全球能源危机与“双碳”目标背景下,地热资源作为绿色可再生能源的战略地位日益凸显,温泉是地热资源的重要表现形式,受控于复杂的水-岩相互作用过程。贵州省剑河温泉位于黔东南变质岩区,其热储岩层岩性复杂,主要为变余凝灰岩、变质砂岩和板岩。目前,关于该温泉水化学成分形成机制的实验研究很少,特别是水化学特征受复杂岩性约束的机制尚未明晰。为了揭示岩性对剑河温泉水化学成分来源的约束,本文对剑河温泉水化学特征及热储岩石地球化学特征进行分析,并在此基础之上以变余凝灰岩、变余石英砂岩和板岩等代表性热储岩石为初始物,开展了不同反应时间、温度、p H及CO₂条件下的水岩反应模拟实验,获得的主要结论如下: (1)通过对剑河温泉采样分析,并对比前人对剑河温泉的研究数据,发现剑河温泉水化学特征在2015—2023年际保持稳定,井口温度在40.1℃~49.6℃之间,p H值在8.00~8.94之间,TDS在337.00~419.00 mg/L之间,主要阳离子为Na⁺,阴离子为HCO₃^-,水化学类型属于Na-HCO₃型水,温泉水中H₂Si O₃的浓度在55.71~62.67 mg/L之间。 (2)对剑河温泉的δ²H和δ¹⁸O进行分析,其δ²H和δ¹⁸O特征与当地降水线接近,推测其水源补给主要来源于大气降水,计算补给区高程约883~1101 m;利用玉髓温标估算剑河温泉热储温度为68.51℃,循环深度约1362~1970 m。 (3)为期91天的水-岩反应实验结果表明,约35天反应达到动态平衡。各成分随温度变化有不同的响应,Na⁺、H₂Si O₃浓度随温度升高持续增加;Ca²⁺随温度升高呈现先升高后下降趋势,在60℃时浓度最高;K⁺浓度随反应温度上升呈现先升高后下降的趋势,在60~90℃浓度最高;Mg²⁺随温度升高显著下降。在p H=4~10范围内,p H值变化对K⁺、H₂Si O₃溶出影响较小,对Ca²⁺、Mg²⁺影响较大,p H增加抑制Ca²⁺、Mg²⁺溶出。CO₂的加入显著促进了K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、H₂Si O₃浓度的增加,对Na⁺浓度的影响不显著。 (4)变余凝灰岩、变余石英砂岩和板岩的水-岩反应实验结果显示,变余凝灰岩K⁺溶出量略高于变余石英砂岩和板岩;变余石英砂岩Na⁺溶出量最高,其次为变余凝灰岩;变余石英砂岩和板岩Ca²⁺溶出量接近,且远高于变余凝灰岩;变余石英砂岩和板岩Mg²⁺溶出量接近,略高于变余凝灰岩;变余凝灰岩H₂Si O₃溶出量最高,其次为变余石英砂岩,最低的是板岩。 (5)水-岩反应实验结果与剑河温泉水化学成分的对比表明,变余凝灰岩实验的Ca²⁺浓度与温泉水浓度一致,且K⁺和H₂Si O₃浓度与实测值接近,变余石英砂岩与板岩的实验Ca²⁺浓度均显著高于温泉水含量,推测变余凝灰岩可能是约束剑河温泉水化学成分来源的主要岩石类型。