近年来,由CO2大量排放导致的温室效应加剧问题使环境与生态系统面临严峻的挑战,成为全球经济可持续发展中的一个重要议题。CO2减排已成为缓解气候变化的一项迫切而重要的科学与工程任务。当今生活及工业生产中的能源供给仍大量依赖于传统化石燃料(煤,石油和天然气等)的燃烧,旨在对其废气中的CO2进行捕获和封存的CCS (CO2 capture and storage)技术经过多年的试验以及相关技术的研究和发展则成为最具可行性的大规模工业减排措施。CCS主要过程包含CO2的分离,将其压缩至超临界状态,经由高压管道运输到合适的地下封存地点,拟对其进行永久性封存。为了降低工程运作成本,CO2也会和其他杂质(主要包含H2,H2S和SOx等)一起封存。封存到地下的流体在浮力和压差的作用下向上以及周围压强较低的区域运动。在封顶岩层的结构俘获,以及储层中多种物理、地质化学作用的俘获机制下,注入的流体的运动拟限制在有限的安全区域内。但是CO2永久封存涉及到的地质活动是一个较为缓慢的过程,在封存早期注入的流体在运动的过程中可能会遇到不理想的地况而发生泄漏,因此CO2封存的安全性和有效性不仅依赖于前期封存地址的选择以及这些俘获机制的作用,后期封存过程中对CO2的运动实施有效的监测更是必不可少的技术保障。鉴于注入的气体最终实现永久封存所需的时间,对一个CO2封存项目实施安全监测需持续数百年的时间。CO2封存监测可分为深层监测和浅层监测两个方面。深层监测在于实时确认动态的CO2分布区域边界,以确保CO2在拟定的安全区域内活动,并为理论预测模型的证实和修正提供数据基础；浅层监测是针对可能的封存气体泄漏行为实施的,测量泄露的位置、数量以及对泄漏区域中的环境以及生态的影响等。一个完善有效的监测系统不仅在于观测CO2的实时动向,也在于和相应的补救措施共同保证封存的安全性和有效性。目前应用于项目试点中以及处于理论或实验研究中的监测技术主要包括物理和化学监测两个方面,这些监测技术是插话式的、不连续的,因此在一个封存项目中实施的时间、频次成为待解决的问题。建立连续的测量系统则成为一个有效的解决方法。本文旨在研究一种新型的使用宇宙射线μ子作为粒子源的射线成像技术对CCS封存过程实施连续监测的可行性。该射线成像方法使用自然发生的、连续入射到地表的宇宙射线μ子无损探测物体内部的结构或者随时间的变化情形。宇宙射线μ子作为一种高穿透性的粒子源,能够克服传统X射线、γ射线等粒子成像的尺寸限制(厘米级),使得这种无损探测方法在大尺寸的地质成像中得以应用。入射到地表的宇宙射线μ子有很宽的能谱,μ子与物质之间的相互作用导致能量较低的μ子损失全部能量而不能透射目标物体。统计学上,在一定时间内穿透被探测物体的宇宙射线μ子数目与其路径上的物质种类、密度及路径长度相关。当物体内部发生变化,包括物质种类以及密度的变化,在相同测量时间内透射的μ子事件统计数目可能会随之变动；反之,通过测量比较沿不同方向出射的宇宙射线μ子数目的统计信息随时间的变化,可以在一定精度上推断出目标物体内部的变化情形。本文基于已有相关研究基础上,进一步对宇宙射线μ子成像方法在CCS监测应用中的可行性开展了以下三个方面的模拟研究：1、提高模拟精度,主要从入射粒子源的抽样模型以及μ子在被探测物体中传输过程的模拟两个方面进行;2、该方法可达到的空间分辨率水平；3、不同参数对该方法探测效率的影响。论文研究内容主要包括以下几个方面：首先根据实验数据构建了入射至地表的宇宙射线μ子产生模型,利用该模型完成了从不同天顶角入射的μ子能谱抽样。运行抽样模型的结果显示,该产生子得到的μ能谱分布和实验数据有较高的吻合度。运用开发的Geant4程序,构建了宇宙射线μ子在地下封存室中的传输过程模拟,分别探究了该方法在深层监测和浅层监测中的探测效率。模拟结果显示,宇宙射线μ子的衰减程度对深层封存介质盐水层中的超临界CO2的出现有较高的敏感度,且内禀空间分辨率可缩小在～10m数量级范围内;对浅层介质中泄露的CO2气体有更高的敏感度,内禀空间分辨率水平也随着深度的降低而提高。进一步研究了探测周期、杂质气体、以及气体泄露深度等因素对该方法探测效率的影响,以此深化认识该方法在CCS监测中的使用范围。综合模拟结果表明,该方法能够作为一种有效的监测方法对CCS实施连续且经济可行的监测,可供作为CCS监测系统的一部分为其他插话式测量的内容及频次的确定提供信息基础,有效保障CO2封存的安全性和有效性。