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CO2等温室气体的不断增加,引起了全球变暖等生态环境问题。深部咸水层是目前最具发展前景的CO2地质封存场所之一。超临界CO2注入深部咸水层后与咸水、岩石发生一系列物理和化学反应,引起岩层孔隙结构、渗透性和完整性变化,可能造成CO2泄露,降低封存的安全性和效率。开展咸水-CO2-岩石相互作用机理及其对岩层稳定性和渗透特性影响的研究,对于保障深部咸水层CO2封存工程稳定具有重要理论价值和实践意义。本文依托国家自然科学基金项目（41272344）和江苏省杰出青年基金项目（BK20150005）,以砂岩为研究对象,采用室内试验为主、数值模拟和理论分析相结合的方法,开展了以下研究工作:（1）通过先进的岩石高温高压三轴试验系统、实时超声波与声发射监测系统和数字照相量测与三维图像分析系统,获得了不同浓度盐水作用下砂岩三轴力学特性,分析了砂岩在三轴加载下超声波演化规律,研究了不同裂隙几何分布下砂岩裂纹扩展特征,探寻了砂岩破裂过程全应变场和局部应变特征,探讨了试验温度对砂岩变形破坏特征的影响,建立了基于声发射的砂岩损伤本构方程。试验结果揭示了CO2注入前复杂赋存环境（盐水浓度、埋存深度、温度以及裂隙分布等）对深部咸水层岩石力学损伤特征的影响规律。（2）自主研制了岩石气液两相溶蚀装置,结合岩石力学伺服试验系统,开展了砂岩单轴压缩、巴西劈裂以及断裂试验,研究了盐水-超临界CO2共同作用对砂岩单轴压缩强度、拉伸强度以及断裂韧度的影响。利用高分辨率CT扫描和显微观察系统,从孔隙尺度揭示了盐水及超临界CO2作用岩石机理。试验结果有助于深入理解超临界CO2注入深部咸水层后岩石力学响应特征。（3）自主研制了岩石全自动气液两相渗透率测试系统,开展了不同渗透压、围压、轴压和温度等条件下经历不同浓度盐水饱和砂岩气态和超临界CO2渗透试验,揭示了盐水浓度、渗透压、有效围压和温度等对砂岩CO2渗透率的影响规律。试验结果可为评价深部咸水层CO2可注入性及存储量提供参考。（4）基于细观力学参数弱化思想,利用离散元-三维颗粒流程序（PFC3D）成功模拟了不同浓度盐溶液作用后岩石三轴压缩变形破裂过程;采用删除颗粒方法预制张开裂隙,获得了三轴加载下裂纹萌生、扩展和贯通行为,结合内部切片和微观CT扫描,揭示了砂岩三维裂纹扩展机制;采用矿物颗粒线膨胀方法,成功模拟了岩石温度-应力耦合力学行为,揭示了加温过程热裂纹演化特征。模拟结果进一步加深了对盐水-岩石相互作用、裂纹扩展机制及热-力耦合行为的理解。该论文有图196幅,表32个,参考文献400篇。