福建某稀土溶浸采礦區(qū)水化學(xué)特征及其成因分析研究

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建 福州 350013)

福建某稀土溶浸采礦區(qū)水化學(xué)特征及其成因分析研究

包國(guó)良

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建 福州 350013)

我國(guó)南方花崗巖風(fēng)化層中多賦存稀土等礦床，開采工藝主要為溶浸采礦工藝。溶浸采礦工藝主要是通過鉆孔向花崗巖風(fēng)化層中注入化學(xué)試劑，從浸出點(diǎn)抽取浸出液以獲得所需元素。工藝顯著的環(huán)境影響是化學(xué)試劑將會(huì)直接參與到區(qū)域內(nèi)的水文地球化學(xué)循環(huán)，并改變水化學(xué)類型。本次對(duì)礦區(qū)花崗巖風(fēng)化層水資源的水化學(xué)特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，天然條件下礦區(qū)水化學(xué)類型以HCO3-Na、HCO3-Ca·Na和HCO3-Na·Ca為主，而溶浸采礦條件下，水化學(xué)類型以SO4-Na·Ca、或SO4-Ca·Na為主。該研究結(jié)果對(duì)未來礦山開采水環(huán)境保護(hù)提供了有益借鑒。

溶浸采礦；風(fēng)化層；水化學(xué)；水文地球化學(xué)循環(huán)

溶浸采礦又稱化學(xué)采礦，它是根據(jù)某些礦物的物理和化學(xué)特性，將溶浸液注入礦層或礦堆，通過化學(xué)反應(yīng)有選擇性地浸出礦石中的有用成分，使有用成分由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)再進(jìn)行回收，從而達(dá)到開采礦石目的的新型采礦工藝。因其低成本、良好的環(huán)境效益而迅速發(fā)展，目前它已發(fā)展成為我國(guó)大量再回收資源如尾礦、貧礦、廢石中礦物，提取鈾、銅、稀土、金和銀等金屬的經(jīng)濟(jì)合理而行之有效的方法。如該方法在南方離子吸附型稀土礦開采中得到了廣泛的研究和應(yīng)用，采用該方法進(jìn)行稀土礦原地浸出，母液收集率大于90%，離子相稀土浸出率大于90%，離子相稀土綜合收集率大于75%[1]。

溶浸采礦較傳統(tǒng)的采礦技術(shù)相比雖有諸多優(yōu)勢(shì)，如不破壞地表的植被，不產(chǎn)生廢石、尾礦，節(jié)約開采成本等[2]，但其對(duì)溶浸采礦區(qū)的水文地質(zhì)提出了較苛刻的條件。溶浸采礦通過向礦體注入化學(xué)試劑，使得化學(xué)試劑與金屬元素及地下水之間形成了水文地球化學(xué)循環(huán)，對(duì)水資源造成了直接的威脅[3]，且在南方多數(shù)地區(qū)，花崗巖風(fēng)化層往往會(huì)富集形成具有供水意義的含水層。因此，對(duì)溶浸采礦工藝中化學(xué)試劑與金屬元素及水文循環(huán)作用機(jī)理的研究就顯得尤為重要。

基于上述原因，本文在分析對(duì)比天然條件下與溶浸采礦條件下水化學(xué)特征的同時(shí)，對(duì)其成因做了深入的探討，其將對(duì)未來礦山開采水環(huán)境保護(hù)提供有益的借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)海拔最高為420.3 m，最低為194.3 m，為典型的丘陵侵蝕地貌。區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，呈樹枝狀展布。研究區(qū)年平均降雨量1 450～2 100 mm，年平均氣溫16.9℃～20.7℃，溫?zé)釢駶?rùn)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)地層不甚發(fā)育，主要分布有第四系(Q)及位于研究區(qū)東側(cè)晚白堊世沙縣組(K2s)一套紫紅色陸相碎屑巖地層。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，廣泛分布印支期—燕山期的侵入巖，巖性主要為似斑狀中粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖和少斑中細(xì)粒黑云母花崗巖。由于強(qiáng)烈的風(fēng)化、淋濾及富集作用，區(qū)內(nèi)形成了約10～30 m厚的花崗巖風(fēng)化殼，稀土礦床位于花崗巖風(fēng)化殼中。

花崗巖層中賦存有網(wǎng)狀、脈狀及透鏡狀的基巖裂隙水，包括淺部風(fēng)化帶裂隙潛水和深部基巖裂隙承壓水。風(fēng)化帶裂隙潛水，埋深一般10～30 m間，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，基巖裂隙承壓水接受上部潛水的滲透補(bǔ)給。地下水徑流由地勢(shì)較高處呈輻射狀向低處潛流，主要排泄方式為蒸發(fā)排泄及人工排泄，部分區(qū)域以下降泉的形式排泄于溪溝。根據(jù)礦區(qū)出露泉點(diǎn)的調(diào)查，泉的排泄標(biāo)高在190～402 m之間，流量多集中在0.018～0.427 L/s之間，富水性以弱為主，局部可達(dá)中等(圖1)。

1-第四系；2-晚白堊世沙縣組；3-燕山晚期二長(zhǎng)花崗巖；4-燕山早期黑云母花崗巖；5-燕山早期黑云母二長(zhǎng)花崗巖；6-印支期碎裂二長(zhǎng)花崗巖；7-地質(zhì)界線；8-斷層；9-溪流；10-地下水流向；11-泉點(diǎn)；12-水樣采集點(diǎn)；13-溶浸采礦點(diǎn)

圖1水樣采集點(diǎn)位置圖

2 樣品采集及分析方法

此次研究共采集水樣20件，分三批分別于2010年4月采集9件水樣，2013年1月采集6件水樣及2013年3月采集5件水樣，采樣點(diǎn)位置(見圖1)，采樣時(shí)，先用所取水清洗水樣瓶3～5遍，每件水質(zhì)樣品都用5 L的取樣瓶裝滿，然后用蠟封好，并送往實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試，前期9件水樣送往國(guó)土資源部福州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行測(cè)試，后期11件水樣送往福建地質(zhì)礦產(chǎn)局三明實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。水化學(xué)分析方法和測(cè)試精度均符合國(guó)家規(guī)范要求。

3 研究區(qū)水化學(xué)組成及特征

3.1 天然條件下的水化學(xué)特征

由表1可知，天然條件下，研究區(qū)水化學(xué)類型以HCO3-Na、HCO3-Na·Ca或HCO3-Ca·Na為主，陰離子以HCO3-為主，陽離子以Na+、Ca2+為主。 TDS變化范圍一般為15～166 mg/L之間，TDS值總體較小，各組分含量值也較低(圖2)。水樣Piper圖(圖3)顯示，天然條件下，在三角形區(qū)域，多數(shù)陽離子位于三角形的底端偏右方，為高Na+，低Mg2+，多數(shù)陰離子位于三角形的底端偏左方，為高HCO3-，低SO42-，如水樣SY1、SY2、SY3、SY4、SY5等。

圖2 水樣中主要組分含量變化趨勢(shì)圖

3.2 溶浸采礦區(qū)的水化學(xué)特征

從礦區(qū)溶浸采礦試驗(yàn)場(chǎng)地及其下游所取的水質(zhì)化學(xué)樣SY10、SY11、SY15、SY16、SY17、SY18的化學(xué)分析成果看，TDS變化范圍為139.89～941.07 mg/L之間，TDS值總體較大，隨著化學(xué)試劑如硫酸銨((NH4)2SO4)的注入，水化學(xué)成分發(fā)生了不同程度的變化，SO42-、NO3-、NH4+大量增加的同時(shí)，水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Mn2+、Al3+、Zn2+、Cr6+也呈不同程度的增加趨勢(shì)，最終導(dǎo)致TDS也不斷增加(圖2)，從而形成較高礦化度的SO4-Na·Ca、SO4-Ca·Na、NO3-Na·Ca型水。水樣Piper圖(圖3)顯示，溶浸區(qū)水質(zhì)類型發(fā)生改變，在三角形陰離子區(qū)域，SO42-變得很高，如：水樣SY10、SY11、SY15、SY17、SY18。

圖3 水樣的Piper圖

4 溶浸采礦水化學(xué)特征成因分析

天然條件下，花崗巖中富含Na、K、Ca的礦物，如鈉長(zhǎng)石(NaAlSi3O8)、鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)、鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)，在水和CO2的共同作用下，發(fā)生非全等溶解，往往形成低礦化度的HCO3-Na、 HCO3-Na·Ca或HCO3-Ca·Na型水[4-5]。

從溶浸采礦區(qū)所采集水樣中發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)類型從HCO3-Na、HCO3-Na·Ca及HCO3-Ca·Na轉(zhuǎn)變?yōu)镾O4-Ca·Na、SO4-Na·Ca型水，水中多種化學(xué)組分含量呈不同程度增長(zhǎng)趨勢(shì)，包括各種宏量及微量組分(表1、圖2)。硫酸銨((NH4)2SO4)為強(qiáng)酸弱堿鹽，會(huì)與鈉長(zhǎng)石(NaAlSi3O8)、鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)、鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)等礦物會(huì)發(fā)生進(jìn)一步溶解，如鈉長(zhǎng)石、高嶺石的溶解：

NaAlSi3O8+8H++4.5H2O=0.5Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+Na++2H4SiO4

Al2Si2O5(OH)4+6H+=2H4SiO4+2Al3++H2O

圖4水樣中Ca2+和SO42-離子比例關(guān)系圖圖5水樣中Mg2+和SO42-離子比例關(guān)系圖

隨著時(shí)間的推移，這種反應(yīng)愈發(fā)充分，SO42-與溶解出來的Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Mn2+、Al3+、Zn2+、Cr6+、TDS達(dá)到新的平衡，利用水中離子做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)SO42-與它們相關(guān)系數(shù)分別為0.66、0.82、0.41、0.91、0.72、0.88、0.89、0.74、0.95，其相關(guān)性為顯著—高度線性相關(guān)(圖4～圖12)。

圖6水樣中Na+和SO42-離子比例關(guān)系圖圖7水樣中K+和SO42-離子比例關(guān)系圖

礦物與化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)后，其多種組分被釋放出來進(jìn)入水中，并不斷累積增長(zhǎng)，參與區(qū)內(nèi)水文地球化學(xué)循環(huán)。隨著時(shí)間的推移，在徑流條件好的地區(qū)，地下水更新速度比較快，其自愈能力也比較強(qiáng)，溶浸采礦對(duì)其影響會(huì)慢慢減退，如水樣SY10；在徑流條件差的區(qū)域，地下水的自愈能力也差，溶浸采礦對(duì)其影響比較大，如水樣SY15。

圖8水樣中Al3+和SO42-離子比例關(guān)系圖圖9水樣中Mn2+和SO42-離子比例關(guān)系圖

圖10 水樣中Zn2+和SO42-離子比例關(guān)系圖 圖11 水樣中Cr6+和SO42-離子比例關(guān)系圖

圖12 水樣中TDS和SO42-離子比例關(guān)系圖

5 結(jié)語

(1)Piper圖分析顯示研究區(qū)天然條件下水化學(xué)類型以HCO3-Na、HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Na為主，陰離子以HCO3-占優(yōu)勢(shì)，陽離子以(Na++K+)、Ca2+占優(yōu)勢(shì)，在溶浸采礦影響下，水化學(xué)類型發(fā)生改變，以SO4-Na·Ca、SO4-Ca·Na為主，多種離子含量呈不同程度的增長(zhǎng)。

(2)通過對(duì)取自研究區(qū)溶浸采礦試驗(yàn)場(chǎng)水化學(xué)樣的分析結(jié)果表明，溶浸采礦所用呈酸性的化學(xué)試劑硫酸銨((NH4)2SO4)會(huì)與周圍花崗巖風(fēng)化殼發(fā)生復(fù)雜的水化學(xué)反應(yīng)，從而使多種礦物離子進(jìn)入水中，參與水化學(xué)循環(huán)，并改變水化學(xué)類型。隨著時(shí)間的推移，在補(bǔ)給、徑流條件好的地區(qū)，地下水的更新速度較快，其自愈能力強(qiáng)，反之，自愈能力減弱。

(3)溶浸采礦是目前采用的比較廣泛的稀土開采方式，溶液在地下運(yùn)移情況極其復(fù)雜，涉及到水化學(xué)、水動(dòng)力學(xué)，工程學(xué)等多方面的學(xué)科知識(shí)，只有加強(qiáng)多學(xué)科交叉的綜合研究，未來礦山開采才能最大限度地減少對(duì)水資源的破壞。

[1]吳愛祥，王洪江，楊保華，等.溶浸采礦技術(shù)的進(jìn)展與展望[J].采礦技術(shù).2006.6(3).

[2]余斌，劉堅(jiān)，張紹才，等.溶浸采礦技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制[J].采礦技術(shù).2002.6(2).

[3]包國(guó)良，周鵬鵬.溶浸采礦區(qū)地下水化學(xué)特征及水資源保護(hù)[J].地下水.2012.34(5).

[4]王大純，張人權(quán)，許紹倬，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社.1994.

[5]沈照理，朱宛華，鐘佐燊.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社.1993.62-122.

StudyonhydrochemicalcharacteristicsandoriginanalysisofarareearthleachingminingareainFujian

BAOGuo-liang

(Fujian geological survey and Research Institute, Fuzhou,Fujian,350013,China)

There are many rare earth deposits in the granite weathering layer in South China, and the main mining technology is the solution mining technology. The leaching process is mainly to inject chemical reagents into the granite weathering layer by drilling, and extract the leaching solution from the leaching point to obtain the required elements. The significant environmental impact of the process is that chemical agents will be directly involved in the regional biogeochemical cycle, and change the hydrochemical type. The results show that the water chemistry types are mainly HCO3-Na, HCO3-Ca·Na and HCO3-Na·Ca, while the water chemical types are mainly SO4-，Na·Ca，or SO4，-Ca. and Na under the condition of solution mining. The results of this study provide a useful reference for future mine water conservation. The research results will be useful for future water environment protection in mining.

leach mining；weathering layer；hydrochemistry；hydro geochemical cycle

P641.12

B

1004-1184(2017)05-0021-04

2017-05-08

包國(guó)良(1985-)，男，福建上杭人，工程師，主要從事水文地質(zhì)方面工作。