寒武—奥陶纪碳酸盐岩含水层在我国华北地区广泛分布,具有富水性较强、水温较高和易于回灌等特点,是我国中深层地热资源开发利用的优先选择。早期研究主要集中在寒武—奥陶纪含水层的渗透性、富水性和水化学特征等方面,对其地热水的成因尚不清楚,从而限制了地热水资源的评价与开发。本研究以华北南缘的淮南煤田寒武—奥陶纪碳酸盐岩含水层地下水为对象,通过对区内32个地面水文钻孔及井下出水点的主要离子和环境同位素(³⁴S_SO4、¹⁸O_H2O、²H_H2O、¹³C_DIC、A¹⁴C_DIC)进行测试分析,探讨并揭示了该含水层的水文地球化学及地热学特征。结果表明:(1) 淮南煤田南部碳酸盐岩露头区为地下水补给区,具有水温低(18.1-23.2 °C)、TDS低(0.28-0.49 g/L),水化学类型为HCO3-Ca型;中部隐伏区地下水径流和排泄区,具有水温高(30.6-50.7 °C),TDS高(1.93-3.06 g/L),水化学类型为Cl-Na型。(2) 研究区中部地热水的形成过程主要以蒸发岩(岩盐和石膏、硬石膏)溶解和阳离子交换作用为主导,其次还受到碳酸盐溶解、去白云石化作用以及微生物作用等的共同影响。(3) 研究区地热水主要来自于古大气降水的入渗补给,其校正年龄为31.08~36.83 ka(平均34.14 ka),对应于晚更新世。(4) 二氧化硅温标显示区内岩溶热储温度为53.33~81.33°C(平均67.46°C),地热水的循环深度为1559.66~2273.79m(平均1826.72m)。(5) 基于上述研究成果,建立了淮南煤田寒武—奥陶纪碳酸盐岩含水层地热水循环演化的概念模型。在地形和重力驱动下,南部露头区的大气降水沿着裂隙和断层等通道向下入渗,并在地下深部不断加热下形成地热水。在此过程中,地下水与夹杂有蒸发岩矿物的碳酸盐岩发生了水岩相互作用,形成了含高盐、高硫的地热水,最终以越流、井下钻孔和出水点的形式向外排泄。