田 碩，康振興

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北 唐山063210)

司家營(yíng)鐵礦隨著地下礦體的開(kāi)采，井下長(zhǎng)期排水，導(dǎo)致礦區(qū)含水層形成較大的降深漏斗，第四系水直接補(bǔ)給基巖含水層，改變了地下水的演化規(guī)律。為了解第四系水補(bǔ)給后基巖水的演化，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析水巖作用的過(guò)程。趙峰華等[1]為揭示辛置煤礦主要含水層的水巖相互作用機(jī)理,對(duì)辛置煤礦4個(gè)主要含水層的巖芯樣品進(jìn)行自由排水柱淋濾實(shí)驗(yàn)。沙雙雙等[2]為掌握酸性礦井水下滲過(guò)程中介質(zhì)遷移規(guī)律,采用淋溶方法,對(duì)滲透過(guò)程中的酸性礦井水中主要物質(zhì)的變化情況進(jìn)行分析。房滿義等[3]為揭示大柳塔煤礦地下水庫(kù)水巖作用機(jī)理，開(kāi)展了巖樣中5種典型礦物與礦井水的靜態(tài)作用實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

巖石樣品取自司家營(yíng)馬城礦井，分別為破碎帶和圍巖樣品。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將樣品粉碎、烘干、篩分。部分樣品切片制成光薄片，用于顯微鏡礦相分析。地下水樣分別取自深水井和礦井，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH值、電導(dǎo)率和氧化還原電位。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樣品巖相學(xué)特征分析

2.1.1 巖石特征

研究區(qū)為大型的沉積變質(zhì)型鐵礦床，礦體圍巖主要為黑云變粒巖、片麻花崗巖和斜長(zhǎng)角山巖，在破碎帶附近含侵入的輝綠巖脈[4]。

黑云變粒巖：由黑云母(35%)、石英(40%)、斜長(zhǎng)石(20%)和少量的磁鐵礦(5%)組成。黑云母呈片狀、具有定向性；石英為半自形粒狀；斜長(zhǎng)石為板狀。片麻花崗巖：由石英(45%)、斜長(zhǎng)石(30%)和黑云母(30%)組成，石英呈自形-半自形結(jié)構(gòu)；黑云母呈片狀。斜長(zhǎng)角閃巖：由石英(30%)、斜長(zhǎng)石(35%)、黑云母(20%)和角閃石(10%)，石英為半自形結(jié)構(gòu)；斜長(zhǎng)石為；黑云母為鱗片狀；角閃石存在蝕變。輝綠巖：由石英(10%)、斜長(zhǎng)石(25%)、輝石(5%)和基質(zhì)(60%)組成，斜長(zhǎng)石為細(xì)粒長(zhǎng)柱狀；輝石為蝴蝶狀集合體。

2.1.2 礦物組成

司家營(yíng)鐵礦床中主要包含的礦物為磁鐵礦、赤鐵礦、石英、角閃石、黑云母、斜長(zhǎng)石和綠泥石。

磁鐵礦：在顯微鏡下呈鋼灰色，磁鐵礦的粒徑為0.05～0.1 mm，被石英、斜長(zhǎng)石等包裹，一般呈半自形，礦石中呈條帶狀分布[5]。與赤鐵礦具有交代作用。

赤鐵礦：在顯微鏡下呈紅褐色，呈半自形，與磁鐵礦交代強(qiáng)烈。

石英：在正交鏡下為乳白色，表面光滑，呈自形-半自形，以集合體的形式構(gòu)成硅質(zhì)條帶。

黑云母：?jiǎn)纹R下多色性明顯，在正交鏡下干涉色為二級(jí)頂?shù)饺?jí)頂，呈紅褐色、綠色，具有明顯的一組解理，片狀具有定向性，部分蝕變?yōu)榫G泥石[6]。

斜長(zhǎng)石：在正交鏡下干涉為一級(jí)灰至黃白，呈灰白色，具有明顯的雙晶，存在為粒狀和片狀兩種結(jié)構(gòu)。存在蝕變，成為黏土礦物。

圖1 礦物顯微特征

2.2 實(shí)驗(yàn)常規(guī)水化學(xué)分析

2.2.1 蒸餾水中浸泡

以蒸餾水浸泡作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)初期水中離子的變化迅速，pH值不斷增大，而TDS迅速增大然后不斷下降。在實(shí)驗(yàn)的后期pH值穩(wěn)定在8.7左右，TDS穩(wěn)定在20左右。

陽(yáng)離子的含量按多到少排序?yàn)镃a2+、Na+、Mg2+和K+，在實(shí)驗(yàn)的前面50 d左右，所有的陽(yáng)離子含量快速溶解，Ca2+的濃度到達(dá)3.2 mg/L，Na+的濃度到達(dá)14 mg/L，Mg2+的濃度到達(dá)14.3 mg/L，K+的濃度到達(dá)2.9 mg/L。50 d后溶液中離子濃度雖然一直在增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)的速度減慢，礦物的溶解速率降低。整體分析，蒸餾水從礦物中溶解的Ca2+、Na+、Mg2+和K+的量具有較大的差異，但濃度變化趨勢(shì)具有一致性。

陰離子的含量按多到少排序?yàn)镠CO3-、SO42-和Cl-,在前50 d左右，HCO3-和SO42-快速溶解，濃度快速增大，50 d后溶解速率減小，濃度增加緩慢；Cl在25 d前快速溶解濃度增大，25 d后濃度變化上下浮動(dòng)，基本保持不變。HCO3-的最終濃度為40 mg/L，且有不斷增加的趨勢(shì)；SO42-的最終濃度為29 mg/L，以較緩的速率不斷增長(zhǎng)；Cl-的濃度穩(wěn)定后大小基本為7 mg/L。整體分析，HCO3-和SO42-的變化趨勢(shì)具有一致性。

圍巖礦物主要為斜長(zhǎng)石、黑云母和少量的磁鐵礦，在水-巖反應(yīng)過(guò)程中主要為硅酸鹽礦物的不全等溶解。Na+、K+和Ca2+來(lái)源于鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)石的不全等溶解；K+和Mg2+來(lái)源于黑云母的不全等溶解；HCO3-來(lái)源于鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的不全等溶解；SO42-的增加主要是因?yàn)榇嬖邳S鐵礦的氧化；Cl含量基本保持不變，其主要來(lái)源巖鹽的溶解，并且不參加任何地球化學(xué)反應(yīng)[7](式1-5)。

Na2Al2Si6O16(納長(zhǎng)石)+H2O+CO2→2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

(1)

KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石)+H++4.5H2O=0.5Al2Si2O5(OH)4+K++2Si(OH)4

(2)

CaO·2Al2O3·4SiO2(鈣長(zhǎng)石)+5H2O+2CO2→2HCO3-+2Ca2++2H4Al2Si2O9

(3)

KMg3AlSi3O10(OH)2(黑云母)+7H+0.5H2O=0.5Al2Si2O5(OH)4+K++3Mg2++2Si(OH)4

(4)

2FeS2(黃鐵礦)+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4

(5)

圖2 水化學(xué)分析圖(左蒸餾水，右第四系水)

2.2.2 第四系水浸泡

第四系水(表1)在與圍巖中礦物的反應(yīng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)75 dTDS由318 mg/L增大到463 mg/L，·pH值在7.2上下浮動(dòng)，水溶液呈中性。

陽(yáng)離子的含量由大到小排列為Ca2+、Mg2+、Na+和K+。17 d前，Ca2+的濃度由71 mg/L增加到83.6 mg/L， Mg2+的濃度由21 mg/L增加到28.4 mg/L，Na+的濃度由11.5 mg/L增加到15 mg/L；隨著水-巖反應(yīng)的進(jìn)行17 d后，Ca2+濃度呈減小的趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在70 mg/L，Mg2+和Na+的不斷趨于穩(wěn)定，變化浮動(dòng)較小。K+含量全程基本不變。整體分析，Mg2+、Ca2+和Na+的濃度增減變化規(guī)律基本一致，在40 d時(shí)含量都明顯的下降。

陰離子的含量由大到小排列為HCO3-、SO42-和Cl-。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中HCO3-的濃度一直處于下降的趨勢(shì)，含量從298 mg/L下降到240 mg/L。SO42-的含量則一直處于上升的趨勢(shì)，含量從27.8 mg/L上升到70 mg/L。Cl-的含量全程一直處于不變得狀態(tài)。

在水巖作用的過(guò)程中，Na+、K+和Mg2+的含量隨硅酸巖的溶解不斷趨于飽和，溶解速率減小[8]。HCO3-存在明顯的下降趨勢(shì)，HCO3-和Ca2+、Mg2+在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生脫碳酸作用，產(chǎn)生沉淀。Ca2+和Mg2+沉淀脫離溶液，同時(shí)也促進(jìn)了硅酸鹽的溶解。

3 水文地球化學(xué)模擬

利用PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件對(duì)第四系水與巖石的反應(yīng)進(jìn)行反向模擬，分析反應(yīng)過(guò)程中礦物的反應(yīng)量[9]。起點(diǎn)水和終點(diǎn)水的水化學(xué)成分見(jiàn)表1。確定的可能礦物相為鈉長(zhǎng)石(NaAlSi3O8)、鈣長(zhǎng)石(CaAl2(SiO4)2)、高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)、巖鹽(NaCl)、黑云母(KMg3AlSi3O10(OH)2)、鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)、黃鐵礦(FeS2)和CO2，通過(guò)模擬定量確定水巖作用過(guò)程中礦物的轉(zhuǎn)移量。

通過(guò)模擬，鈉長(zhǎng)石的溶解量為0.574 mmol/L，鉀長(zhǎng)石的溶解量為0.203 mmol/L，黑云母的溶解量為0.294 mmol/L，巖鹽的溶解量為0.295 mmol/L，黃鐵礦的溶解量為0.308 mmo/L。Na+鈉長(zhǎng)石的溶解，SO42-來(lái)源于硫的氧化。

表1 水化學(xué)成分表(mg/l，除PH)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)開(kāi)采條件下司家營(yíng)鐵礦的巖石分析，主要礦物為磁鐵礦、赤鐵礦、石英、斜長(zhǎng)石、黑云母和少量的角閃石。

(2)開(kāi)采條件下第四系水下滲，Ca2+和HCO3-生成沉淀，發(fā)生脫碳酸作用、水解反應(yīng)和氧化反應(yīng)，反應(yīng)的硅酸鹽礦物為鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、黑云母和黃鐵礦。