【太原理工大学、吉林大学等】SOM-加权FCM不确定性聚类的奇村地热水化学分类、成因及其开发潜力

为探明奇村地热区地热流体化学特征、控制因素、成因机制及开发利用潜力，本研究通过Piper三线图、Gibbs图和离子端元图分析研究区地热水化学特征，采用熵权水质指数法对水质进行评价。引入自组织映射网络（SOM）与加权FCM模糊聚类相结合的方法识别水化学类型，通过Bootstrap重采样对聚类稳定性进行检验，揭示地热水主要物质来源、水质影响因素与地热流体成因机制，分析开发潜力。

结果表明：奇村地区地热水呈弱碱性，水化学类型以SO₄·Cl-Na型、HCO₃-Ca型和HCO₃-Ca·Mg型为主，地下水水质整体较好，Ⅰ类、Ⅱ类水样共占比91.67%，局部地区存在NO₃⁻超标。SOM-加权FCM将水样划分为3类：C1受浅层补给影响，C2为端元混合与中等水-岩作用影响的过渡型，C3代表深循环高演化端元。根据Bootstrap稳定性结果识别出17个核心井作为C1、C2、C3的代表性样本，聚类整体较为稳定（稳定性均值0.86），识别过渡井1个，为开发分区与监测布设提供依据。据此提出C3稳定供热、C2调峰补热、C1限采预警的综合利用建议。

研究区地热水水化学特征受深部地热水与浅层地下冷水混合作用影响，水-岩作用是深部地热水的主要影响因子，硅酸盐类矿物溶解是其主要类型。需以科学开采规模、回灌制度与污染敏感区分区管理为前提实现可持续开发利用。本研究为奇村地区水热型地热资源的可持续开发利用与水质保护提供依据。

图1 研究区水样采集分布于奇村与南高村地热异常区

图2 研究区地热水参数分布图
▲ (a)水温分布；(b)水位分布；(c)pH分布；(d)总硬度TH分布；(e)NO₃⁻浓度分布

图3 研究区地下水Piper三线图
▲ 地下水优势阴阳离子分别为HCO₃⁻、Cl⁻和Na⁺，南高村与奇村区域水化学类型具有区域性差异

图4 研究区水样点类型及水质等级分布图
▲ (a)水化学类型分布；(b)水质等级分布，Ⅱ、Ⅲ类水样多分布在奇柏温泉开发地区

图5 SOM映射结构与加权FCM聚类分区图
▲ (a)SOM相邻节点距离分布；(b)SOM节点命中数分布；(c)SOM-加权FCM聚类分区

图6 各水样水化学类型隶属关系热图
▲ 不同水样对类别的隶属度差异明显，少数水样隶属度分散，分类不确定性较高

图7 地热水Gibbs图
▲ 水样点集中在岩石风化控制区，岩石风化作用对水化学组分影响较大

图8 研究区地热水离子端元图
▲ 多数水样点分布在硅酸盐岩影响区域附近，地热水以硅酸盐岩风化溶解为主导因素

图9 研究区地热流体循环概念模型
▲ 大气降水通过断裂垂直入渗，经深部加热后沿次级断裂上涌，与浅层冷水混合形成热储

图10 研究区地热开发潜力分区示意图
▲ 基于三类井型的分区开发建议：C3稳定供热区、C2调峰区、C1限采预警区

研究区24个地热水样品分析显示，地下水整体呈弱碱性（pH 7.40～9.82），TDS均低于1000 mg/L，属低矿化度淡水，TH基本低于300 mg/L，为低-中硬度水。优势阳离子为Na⁺（阳离子中占比69.80%），优势阴离子为HCO₃⁻（阴离子中占比46.52%）。水化学类型以SO₄·Cl-Na型、HCO₃-Ca型和HCO₃-Ca·Mg型为主。熵权水质指数（EWQI）评价结果表明，Ⅰ类、Ⅱ类水样分别占比58.33%、33.33%，优良水质占比91.67%，仅局部地区NO₃⁻超标（QC12水样达42.9 mg/L），可能存在人类活动污染影响。

Gibbs图显示水样点集中在岩石风化控制区，蒸发浓缩与大气降水作用较弱。离子端元图（n(Ca²⁺/Na⁺) vs n(Mg²⁺/Na⁺)、n(HCO₃⁻/Na⁺)）表明，多数水样点分布在硅酸盐岩影响区域附近，少量位于蒸发盐岩区域，说明硅酸盐岩风化溶解是地热水离子的主要来源，同时叠加局部蒸发盐岩贡献。

传统Piper图和舒卡列夫分类将24个水样划分为8种类型，类型分散，难以客观反映多端元混合特征。本研究引入SOM神经网络+加权FCM模糊聚类，将水样划分为3类，并与地球化学过程建立清晰耦合关系：

• C1（浅层补给影响型）
  ：低矿化水，HCO₃⁻、Ca²⁺、Mg²⁺相对富集，NO₃⁻显著富集（标准化z=0.83），反映浅层补给与早期水-岩作用，且受农业活动输入影响。
• C2（过渡混合型）
  ：所有指标标准化值接近中位（z≈0），位于水温、水位高值过渡区域，反映不同端元水体混合与中等程度水-岩作用共同控制。
• C3（深循环高演化型）
  ：TDS、Na⁺、Cl⁻、SO₄²⁻显著富集（z=0.83～1.27），代表深循环高演化端元，体现长期水-岩作用下的溶质累积。

加权FCM输出各水样对三类别的隶属度（图6），量化了分类的不确定性。Bootstrap重采样（B=300）稳定性分析表明，聚类整体稳定（均值0.86），识别出17个核心井（稳定性>0.80）和1个过渡井（QC07，稳定性0.57），为监测布设提供了定量依据。

三类水化学类型对应于地热流体循环的全过程：大气降水通过云中山东麓断裂垂直入渗，向中部盆地径流过程中吸收大地热流和断层导热，温度不断升高；深部地热水经次级断裂上涌补给第四系含水层，与浅层地下冷水混合，形成独特的地热资源系统（图9）。水-岩作用以硅酸盐矿物溶解为主，在深部高温条件下溶质累积，造就高Na⁺、Cl⁻、TDS特征。

奇村地热区属于中低温水热型地热系统，热异常范围2.3 km²，前人建议合理开采规模约1550 m³/d。结合本研究聚类结果，提出按井类分区开发利用：

• C3（稳定供热井）
  ：水温46～84.6℃，位于地热异常中心，优先用于集中供暖与生活热水，兼顾温泉开发，配套尾水回灌，防范结垢、腐蚀与强采降温风险。
• C2（调峰井）
  ：水温12.9～32.2℃，用于供暖系统调峰补热及温室等低温供能，控制开采强度，重点监测浅层水入侵与水化学波动。
• C1（限采预警井）
  ：水温12.9～20.5℃，以水质扰动和混合扰动预警为主，加强井筒密封，管控地表氮源，作为重点保护预警区。

总体而言，奇村地热区具备良好的中低温水热型资源基础与直接利用潜力，需在合理开采规模、回灌制度与污染敏感区分区管理前提下实现可持续开发。

(1) 奇村地区地热水为弱碱性低矿化度淡水，优势离子为Na⁺和HCO₃⁻，主要水化学类型为SO₄·Cl-Na型、HCO₃-Ca型和HCO₃-Ca·Mg型。水质整体优良（Ⅰ、Ⅱ类占91.67%），局部NO₃⁻超标。地热水主要受岩石风化作用影响，硅酸盐岩风化溶解是主要离子来源。

(2) SOM-加权FCM将水样划分为3类，与地球化学过程具有清晰耦合关系：C1为浅层补给影响型（HCO₃-Ca·Mg型，NO₃⁻富集），C2为过渡混合型（指标接近中位），C3为深循环高演化型（SO₄·Cl-Na型，TDS、Na⁺、Cl⁻富集）。Bootstrap稳定性分析识别出17个核心井和1个过渡井，聚类整体稳定（均值0.86）。

(3) 奇村地热区地热流体循环机制为：大气降水通过断裂垂直入渗，经深部加热后沿次级断裂上涌，与浅层冷水混合赋存于热储层。水-岩作用以硅酸盐矿物溶解为主，深部高温条件促进溶质累积。

(4) 奇村地热区具备中低温水热型开发基础。建议按井类分区开发：C3稳定供热（集中供暖+温泉），C2调峰补热（低温利用），C1限采预警（水质扰动监测）。需以科学开采规模、回灌制度与污染敏感区分区管理为前提，实现可持续开发。

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