华北煤田南部边缘碳酸盐含水层的水文地球化学与地热测量：基于主要离子和环境同位素的见解

《Groundwater for Sustainable Development》：Hydrogeochemistry and geothermometry of carbonate aquifers at the southern margin of the northern China coalfield: Insights from major ions and environmental isotopes

碳酸盐含水层地热水形成机制及资源可持续性评估——以淮南市煤矿区为例，通过水文地球化学与同位素分析（δ1?O、δD、δ3?SO?、δ13C_DIC、1?C_DIC）及硅酸地热计，揭示南缘补给区冷HCO?-Ca型水（18.1–19.2°C）与中央排泄区Cl-Na型地热水（36.1–50.7°C）的成因差异，确定蒸发岩溶解（石盐、石膏、硬石膏）、微生物硫氧化等主导水岩作用，建立深部（平均1838m）地热循环模型，证实地热水驻留时间约34.1ka，强调资源可持续性评估必要性。

　　该研究聚焦于中国北方地区南部边缘的淮南煤矿区，重点分析了寒武纪至奥陶纪碳酸盐岩含水层中地热流体的形成机制。淮南煤矿区是中国重要的煤炭生产基地之一，其煤炭资源主要分布于石炭纪至二叠纪地层中，而其下方的碳酸盐岩含水层则构成了一个独特的地热系统。这一区域的地质构造复杂，受到多种断裂带的控制，其中福丰断裂和明龙山断裂是主要的边界，将煤矿区划分为三个不同的构造区。这些构造区之间的水文地质差异显著，尤其在水温、水化学类型以及水体的来源方面表现得尤为突出。

研究采用多种水文地球化学和同位素分析方法，对地下水样品的化学成分和同位素特征进行了系统研究。这些方法包括主要离子分析、氧同位素（δ1?O）、氢同位素（δD）、硫酸盐硫同位素（δ3?S_SO4）以及溶解无机碳（DIC）的碳同位素（δ13C_DIC）和放射性碳同位素（A1?C_DIC）分析。通过这些数据，研究人员能够识别地下水的来源、迁移路径、水体停留时间以及地热条件。这些分析不仅有助于理解地热流体的形成过程，也为评估该地区地热资源的可持续性提供了科学依据。

研究发现，淮南煤矿区的地下水化学特征存在显著的空间差异。在南部出露区，地下水主要属于HCO??-Ca型，水温较低，范围在18.1至19.2摄氏度之间，总溶解固体（TDS）含量也较低，介于0.28至0.49克/升。这些地下水通常来源于降水，并在地表附近流动，受到岩石与水之间的化学反应影响。相比之下，中央流动和排泄区的地下水则属于Cl?-Na型，水温较高，范围在36.1至50.7摄氏度之间，TDS含量显著增加，达到1.93至3.06克/升。这种差异表明，中央区域的地下水可能经历了更长的迁移路径和更深层次的循环过程，从而获得了更高的温度和更丰富的矿物质。

地热流体的形成机制受到多种因素的共同作用，包括蒸发岩溶解（如盐岩、石膏和无水硫酸盐）、常见离子效应、脱方解石化作用以及硫化物的微生物氧化。这些过程在地下水的迁移过程中相互影响，决定了地热流体的化学成分和热力学特征。例如，蒸发岩的溶解能够显著增加地下水中的氯离子和钠离子浓度，同时改变水体的pH值和电导率。而脱方解石化作用则可能导致碳酸盐岩中钙和镁的释放，从而影响水体的化学平衡。此外，微生物氧化作用在硫化物的转化过程中起着重要作用，有助于解释地下水中的硫酸盐来源。

同位素分析为地下水的来源和循环路径提供了关键线索。研究结果表明，地热流体主要来源于更新世晚期的降水，其同位素特征显示出在冷湿环境下形成的特征。这一发现支持了地下水通过地表渗透进入地下，随后在深层循环过程中获得热量的观点。通过分析氧和氢同位素（δ1?O和δD）与全球降水线（GMWL）和区域降水线（LMWL）的对比，研究人员能够确定地下水的补给来源及其在不同海拔高度下的变化。此外，硫酸盐硫同位素（δ3?S_SO4）和溶解无机碳同位素（δ13C_DIC、A1?C_DIC）的分析进一步揭示了地热流体的循环路径和停留时间，为评估地下水的更新速率提供了重要依据。

研究还利用硅地质温度计（Silica geothermometers）对地热流体的储层温度和循环深度进行了估算。结果显示，储层温度范围为59.8至80.1摄氏度，平均温度为67.4摄氏度，而循环深度则在1565至2291米之间，平均为1838米。这些数据表明，地热流体在深层环境中经历了显著的热交换过程，最终通过断层和裂隙上升至地表，形成排泄区。这一循环模式不仅影响了地下水的热力学特征，也对区域生态环境和地热资源开发具有重要影响。

在淮南煤矿区，由于地热流体的更新速率较慢（平均停留时间约为34.1千年前），因此在开采前必须对其资源的可再生性进行评估，以避免因过度开采而导致的资源枯竭。这一发现强调了在进行地热开发时，必须采取可持续的管理策略，确保水资源的合理利用和生态环境的稳定。同时，研究结果也为“煤-热（水）协同开采”技术的发展提供了理论支持，该技术旨在通过同时开采煤炭和地热资源，实现能源开发的绿色转型。

该研究的意义不仅在于揭示了淮南煤矿区碳酸盐岩含水层中地热流体的形成机制，还为类似地质条件下的地热资源评估和开发提供了可借鉴的模型。通过建立一个概念性的水文地质模型，研究人员能够更清晰地描绘出地热流体的循环路径和热力学特征，为未来的地热勘探和开发提供了科学指导。此外，研究结果还对煤矿区的水文地质安全具有重要意义，特别是在预防矿井水灾害和保障开采安全方面，能够为相关决策提供数据支持。

在方法论上，该研究采用了综合分析的方法，结合了水化学分析、同位素示踪以及地质温度计等多种手段，以全面评估地热系统的特征。这种方法不仅提高了研究的准确性，也增强了对复杂水文地质系统的理解能力。例如，通过比较不同区域的水化学类型，研究人员能够识别出地下水在不同地质环境下的演化路径。而同位素示踪则为地下水的来源和迁移提供了更加直观的证据，使得研究结果更具说服力。

此外，研究还指出了当前在该地区地热资源研究中存在的不足。尽管已有大量关于碳酸盐岩含水层的水文地质研究，但这些研究大多集中在喀斯特地貌的形成特征和水化学性质上，缺乏对地热流体来源、循环路径和停留时间的系统性分析。因此，本研究通过整合多种分析方法，填补了这一知识空白，为未来的研究提供了新的方向和思路。

在实际应用方面，研究结果对淮南煤矿区的地热资源开发具有重要指导意义。首先，研究明确了地下水的补给来源和循环路径，有助于制定合理的开采方案，避免对地下水系统的过度干扰。其次，通过估算储层温度和循环深度，研究人员能够评估地热资源的热能潜力，为开发高品位地热能提供科学依据。最后，研究强调了地热资源的可持续性问题，提醒在进行地热开发时必须考虑水资源的更新速率，以确保资源的长期可用性。

总体而言，该研究不仅深化了对淮南煤矿区碳酸盐岩含水层中地热流体形成机制的理解，也为全球煤炭资源开发中的地热利用提供了理论支持和实践指导。随着全球对清洁能源需求的增加，地热资源作为一种可再生的能源形式，其开发和利用将变得越来越重要。特别是在煤炭资源日益枯竭的背景下，如何在保证能源供应的同时，减少对环境的影响，成为亟待解决的问题。因此，本研究的结果对于推动煤炭行业向绿色低碳转型，具有重要的现实意义和科学价值。