒产生的沉积物差异，仍然知之甚少。微流控实验开始揭示几何异质性的重要性：在断裂的多孔介质中，非均匀流场会产生空间变化的矿物转化率（Poonoosamy et al., 2020, 2019）；重晶石成核优先发生在孔隙角落和表面不规则处（Poonoosamy et al., 2023）；混合诱导的碳酸钙沉淀在孔隙 throat 和混合界面上集中（Yoon et al., 2012）；方解石晶体形态在 Pe-Da 条件下有显著差异（Nguyen et al., 2025）。这些观察表明，颗粒表面粗糙度可能对沉淀物的空间分布起一级控制作用，而颗粒方向可能是一个独立的额外影响因素，但迄今为止尚未系统地研究这两种因素在不同传输-反应机制下的作用。
孔隙尺度上的反应传输由三个基本过程竞争控制：对流传输、扩散传输和化学反应，分别由Péclet数 Pe（对流速率与扩散速率的比值）和Damk?hler数 Da（反应速率与扩散速率的比值）表征（Meakin and Tartakovsky, 2009）。大多数理论和数值研究都依赖于理想化的光滑球体来建立基线的 Pe-Da 行为（Emmanuel and Berkowitz, 2005; Soulaine et al., 2017; Starchenko, 2022）。这种简化便于分析验证和明确的机制分类，但它忽略了自然多孔介质的一级几何异质性。迄今为止最全面的孔隙尺度沉淀研究使用了基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）的界面跟踪方法，考虑了不同的 Pe-Da 条件（Starchenko, 2022），但几乎仅限于最初光滑的球形颗粒，仅在停滞点添加了少量人工粗糙度以防止数值奇异性。其他孔隙尺度沉淀研究通常只考察了狭窄的 Pe 或 Da 值范围（Tartakovsky et al., 2007; Yoon et al., 2012），因此无法区分几何效应和传输-反应机制的依赖性。此外，最近的微连续介质建模和X射线纳米断层扫描（XnT）实验表明，纳入概率性、非均匀成核对于准确捕捉受限孔隙空间中的矿物沉淀至关重要（Yang et al., 2024）。然而，尽管这些随机成核模型成功预测了从优先沉淀到均匀沉淀的转变，但在不同传输机制下，非均匀成核和多尺度几何表面粗糙度的耦合效应仍大部分未被探索。因此，目前尚不清楚颗粒表面粗糙度主要是作为有效反应速率的被动修改器，还是作为在 Pe-Da 空间中重新塑造沉淀模式的主动控制因素。相比之下，表面粗糙度在裂缝和粗糙通道中的溶解过程中的作用已被广泛研究，其中粗糙度会产生“流体动力学阴影”或颗粒凹陷中的不动区域，从而限制了局部反应速率（Deng et al., 2018; Molins et al., 2021）。此外，随着流速的增加，从蠕动流动到惯性层流的转变引入了复杂的三维流动拓扑结构，如再循环区和螺旋涡流，这些结构显著改变了反应的空间分布（Kang et al., 2014; Yoon et al., 2021）。尽管这些研究阐明了溶解机制（通常通过平滑不规则性或通过蠕孔作用扩大现有通道），但在完整的 Pe-Da 参数空间内，粗糙表面上沉淀的形态演变仍被大大忽视。
为了解决这些空白，我们利用fhdFoam反应传输求解器（Starchenko, 2022）进行了75次孔隙尺度模拟，该求解器启用了成核功能，系统地将颗粒表面粗糙度与 Pe-Da 条件耦合起来。我们的参数空间包括三个维度：(a) 五种代表不同自然粗糙度原型的颗粒几何形态，包括 calciteSphere（光滑的理想化颗粒）、calciteSimilar（模拟风化表面的随机多尺度粗糙度）、calciteSinusoidal（代表晶体表面的周期性圆形粗糙度）、calciteAffine（代表沉积排列的方向不对称粗糙度）和 calciteTriangle（代表碎屑颗粒边缘的尖锐角度特征）；(b) 三个 Péclet 数（Pe?=?0.714–71.4），涵盖了从以扩散为主到以对流为主的传输机制；(c) 五个 Damk?hler 数（Da?=?0.034–340），涵盖了从反应受限到传输受限的条件。这个框架使我们能够 (i) 确定沉淀模式从均匀转变为局部的阈值；(ii) 确定初始颗粒粗糙度是作为持久的几何模板还是被Mullins-Sekerka不稳定性所覆盖（Mullins and Sekerka, 1963）；以及 (iii) 确定表面几何形状与流动-反应机制在控制沉淀物空间分布中的相对重要性。我们的发现表明，颗粒表面粗糙度与 Pe 和 Da 非线性耦合，从而控制沉淀物的异质性和方向性，这对碳储层、地热能和地下水管理应用中的反应-传输模型放大具有重要意义。
