利用地球化学方法对地热水与岩石相互作用过程及传输模式进行表征

地热流体水岩相互作用及循环路径研究以雄安新区荣城地热场为对象，结合水化学分析、稳定同位素技术及反演模拟，揭示碳酸盐型地热流体因高温高压环境产生显著δ¹⁸O分异及强水岩反应，并建立三种循环模式。

张汉雄|王桂玲|张伟|王梦梦

中国地质科学院水文地质与环境地质研究所，石家庄，050061，中国

摘要

地热资源是一种绿色可再生能源，其高效开发和利用已成为世界各国共同关注的重要研究方向。了解地热水的传输过程、循环模式、水岩作用以及地球化学变化过程是实现地热资源高效开发与利用的重要前提。为了阐明水岩相互作用机制及地热水的循环路径，本研究选择了中国雄安新区的荣城地热场作为研究区域。通过结合水化学分析、稳定同位素技术和水化学反演建模的方法，系统地表征了该地区地下水系统的地球化学演化特征。水化学分析表明，地热水主要为Na-Cl型，总溶解固体（TDS）含量超过1000 mg/L，远高于Ca-HCO₃型的浅层地下水。同位素数据（δ¹⁸O和δ²H）证实所有类型的水均来源于大气降水，其中地热水表现出明显的“δ¹⁸O偏移”现象及较低的氘过量值，这反映了在高温条件下的强烈水岩作用。水岩平衡状态的结果显示，研究区域的水样处于部分平衡且未完全成熟状态。饱和指数（SI）计算进一步表明，在水文作用下，玉髓和石英比其他矿物更接近饱和状态。由于不同的循环路径，碳酸盐型地热水具有更深的循环深度和更高的储层温度。基于聚类分析、水岩相互作用、水循环路径的反演模拟以及典型剖面的精细化概念模型，提出了三种循环模式（方向1、2和3）。研究结果表明，方向3代表深部碳酸盐型地热储层循环，该类型地热水经历了更强的还原作用和水岩反应，因为其所处的环境温度和压力高于方向1和2。本研究结果为地热资源的深入研究提供了科学理论支持。

引言

地热资源包括地热能、地热水及其在地球内部可被人类经济利用的有效成分（Wang等，2017）。随着减少全球气候变化、实现碳中和和碳达峰的需求增加，地热资源在清洁能源中的重要性日益凸显（Karlsdottir等，2020）。全球许多国家都开展了地热资源的开发与利用及相关科学研究（Spittler等，2020；Jalilinasrabady和Itoi，2013；Barbacki，2012；Bina等，2018；Górecki等，2015）。中国的地热资源开发以中低温资源为主，同时也有高温资源（Wang等，2020）。在中低温地热资源中，热液型地热资源是当前开发与利用的重点。地热水是热液型地热资源开发与利用的主要载体，其水岩作用机制、成因机制及地球化学机制是目前热液型地热资源研究的主要方向（Wang和Lin，2020；Zhang和Xiao，2024；Liang等，2018）。

许多学者采用多种方法研究地热系统中的水岩相互作用、成因机制及循环特征（Yin等，2024；Yu等，2023；Wang等，2022；Zhou等，2023；Jia等，2024；Deodhar等，2020）。这些研究通常旨在绘制离子的化学演化图谱并分析同位素变化特征（Mitic等，2014；Wang等，2018；Procesi等，2022；Zhang等，2023）。特别是同位素组成提供了关于储层条件的关键信息。例如，温度对热储层岩石的氧同位素组成有显著影响，δ¹⁸O值随温度升高而降低（Zhao等，2020）。同样，方解石的同位素比值可用于指示原位温度下的平衡状态，从而作为划分高渗透率区域的可靠指标（Torres-Alvarado等，2012）。此外，不同储层之间的氢和氧同位素组成存在显著差异，这些特征有助于研究人员确定地层结构、估算水力传导性，并推断上下层裂隙之间的水力联系（Li等，2022；Liu等，2023）。

地热水中的特定地球化学元素来源于多种物理和化学过程。矿物（如方解石、白云石、石膏和萤石）的溶解通常决定了主要离子的来源（Roy等，2018）。在岩浆系统中，元素含量受水岩作用、次生矿物溶解度及岩浆贡献的影响；而在非岩浆系统中，元素主要来源于碳酸盐储层岩石的溶解（Shang等，2024）。镁离子（Mg²⁺）值得特别关注：尽管它是地下水的主要成分，但在高温环境中常被其他元素取代。然而，酸性地热水中的Mg²⁺浓度通常高于中性地热水，并且受温度、pH值和盐度的显著影响（Guo等，2019）。此外，流体沿断层上升及冷水混合等水动力活动对地球化学特性有深远影响（Fournier，1974，Fournier，1977；Bülbül，2015）。例如，在太行山区，冷水混合会影响浅层Ca-HCO₃地下水；而在火山区域，对流活动可能导致深层富含CO₂的地热水补充到浅层（Mahwa等，2023）。

在当前的水地球化学研究中，相关性分析和各种统计数据分析被广泛用于进行地球化学分析，以更好地理解离子之间的关系。通过基于热力学过程的统计分析，可以更有效地解释地下发生的地球化学过程（Qian等，2018）。此外，许多研究人员利用地球化学反演模拟建立了水循环路径的反演模型，成功揭示了沿地下水循环路径的地球化学演化特征（Liu等，2019；Dai等，2006）。地球化学建模方法的优势在于能够考虑地球化学系统中发生的各种化学反应（Peikam和Jalali，2016），因此更适用于研究地下水循环中的地球化学反应。基于上述研究方法的特点，可以有效地确定雄安新区地热水的地球化学反应过程及循环路径。

本研究利用统计聚类分析方法、水文地球化学分析、稳定同位素分析和反演地球化学模拟，详细探讨了降水、浅层地下水、地热水及其水岩相互作用的原因。研究区域选为中国雄安新区西北部的荣城地热场。尽管已有许多学者对该地热场的成因机制进行了研究（Zhang等，2022；Zhu等，2021；Zhao等，2020），但尚未利用聚类分析法研究地热水的地球化学特征，且仅对其进行了初步讨论。该地区不同类型水的地球化学特性研究较少，不同类型水之间的内在联系也尚未得到探索。本研究旨在通过深入分析地热水的地球化学过程和水岩反应，确定不同类型地热水及浅层地下水的传输路径和循环机制，为未来的地热水地球化学表征提供新的方法和思路。

研究区域

雄安新区位于太行山脉东麓、冀中平原中部、南茹马河下游河岸以及大清河流域的冲积扇上，是太行山脉山麓平原向冲积平原过渡的区域。该地区西部和北部的地形较高，东部和南部较低，地面海拔为5–20米，坡度逐渐减小

材料与方法

研究区域共收集了31个水样（编号X1–X31），包括1个降水样（X1：在雨天采集）、7个浅层地下水样（X2–X8：从浅层民用水井采集）、9个砂岩型地热水样（X9–X17：从位于砂岩层中的带过滤装置的地热井采集）和14个碳酸盐型地热水样（X18–X31：从同样位于砂岩层中的带过滤装置的地热井采集）

水化学特征

X1为降水样，X2–X8为来自西北部山区的浅层地下水样，X14和X18采集于白杨店和龙王Run排水渠附近，其余样品为从砂岩热储层和碳酸盐热储层采集的地热水样（表1）。表1展示了研究区域水样中的离子含量。pH值范围为6.94至8.78，平均值为7.75

结论

尽管研究区域的水主要分为三种循环模式，但水的不同地球化学特征是由水的停留时间和循环距离的变化、水岩反应过程、周围岩石的性质以及循环过程中的压力和温度条件共同决定的。根据水的这些差异，对每种水的地球化学成分进行了聚类和分析

作者贡献声明

张汉雄：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据管理、概念构建。王桂玲：撰写 – 审稿与编辑、项目监督。张伟：初稿撰写、形式化分析、数据管理。王梦梦：数据管理。

未引用参考文献

Ma等，2017

Tao等，2023

Temizel等，2020

Zhang等，2020a

Zhang等，2020b

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了深地探测与矿产资源勘探-国家科技重大专项（项目编号2024ZD1004008）、中国地质科学院、国家基础研究运行费（项目编号SK202302）以及热存储与热传递控制技术的研究与应用（项目编号DJ-ZDXM-2022-11）的支持。同时，我们也非常感谢