地下热水是宝贵的水资源和能源，具有显著的医疗保健和经济价值。山西省忻州盆地蕴藏着丰富的地下热水资源，自上世纪七十年代以来先后发现了大营、奇村、顿村和汤头四个地热田。然而在九十年代以后，随着社会经济的快速发展，在自然和人为因素的影响下，热水的水化学特征以及水位、水温等已发生了显著的变化，尤以奇村地热田最为严重，为了保护和更好地利用盆地内的地下热水资源，需要对地下热水系统的水文地质结构、水化学场和介质场等进行重新认识和分析。 鉴于上述问题，本论文结合“山西六大盆地地下水资源及其环境问题专题研究(忻州盆地)”这一课题，在广泛分析前人研究成果的基础上，采用化学分析、聚类分析、Piper三线图、同位素分析、地球化学温标计算等方法，系统研究了忻州盆地地下热水系统的水化学特征、空间分布特点和演化规律，提出了热水的地质成因模式，并对大营、奇村、顿村和汤头四个地热田热水进行了比较分析；同时，利用PHREEQC水文地球化学模拟软件对奇村地热田进行了物质转移量模拟，并对四个地热田区已开采热水进行了冷水与热水的混合作用模拟。本文主要研究内容及结论如下： 1．首先依据区域地质、水文地质条件，在分析水温、矿化度、常规离子、微量离子等信息的基础上，研究了盆地内地下热水的基本特征：①盆地内地下热水水温多在40～60℃之间，属中低温热水，且均呈弱碱性(pH=7.4～9.65)，矿化度多在1g/L以上；②从离子含量上看，地下热水主要富含Na<+>、Cl<->和SO<,4><2->，并含有较高的氟离子和硅酸。基于此，利用离子比分析法、聚类分析和Piper三线图法分别对大营、奇村、顿村和汤头地热田区地下热水进行了比较分析，结果表明，大营和奇村两个地热田的热水在离子相对含量、水化学类型、离子含量变化特征等方面较接近，而顿村和汤头两个地热田的热水较接近。 2．基于对同位素资料的分析，研究了盆地内热水的起源问题，并用地球化学温标法定量确定了热水的热储温度和循环深度。主要结论有，①氢氧同位素结果显示，区内热水均起源于大气降水。大营地热田的补给区为西部云中山区；奇村地热田的补给区为云中山区和金银山区，且西部云中山区起主导作用；顿村地热田的补给区为西部云中山区和金银山区，金银山区起主导作用；汤头地热田的补给区为北部五台山区。②结合区域地质条件可知，大营和奇村两个地热田的补给区和其基底岩性主要为变质作用较强烈、含暗色矿物较多的太古界五台群变质岩，而顿村和汤头两个热田的补给区和其基底岩性主要为含暗色矿物较少的元古界滹沱群低级变质岩。③K—Mg阳离子温标计算结果显示，大营地热田热水热储温度和循环深度最高，其次是奇村，汤头次之，而顿村最低。 3．从水平和垂直两个方向上详细分析了奇村地热田地温场的特征，结果表明：①在水平方向上，热水温度的变化主要受基底地形及其构造的控制；②在新生界松散层中垂直方向上，地温梯度随埋深增加而减小。另外，汤头、大营和顿村三个地热田地温梯度在垂直方向上表现出明显的分段性。 4.基于地下热水成因机理，并结合对盆地内热水化学场、温度场、介质场等的深入分析研究，初步确立了大营、奇村、顿村和汤头四个地热田地下热水的成因模式。从成因模式上看，四个地热田基本相同，即：大气降水沿山前大断裂长距离深循环运移，通过高地温场加热后，沿基岩隆起带岩脉及构造裂隙上涌，形成热水，一部分涌出地表形成温泉，另一部分侧向“渗漏”至浅层孔隙含水层中，并与浅层孔隙地下水发生混合。 5.在热水成因研究的基础上，利用PHREEQC软件对热田区地下水进行了物质转移量模拟，及冷水与热水混合作用模拟研究。①奇村地热田的物质转移量模拟研究结果表明，从冷水补给区到热水排泄区，主要以钠长石、钙长石、石膏、玉髓、钾长石、萤石、云母等矿物的溶解为主。②四个地热田冷水与热水的混合作用模拟结果显示，在混合作用过程中Na<+>、Cl<->和SO<,4><2->含量的变化相对较稳定，可以依据该模拟结果判断水样的混合比；在各地热田周边冷水与热水交替的部分地区，冷水所占比例已相当大，若继续增加热水开采量则会导致热田面积缩小。 本文结合区域地质、水文地质条件，全面系统地研究了忻州盆地地下热水系统的水化学场、温度场、介质场及其成因模式等；首次对大营、奇村、顿村和汤头四个地热田热水的水化学组分、成因模式等进行了全面地比较分析研究。得出盆地内热水的地质成因模式基本一致，但由于地质背景、补给来源等的不同，大营、奇村两个地热田热水的化学特征较相近而顿村、汤头两个地热田热水的化学特征较相近这一新结论。在对地下热水系统充分认识的基础上，利用水文地球化学模拟这一方法，首次定量研究了忻州盆地地下热水系统反应路径上的水一岩相互作用，及已开采热水孔中冷水与热水混合作用过程的离子变化规律，并对地下热水的可开采资源量进行了评价，为盆地内地下热水资源的评价提供了依据，具有重要的现实意义。