田 碩，康振興

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

司家營鐵礦隨著地下礦體的開采，井下長期排水，導致礦區(qū)含水層形成較大的降深漏斗，第四系水直接補給基巖含水層，改變了地下水的演化規(guī)律。為了解第四系水補給后基巖水的演化，設計實驗分析水巖作用的過程。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理,對辛置煤礦4個主要含水層的巖芯樣品進行自由排水柱淋濾實驗。沙雙雙等[2]為掌握酸性礦井水下滲過程中介質(zhì)遷移規(guī)律,采用淋溶方法,對滲透過程中的酸性礦井水中主要物質(zhì)的變化情況進行分析。房滿義等[3]為揭示大柳塔煤礦地下水庫水巖作用機理，開展了巖樣中5種典型礦物與礦井水的靜態(tài)作用實驗研究。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

巖石樣品取自司家營馬城礦井，分別為破碎帶和圍巖樣品。實驗室內(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)場測定pH值、電導率和氧化還原電位。

1.2 實驗方法

2 實驗結果分析

2.1 樣品巖相學特征分析

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；斜長石為板狀。片麻花崗巖：由石英(45%)、斜長石(30%)和黑云母(30%)組成，石英呈自形-半自形結構；黑云母呈片狀。斜長角閃巖：由石英(30%)、斜長石(35%)、黑云母(20%)和角閃石(10%)，石英為半自形結構；斜長石為；黑云母為鱗片狀；角閃石存在蝕變。輝綠巖：由石英(10%)、斜長石(25%)、輝石(5%)和基質(zhì)(60%)組成，斜長石為細粒長柱狀；輝石為蝴蝶狀集合體。

2.1.2 礦物組成

司家營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，以集合體的形式構成硅質(zhì)條帶。

黑云母：單偏鏡下多色性明顯，在正交鏡下干涉色為二級頂?shù)饺夗?，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]。

斜長石：在正交鏡下干涉為一級灰至黃白，呈灰白色，具有明顯的雙晶，存在為粒狀和片狀兩種結構。存在蝕變，成為黏土礦物。

圖1 礦物顯微特征

2.2 實驗常規(guī)水化學分析

2.2.1 蒸餾水中浸泡

以蒸餾水浸泡作為對照實驗，在實驗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。在實驗的后期pH值穩(wěn)定在8.7左右，TDS穩(wěn)定在20左右。

陽離子的含量按多到少排序為Ca2+、Na+、Mg2+和K+，在實驗的前面50 d左右，所有的陽離子含量快速溶解，Ca2+的濃度到達3.2 mg/L，Na+的濃度到達14 mg/L，Mg2+的濃度到達14.3 mg/L，K+的濃度到達2.9 mg/L。50 d后溶液中離子濃度雖然一直在增長，但增長的速度減慢，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，但濃度變化趨勢具有一致性。

陰離子的含量按多到少排序為HCO3-、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，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；SO42-的最終濃度為29 mg/L，以較緩的速率不斷增長；Cl-的濃度穩(wěn)定后大小基本為7 mg/L。整體分析，HCO3-和SO42-的變化趨勢具有一致性。

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

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

(1)

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

(2)

CaO·2Al2O3·4SiO2(鈣長石)+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過程中，經(jīng)過75 dTDS由318 mg/L增大到463 mg/L，·pH值在7.2上下浮動，水溶液呈中性。

陽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-巖反應的進行17 d后，Ca2+濃度呈減小的趨勢，最終穩(wěn)定在70 mg/L，Mg2+和Na+的不斷趨于穩(wěn)定，變化浮動較小。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-。在實驗過程中HCO3-的濃度一直處于下降的趨勢，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，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，HCO3-和Ca2+、Mg2+在反應過程中會發(fā)生脫碳酸作用，產(chǎn)生沉淀。Ca2+和Mg2+沉淀脫離溶液，同時也促進了硅酸鹽的溶解。

3 水文地球化學模擬

利用PHREEQC地球化學模擬軟件對第四系水與巖石的反應進行反向模擬，分析反應過程中礦物的反應量[9]。起點水和終點水的水化學成分見表1。確定的可能礦物相為鈉長石(NaAlSi3O8)、鈣長石(CaAl2(SiO4)2)、高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)、巖鹽(NaCl)、黑云母(KMg3AlSi3O10(OH)2)、鉀長石(KAlSi3O8)、黃鐵礦(FeS2)和CO2，通過模擬定量確定水巖作用過程中礦物的轉移量。

通過模擬，鈉長石的溶解量為0.574 mmol/L，鉀長石的溶解量為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+鈉長石的溶解，SO42-來源于硫的氧化。

表1 水化學成分表(mg/l，除PH)

4 結語

(1)通過對開采條件下司家營鐵礦的巖石分析，主要礦物為磁鐵礦、赤鐵礦、石英、斜長石、黑云母和少量的角閃石。

(2)開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、水解反應和氧化反應，反應的硅酸鹽礦物為鉀長石、鈉長石、黑云母和黃鐵礦。