地热以其资源丰富、污染小、运营成本低等优势，正成为受人们青睐的一种新能源，具有重要的经济意义。长期以来，我国的地热研究及开发主要集中在具有地表热显示的中、高温地热田，中低温隐伏型地热资源未受到足够重视。随着传统能源日益短缺及对清洁能源需求量的增大，隐伏型中、低温地热的开发变得目益迫切。而开展隐伏型中、低温热水的成因、机理和水—岩相互作用等基础研究，对该类型地热能源的开发利用具有重要的指导意义。在太原地区，1995年前只开展过地热资源的零星勘查工作。1995年至今，陆续钻探出17眼热水井。山西省地质工程勘察院曾于2004年和2005年分别完成《山西省太原市西边山热矿水勘查》和《太原市地热水资源调查评价》工作，但以传统的探测手段为主，未对太原岩溶地下热水的形成机理进行过系统的研究。目前为止，对太原地下热水的成因尚未形成统一的认识，对热水分布和形成机制也有待进一步的研究。本研究对太原岩溶冷、热水进行了全面的调查，尤其是对热水进行了迄今最新最系统的一次调查、采样及测试工作，并深入分析了太原岩溶热水资源的形成机制。论文首先通过研究区地质、水文地质条件，特别是构造特征及其水文地质学意义的分析，对岩溶水系统进行了划分，分析了其水动力特征；借助物探、热红外遥感、钻探测温等技术，分析了岩溶水的温度分布特征，完成了地热水异常区的圈划；然后基于岩溶冷水与热水的温度、水化学和同位素测试数据，从水文地球化学、水—岩相互作用和同位素地球化学三个方面，分析了热水的流动模式；最后，对上述研究成果进行总结，提出太原碳酸盐岩热储陷伏型中低温热水形成的水文地质概念模型。1．岩溶水温度分布特征根据热红外遥感解译结果、CSMAT物探工作成果和钻探测温结果，分析了太原奥陶系中统地层岩溶水温度分布情况，发现：（1）从边山到盆地区，整个岩溶水系统的水温呈不断增高的趋势。（2）不同的岩溶水系统，水温的变化有所不同。①对北山岩溶水系统，从补给区→径流区→排泄区，水温一般都小于15℃，局部排泄区可达18℃。②西山岩溶水系统的水温，总体上呈西北向东南增高趋势，但不同构造区增温程度不同。在汾河以北，水温小于15℃；在镇城底—清徐向斜的东南侧，有明显的水温高值异常区；在王封地垒—三给—西铭主径流带，出现低温异常；在石相—原千峰地区，沿径流方向缓慢增温，至山前断裂带水温变高。③对东山岩溶水系统，沿东北方向至山前排泄带，水温逐渐增大。④在盆地区，亲贤地垒岩溶水温度较高，西温庄、小店区都显示出较高的水温异常。（3）凹陷区为岩溶热水的赋存提供了良好条件，但巨厚的盖层，对岩溶热水开采的经济性有影响。2．岩溶水水文地球化学特征在研究区不同地点和不同深度，分4次共采集地下水（冷、热水）、地表水、大气降水样67组，进行了水化学常量元素、微量元素、气体成分等指标的测试，通过各岩溶水系统不同区段水文地球化学测试数据的对比分析，发现：（1）从补给区→径流区→排泄区，岩溶水水化学类型按HCO₃→HCO₃·SO₄→SO₄的顺序转变，矿化度依次增大，由＜0.5 g／l增至～1 g／l，再增至＞2 g／l，SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺离子浓度不断增大，HCO₃^-含量基本不变；随岩溶水的温度增高，Sr、Si、Fe、F及一些微量元素含量不断增大。（2）在水化学三线图上，冷水样与热水样位于不同区域，而位于两者之间的点则显示了冷、热水混合作用的存在。（3）水化学数据的空间分布特征表明，较冷的排泄区岩溶水可能来自局部流动系统；深部温度较高的岩溶水可能来自于区域流动系统。3．水—岩作用过程选择地球化学温标进行热储温度的计算，并由地温梯度推算热水的最大循环深度；利用PHREEQC软件计算所有水样中各种矿物的饱和指数，结合各组分与温度间、不同组分间关系的分析，推断Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-离子及氟、硅、锶的水文地球化学过程，发现：（1）太原热水属“未成熟水”，即水—岩相互作用尚未达到平衡；石英温标比较适于推断热储温度；水文地球化学温标的计算结果表明，太原热储温度介于35℃～68℃，岩溶热水循环深度介于898～2192 m。（2）热水水化学特征的形成过程主要受碳酸盐溶解及冷、热水混合作用影响。①各岩溶水系统补给区的Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃主要是由碳酸盐和白云岩溶解生成，排泄区的Ca²⁺则有其他来源，即径流过程中石膏的不断溶解而成。②岩溶水水化学演变存在白云石化作用，即石膏的溶解而引起方解石的沉淀，方解石的沉淀又促进白云石的溶解。③从补给区到排泄区，无论是岩溶冷水还是热水，过剩SO₄^2-始终存在且不断增高，表明除石膏的溶解外，SO₄^2-必然还有其他来源，可能是地层深部H₂S气体的氧化及黄铁矿的氧化形成。（3）在太原热水中，氟、硅、锶、铁含量偏高是其共同特征。其中，F离子浓度主要受控于萤石的溶解；硅含量主要受控于石英和玉髓矿物的溶解；锶离子浓度主要受控于天青石矿物的溶解。4．同位素地球化学特征与上述水化学分析配套，采集了45组水样用于δD、³H、δ¹⁸O分析，28组水样用于¹⁴C和δ¹³C分析，53组水样用于⁸⁷Sr／⁸⁶Sr分析，13组水样用于硫酸盐中硫同位素分析、15组水样用于硫酸盐中氧同位素分析，18组样品用于惰性气体同位素的测试，通过同位素化学测试数据的分析，发现：（1）氢、氧同位素①δD—δ¹⁸O图中水样点与现代大气降水线的关系表明，岩溶水起源于古大气降水，并且经受了不同程度的蒸发浓缩作用。②岩溶水D、¹⁸O同位素存在分层现象，说明处于不同流动系统的地下水，其补给时期不同。③δD、³H、δ¹⁸O的空间分布都证明了冷、热水混合作用的存在。④地下水补给高程的D、¹⁸O同位素计算结果表明，西山热水的补给高程为1700～2000 m，西山岩溶冷水的补给高程大约为1500～1700 m，东山热水的补给高程为1700～1900 m。⑤EC—δ¹⁸O关系显示，相对于岩溶冷水，排泄区热水经历了较长的水—岩作用过程，证明存在着不同层次的流动系统。（2）碳同位素①¹⁴C测试数据表明，西山岩溶水系统热水年龄为13000～18000 a，东山岩溶热水年龄为10000～20000 a，岩溶热水由温度较低的晚更新世大气降水补给。②δ¹³C测试数据表明，岩溶水中CO₂起源于生物成因或碳酸盐变质作用。（3）锶同位素①锶同位素来源的分析表明：岩溶水⁸⁷Sr／⁸⁶Sr比值的分布是典型的碳酸盐中水—岩作用的结果，其空间差异证明存在着不同的流动系统。②⁸⁷Sr／⁸⁶Sr—1／Sr关系、⁸⁷Sr／⁸⁶Sr—Sr／Ca关系、⁸⁷Sr／⁸⁶Sr—δ¹⁸O关系的分析表明：热水中可能有寒武系岩溶水的混入；不同岩溶水系统在排泄区深部存在着一定的水力联系；裂隙水与孔隙水之间有混合作用，但两者与岩溶水基本无水联系。③锶同位素冷、热水二元混合模型的计算结果表明，排泄区岩溶冷水中有较大比例的热水混入。（4）硫酸盐中的硫、氧同位素①硫酸盐中硫同位素来源的分析表明：岩溶水硫酸盐中的δ³⁴S值与碳酸盐岩地区常见蒸发岩石膏的δ³⁴S(SO₄^2-)值比较接近，为石膏来源，黄铁矿氧化来源很少，没有幔源物质的混入；深部岩溶热水硫酸盐中的δ³⁴S值稍大于常见蒸发岩石膏的δ³⁴S，可能有寒武系地层水的混入。②SO₄^2-—硫酸盐中δ³⁴S关系及¹⁴C—硫酸盐中δ³⁴S关系的分析表明，热水处于强还原环境。（5）氦同位素³He／⁴He比值（即R）及R／Ra比值的分析表明，岩溶热水的氦同位素主要为大气、壳源氦混合而成，无明显三元混合特征，指示了当地热水中不存在岩溶水与幔源热水的混合。5．热水的流动模式以岩溶水动力条件、温度场、水化学场和同位素特征研究结果为基础，对三个岩溶水系统的地下水流动模式进行了综合分析，发现：（1）东山、西山岩溶水系统两者具有类似的流动模型，即在补给区接受补给，随后沿几个径流带，形成局部、中间和区域三个不同层次的流动系统。①局部流动系统的补给高程较低，循环深度最浅，水流途径短，流速快，在岩溶水局部区排泄，水温多低于15℃，水化学类型主要为HCO₃·SO₄型，矿化度小，地下水年龄小，水—岩作用时间最短。②中间流动系统循环深度变深，水流途径较长，流速较缓，形成边山排泄带岩溶冷水，水温多介于15～25℃，水化学类型主要为HCO₃·SO₄或SO₄·HCO₃型，矿化度较高，地下水年龄较大，水一岩作用时间较长。③区域流动系统的岩溶水由更新世古大气降水补给，补给高程高，地下水循环深度最深，水流途径最长，流动缓慢，尤其在靠近排泄区时流动滞缓，使地下水有充足的时间加热，形成岩溶热水，水化学类型主要为SO₄·HCO₃或SO₄型，矿化度高，地下水年龄达10000多a，水—岩作用时间最长；热水在山前断裂带的上升过程中与岩溶冷水混合。（2）北山岩溶水系统相对于东山、西山岩溶水系统，具有如下特点：构造发育，具有较好的径流条件；接受较晚时期的降水补给，流动途径短，流速大，交替快；水温多低于15℃；从补给区→径流区→排泄区，水化学类型均为HCO₃—Ca·Mg型，矿化度较低；地下水年龄较小，水—岩作用时间短。6．热水形成的水文地质概念模型岩溶热水是由区域流动系统形成，其水文地质概念模型为：在高程较高处的灰岩裸露区，岩溶水系统接受降水入渗或地表水渗漏补给；补给区的岩溶冷水通过区域循环系统，经过较长的渗流途径到达边山排泄带；在流动滞缓，无幔源物质混入的情况下，受较大热流的加热，温度增高；部分岩溶热水在构造断裂带上升，与浅部冷水混合，形成低温水，另有部分岩溶热水深排入盆地隐伏型岩溶区，盆地中的巨厚砂、页岩和第四系、第三系松散堆积物为热水提供了保温盖层，形成了较高温度的岩溶热水。在重力势能和深部热能的双源作用下，区域流动系统中的岩溶水可能存在湍流运动。