司家营铁矿矿井水水岩作用分析

田 硕，康振兴

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.首钢滦南马城矿业有限责任公司，河北 唐山063210)

司家营铁矿随着地下矿体的开采，井下长期排水，导致矿区含水层形成较大的降深漏斗，第四系水直接补给基岩含水层，改变了地下水的演化规律。为了解第四系水补给后基岩水的演化，设计实验分析水岩作用的过程。赵峰华等[1]为揭示辛置煤矿主要含水层的水岩相互作用机理,对辛置煤矿4个主要含水层的岩芯样品进行自由排水柱淋滤实验。沙双双等[2]为掌握酸性矿井水下渗过程中介质迁移规律,采用淋溶方法,对渗透过程中的酸性矿井水中主要物质的变化情况进行分析。房满义等[3]为揭示大柳塔煤矿地下水库水岩作用机理，开展了岩样中5种典型矿物与矿井水的静态作用实验研究。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

岩石样品取自司家营马城矿井，分别为破碎带和围岩样品。实验室内将样品粉碎、烘干、筛分。部分样品切片制成光薄片，用于显微镜矿相分析。地下水样分别取自深水井和矿井，现场测定pH值、电导率和氧化还原电位。

1.2 实验方法

2 实验结果分析

2.1 样品岩相学特征分析

2.1.1 岩石特征

研究区为大型的沉积变质型铁矿床，矿体围岩主要为黑云变粒岩、片麻花岗岩和斜长角山岩，在破碎带附近含侵入的辉绿岩脉[4]。

黑云变粒岩：由黑云母(35%)、石英(40%)、斜长石(20%)和少量的磁铁矿(5%)组成。黑云母呈片状、具有定向性；石英为半自形粒状；斜长石为板状。片麻花岗岩：由石英(45%)、斜长石(30%)和黑云母(30%)组成，石英呈自形-半自形结构；黑云母呈片状。斜长角闪岩：由石英(30%)、斜长石(35%)、黑云母(20%)和角闪石(10%)，石英为半自形结构；斜长石为；黑云母为鳞片状；角闪石存在蚀变。辉绿岩：由石英(10%)、斜长石(25%)、辉石(5%)和基质(60%)组成，斜长石为细粒长柱状；辉石为蝴蝶状集合体。

2.1.2 矿物组成

司家营铁矿床中主要包含的矿物为磁铁矿、赤铁矿、石英、角闪石、黑云母、斜长石和绿泥石。

磁铁矿：在显微镜下呈钢灰色，磁铁矿的粒径为0.05～0.1 mm，被石英、斜长石等包裹，一般呈半自形，矿石中呈条带状分布[5]。与赤铁矿具有交代作用。

赤铁矿：在显微镜下呈红褐色，呈半自形，与磁铁矿交代强烈。

石英：在正交镜下为乳白色，表面光滑，呈自形-半自形，以集合体的形式构成硅质条带。

黑云母：单偏镜下多色性明显，在正交镜下干涉色为二级顶到三级顶，呈红褐色、绿色，具有明显的一组解理，片状具有定向性，部分蚀变为绿泥石[6]。

斜长石：在正交镜下干涉为一级灰至黄白，呈灰白色，具有明显的双晶，存在为粒状和片状两种结构。存在蚀变，成为黏土矿物。

图1 矿物显微特征

2.2 实验常规水化学分析

2.2.1 蒸馏水中浸泡

以蒸馏水浸泡作为对照实验，在实验初期水中离子的变化迅速，pH值不断增大，而TDS迅速增大然后不断下降。在实验的后期pH值稳定在8.7左右，TDS稳定在20左右。

阳离子的含量按多到少排序为Ca2+、Na+、Mg2+和K+，在实验的前面50 d左右，所有的阳离子含量快速溶解，Ca2+的浓度到达3.2 mg/L，Na+的浓度到达14 mg/L，Mg2+的浓度到达14.3 mg/L，K+的浓度到达2.9 mg/L。50 d后溶液中离子浓度虽然一直在增长，但增长的速度减慢，矿物的溶解速率降低。整体分析，蒸馏水从矿物中溶解的Ca2+、Na+、Mg2+和K+的量具有较大的差异，但浓度变化趋势具有一致性。

阴离子的含量按多到少排序为HCO3-、SO42-和Cl-,在前50 d左右，HCO3-和SO42-快速溶解，浓度快速增大，50 d后溶解速率减小，浓度增加缓慢；Cl在25 d前快速溶解浓度增大，25 d后浓度变化上下浮动，基本保持不变。HCO3-的最终浓度为40 mg/L，且有不断增加的趋势；SO42-的最终浓度为29 mg/L，以较缓的速率不断增长；Cl-的浓度稳定后大小基本为7 mg/L。整体分析，HCO3-和SO42-的变化趋势具有一致性。

围岩矿物主要为斜长石、黑云母和少量的磁铁矿，在水-岩反应过程中主要为硅酸盐矿物的不全等溶解。Na+、K+和Ca2+来源于钠长石、钾长石和钙长石的不全等溶解；K+和Mg2+来源于黑云母的不全等溶解；HCO3-来源于钠长石和钾长石的不全等溶解；SO42-的增加主要是因为存在黄铁矿的氧化；Cl含量基本保持不变，其主要来源岩盐的溶解，并且不参加任何地球化学反应[7](式1-5)。

Na2Al2Si6O16(纳长石)+H2O+CO2→2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

(1)

KAlSi3O8(钾长石)+H++4.5H2O=0.5Al2Si2O5(OH)4+K++2Si(OH)4

(2)

CaO·2Al2O3·4SiO2(钙长石)+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(黄铁矿)+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4

(5)

图2 水化学分析图(左蒸馏水，右第四系水)

2.2.2 第四系水浸泡

第四系水(表1)在与围岩中矿物的反应过程中，经过75 dTDS由318 mg/L增大到463 mg/L，·pH值在7.2上下浮动，水溶液呈中性。

阳离子的含量由大到小排列为Ca2+、Mg2+、Na+和K+。17 d前，Ca2+的浓度由71 mg/L增加到83.6 mg/L， Mg2+的浓度由21 mg/L增加到28.4 mg/L，Na+的浓度由11.5 mg/L增加到15 mg/L；随着水-岩反应的进行17 d后，Ca2+浓度呈减小的趋势，最终稳定在70 mg/L，Mg2+和Na+的不断趋于稳定，变化浮动较小。K+含量全程基本不变。整体分析，Mg2+、Ca2+和Na+的浓度增减变化规律基本一致，在40 d时含量都明显的下降。

阴离子的含量由大到小排列为HCO3-、SO42-和Cl-。在实验过程中HCO3-的浓度一直处于下降的趋势，含量从298 mg/L下降到240 mg/L。SO42-的含量则一直处于上升的趋势，含量从27.8 mg/L上升到70 mg/L。Cl-的含量全程一直处于不变得状态。

在水岩作用的过程中，Na+、K+和Mg2+的含量随硅酸岩的溶解不断趋于饱和，溶解速率减小[8]。HCO3-存在明显的下降趋势，HCO3-和Ca2+、Mg2+在反应过程中会发生脱碳酸作用，产生沉淀。Ca2+和Mg2+沉淀脱离溶液，同时也促进了硅酸盐的溶解。

3 水文地球化学模拟

利用PHREEQC地球化学模拟软件对第四系水与岩石的反应进行反向模拟，分析反应过程中矿物的反应量[9]。起点水和终点水的水化学成分见表1。确定的可能矿物相为钠长石(NaAlSi3O8)、钙长石(CaAl2(SiO4)2)、高岭石(Al2Si2O5(OH)4)、岩盐(NaCl)、黑云母(KMg3AlSi3O10(OH)2)、钾长石(KAlSi3O8)、黄铁矿(FeS2)和CO2，通过模拟定量确定水岩作用过程中矿物的转移量。

通过模拟，钠长石的溶解量为0.574 mmol/L，钾长石的溶解量为0.203 mmol/L，黑云母的溶解量为0.294 mmol/L，岩盐的溶解量为0.295 mmol/L，黄铁矿的溶解量为0.308 mmo/L。Na+钠长石的溶解，SO42-来源于硫的氧化。

表1 水化学成分表(mg/l，除PH)

4 结语

(1)通过对开采条件下司家营铁矿的岩石分析，主要矿物为磁铁矿、赤铁矿、石英、斜长石、黑云母和少量的角闪石。

(2)开采条件下第四系水下渗，Ca2+和HCO3-生成沉淀，发生脱碳酸作用、水解反应和氧化反应，反应的硅酸盐矿物为钾长石、钠长石、黑云母和黄铁矿。