华北型煤田奥陶系岩溶水水文地球化学特征及其对地热的指示意义

创新点

（1）揭示了淮北煤田岩溶地热水补给来源与循环特征，阐明了岩溶地热水赋存环境空间差异的水文地球化学响应。

（2）选用合适温标评估了热储温度并计算了循环深度，提出了淮北煤田岩溶地热水形成演化模式。

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华北型煤田奥陶系岩溶水水文地球化学特征及其对地热的指示意义

作者：张杰，陈陆望，侯晓伟，张苗，胡永胜

单位：合肥工业大学资源与环境工程学院

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

我国煤炭资源禀赋，其在国民经济和能源消费总量中占有重要地位。华北型煤田作为我国重要的煤炭产区与西北、西南产区共同占有全国原煤产量的88.3% 以及煤炭资源保有总量的95.5%。奥陶系灰岩岩溶含水层作为华北地区典型灰岩含水层，具有水量充沛、水压高以及补给范围广泛等特点，是当地居民重要的生活用水资源。此外，20世纪 90 年代初期以及“十二五”期间，我国分别对华北平原地热资源开展了 2 次详细的系统研究，总结了华北地区地热场特征及地热资源成藏模式，并评估了地热资源潜力。结果表明华北平原中、低温地热资源丰富，拥有巨大的开发潜力，碳酸盐岩岩溶层是地热水主要储层之一。因而，华北型煤田奥陶系岩溶水是兼具水、热于一体的绿色新能源，科学合理的开发该类资源具有可观的经济与环境效益。但是，随着浅部资源的逐渐枯竭，近年来华北型煤田煤层开采正快速向深部延伸。大规模地下开采势必对区域地下水系统造成严重扰动，涉及补给来源、径流通道以及排泄位置等，致使煤矿区水文地质条件复杂化。对华北型煤田地下水而言，其水文地球化学特征及演化是自然过程 (包括地下水循环、地质构造以及矿物溶解与沉淀等) 和人类活动 (包括煤炭开采、疏排地下水、农业灌溉和生活用水) 共同作用的体现。水文地球化学特征对矿区地下水所经历的以及正在进行的水文地球化学过程具有重要的指示意义，同时也为评价采动影响下煤矿区深部岩溶地热资源赋存环境与形成机制提供了详细的水文地质信息。

淮北煤田作为典型的华北型隐伏煤田，位于华北平原南端，其煤炭开采历史始于 20 世纪 60 年代，是我国华东地区重要的煤炭基地。但长期大规模的开采使得区内煤炭资源逐渐枯竭，北部矿区多数矿井已闭坑，南部矿区多数矿井也已进入深部开采阶段。因而，在煤炭资源逐渐枯竭的背景下，结合地区条件，探索新的经济增长点已成为区内主要城市亟待解决的关键问题。淮北煤田碳酸盐岩广泛发育，且沉积厚度大，尤以奥陶系岩溶含水层最为显著。前期资源评价表明淮北煤田地热分布广、储量大，深部岩溶含水层地热储存热量为62.20×1014 kJ，约合标准煤2.11亿 t，大力开发地热是该区重点发展方向之一。目前为止，对淮北煤田的地热研究主要集中在通过整理与收集地面钻孔井温以及井下巷道围岩测温数据基础上，根据岩样热导率测试结果并结合区域构造分布格局、岩性变化、岩浆岩等分析地温梯度、地温场与大地热流分布特征及其控制因素等方面。此外，鉴于地下水活动对于围岩温度场具有重要影响，且不同的运动方式其影响程度存在显著差异，亦有学者分析了淮北煤田各矿区地下水流场与地温分布特征之间的关系。此类研究成果较为全面的阐述了淮北煤田地热地质条件的形成及控制因素，为后续地热资源的研究打下了坚实的基础。对于淮北煤田深部岩溶水水文地球化学研究早期以分析水化学、同位素、微量元素为主，揭示并阐明了其分布特征以及循环模式。近期相关研究多以分析采动影响下包括灰岩在内的多个含水层的水文地球化学时空演化及其多因素控制机制。上述成果较为详细的阐明了淮北煤田深部岩溶水水文地球化学特征与演化规律以及开采进程中多因素的控制作用。然而迄今为止，水文地球化学对淮北煤田深部岩溶地热水起源、赋存环境和形成机制等的指示意义还远未充分认识，致使区内尚未形成完整的地热研究体系。

综上所述，淮北煤田奥陶系岩溶水是集水、热于一体的绿色能源，笔者在大量收集地质与水文地质以及水化学等资料的基础上，利用地面水文孔及井上下补充勘探孔等采集奥陶系岩溶地热水样，采用试验测试与理论分析相结合的研究手段，结合区域地质、水文地质以及地热地质条件等，明确岩溶地热水补给来源，评估热储温度及循环深度，揭示地热赋存环境空间差异的水文地球化学响应，阐明水文地球化学特征对地热分布的指示意义，提出岩溶地热水形成演化模式。研究成果对淮北煤田深部岩溶中、低温地热资源的开发和利用具有重要的理论意义与实际应用价值，同时对于区域生态文明建设具有深远的战略意义。

摘要

ABSTRACT

华北型煤田奥陶系岩溶水是集水、热于一体的绿色能源，明确受煤层开采影响其补给来源、热储赋存环境、径流与循环等形成演化特征对于地热资源的勘探与开发具有重要意义。在充分了解典型华北型煤田−淮北煤田地质、水文地质及地热地质条件的基础上，采集区内岩溶地热水样品进行水化学及同位素测试并收集相关成果进行数据补充，揭示了岩溶地热水水化学成分特征及水−岩作用类型，明确了地热水补给来源，评估了岩溶热储温度及地热水循环深度，提出了研究区地热水形成演化模式。

结果表明:淮北煤田岩溶地热水主要来源于大气降水补给，北部闸河矿区以直接入渗补给为主，水化学表现为HCO3−Ca型，水−岩作用以溶滤溶解为主，指示该区地热水更新速率较快、循环路径短;南部宿县和临涣矿区仅在部分区域接受大气降水蒸发入渗补给并与古地下水混合明显，水化学类型多样，包括SO4−Ca、SO4−Ca·Mg、HCO3·SO4−Ca·Mg、SO4−Ca·Na、 Cl·SO4−Na、Cl−Na 等，水−岩作用类型以溶滤溶解及阳离子交替吸附 (正反向) 为主并伴有脱白云石化作用，指示该区地热水滞留时间久、循环路径长，热储环境更为封闭。选用石英温标及改进的 SiO2 温标估算该区热储温度范围 34.8~69.1 °C，地热水循环深度881~2 281 m。淮北煤田岩溶地热水形成演化受构造控制明显，地热水循环更新能力、热储温度、循环深度以及水化学环境均存在显著空间差异，岩溶地热资源的开发和利用应综合考虑区域特点。

部分图片

图 1    淮北煤田地质构造、矿区与水样分布

图 2    研究区岩溶发育与采动影响程度分析

图 3    研究区岩溶水样 Piper 三线图

图 4    研究区岩溶水样离子比例图解

图 5    研究区氢氧稳定同位素组成散点

图 6    研究区岩溶水样 HCO3 − /Cl−与 Cl−质量浓度关系

图 7    研究区岩溶水样 TDS 质量浓度与标高关系

图 8    岩溶水样 Na−K−Mg 三角图与主要矿物饱和指数

图 9    淮北煤田北部岩溶地热水形成演化模式

图 10    淮北煤田南部岩溶地热水形成演化模式

作者简介

张杰，男，1994年8月18日生，安徽合肥人，2023年6月毕业于合肥工业大学，现为池州学院地理与规划学院讲师。参与国家自然科学基金项目1项，完成横向课题3项，在《Science of the Total Environment》、《Mine Water and the Environment》等国际期刊发表论文5篇，申请国家发明专利1项，参与起草国家能源行业标准1项。

研究方向

矿山水文地质、地热资源开发

主要成果

基于地质背景与水文地质条件明确了皖北地区多含水层系统间混合路径与模式及导水构造作用机制；揭示了岩溶水水文地球化学时空演化特征，阐明了地形地貌、地质构造和人类活动等多因素控制下岩溶水系统水动力场、水化学场和温度场多场耦合效应；评价了碳酸盐岩热储赋存环境特征差异的水文地球化学响应，阐明了地热资源成因及演化特征，提出了皖北地区岩溶水资源化利用模式。

来源：

张杰，陈陆望，侯晓伟，等. 华北型煤田奥陶系岩溶水水文地球化学特征及其对地热的指示意义[J]. 煤炭学报，2023，48(10):3831−3844.

责编：王凡

编辑：赵泽维

审核：张晓宁

　　责任编辑：宫在芹

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