離子型稀土礦體中溶液非均勻性滲透對浸取率的影響①

羅嗣海，羅 濤，王觀石,2*，劉 劍，胡世麗，朱冬梅

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離子型稀土礦體中溶液非均勻性滲透對浸取率的影響①

羅嗣海1，羅 濤1，王觀石1,2*，劉 劍1，胡世麗1，朱冬梅1

(1 江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000；2 中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000)

為研究離子型稀土礦體中浸取劑溶液的非均勻滲透對浸取率和浸取深度的影響，在江西安遠的離子型稀土礦山開展了亮藍和硫酸銨混合溶液的注液坑入滲試驗，亮藍用于示蹤溶液滲透過程，硫酸銨用于反映滲透過程的離子交換，獲取礦體中溶液的非均勻滲透過程，運用形態(tài)學圖像處理技術，計算染色剖面染色圖像指數和多重分形譜譜寬，分析非均勻滲透過程對稀土離子浸取深度的影響。研究結果表明：江西安遠離子型稀土礦體非均勻性參數變異系數屬于中等變異性，浸取劑溶液在稀土礦體的滲透過程具有多重分形性質，相對于基質流深度、染色深度和染色面積比等剖面染色圖像指數，多重分形譜譜寬與優(yōu)先流比對非均勻滲透過程更靈敏；隨優(yōu)先流比增加，浸取率降低，浸取深度也減小。

原地浸礦；離子型稀土礦；非均勻性；浸取率

江西贛南是華南造山系南嶺造山帶風化殼離子吸附型稀土礦富集區(qū)，也是我國乃至全球重要的重稀土資源生產地[1]，目前采用原地浸礦技術回收離子型稀土資源[2]。

受物理、化學風化等地質作用，稀土礦體內形成具有空間變異性的孔隙結構，直接影響礦體滲透系數和離子型稀土元素品位的空間分布規(guī)律。高度變異性和各向異性是土壤的基本特性，而土壤中水流的運動是非均勻和各向異性的，大量的野外試驗[3-6]及室內觀測[7]都表明了非均勻流動是一種普遍的規(guī)律。

滲透系數的空間分布規(guī)律對離子型稀土資源浸取率具有重要影響，如，從正在進行原地浸礦的礦塊中取尾礦化驗得出，滲透性好的區(qū)域中具有稀土含量低和銨含量高的特點，容易產生溝流偏流和過度浸取現象，而滲透性差的區(qū)域具有稀土含量較高和銨含量低的特點，容易產生浸礦劑滯留和浸取不足；從停止注液有較長時間的原地浸礦礦塊中取尾礦化驗得出，滯留區(qū)域內稀土殘留量與銨殘留量之間有反比關系，滲透性好的區(qū)域中稀土殘留量與銨殘留量都低，滲透性差的區(qū)域中稀土含量和銨含量都比較高，滲透性更差的區(qū)域則屬于浸礦盲區(qū)，浸礦劑難以到達[8]。

土壤染色劑是觀測水流運動和溶質運移的一種較為直接的觀測手段，盛豐等[9]通過土壤剖面染色圖像中一定的染色面積比所對應的染色深度評價了土壤優(yōu)先流，在一定程度上揭示了優(yōu)先流的發(fā)育狀況。本文通過亮藍和硫酸銨混合溶液的注液坑入滲試驗，亮藍用于示蹤溶液滲透過程，硫酸銨用于反映滲透過程的離子交換，研究離子型稀土礦體中浸取劑溶液的非均勻滲透對浸取率和浸取深度的影響。

1 材料與方法

1.1 注液坑染色示蹤試驗

在江西安遠縣某離子型稀土礦山進行了2個注液坑染色示蹤試驗，為了確保2個注液坑試驗之間不相互干擾，注液坑間的距離大于5 m。試驗現場如圖1所示，在礦塊內挖一長140 cm，寬130 cm，深40 cm的坑，先開挖注液坑15 cm，平整坑底，在坑底取10個礦樣，繼續(xù)向下開挖15 cm，再取10個礦樣，全部取樣完畢后，將注液坑開挖至設計深度。取回的礦樣用于測試試驗處的原礦品位。

配制500 L的亮藍濃度為4 g/L和硫酸銨濃度為2% 的混合溶液，亮藍用于示蹤溶液滲透過程，硫酸銨用于反映滲透過程的離子交換。將坑底平整后，向注液坑注入預先配制的混合溶液，試驗過程中，為防止溶液的蒸發(fā)作用和降雨的稀釋，在每個注液坑上覆蓋2 m′2 m的塑料薄膜。

3天后待染料充分下滲，沿注液坑長度方向等間距豎向開挖6個剖面，開挖剖面深度為85 cm，拍照和取樣。為防止開挖過程中工具對土壤剖面產生影響，先用鋤頭粗開挖18 cm，然后用小刀對剖面進行精細處理，以保證土壤平整和無染色污染，如圖1所示。尾礦取樣時，在豎直方向上每個剖面分為5層，各層間的距離均為15 cm，每層上取6個尾礦樣品，每個樣品之間水平間隔20 cm。一個剖面一共30個樣，每個樣品取了500 ~ 800 g，測試尾礦樣品的稀土品位和NH4+含量。

圖1 注液坑染色示蹤試驗現場

1.2 圖像處理

首先使用ERDAS IMAGINE 9.2軟件對拍攝的原始圖片進行幾何校正，再使用Photoshop CS軟件對校正后的照片進行處理，統(tǒng)計染色面積。采用顏色替換功能將染色區(qū)域進行顏色替換，然后將照片轉換為灰度模式，染色區(qū)域變成黑色或灰黑色，未染色區(qū)域為白色。調整閾值使黑色區(qū)域與實際染色區(qū)域面積一致，此時染色與未染色部分分別為黑色和白色。然后將照片轉換為.bmp位圖格式，形成黑白二元文件。利用Matlab 7.0軟件對位圖進行處理，輸出照片二元(0, 1)信息矩陣。1為白色元素，代表未染色；0為黑色元素，代表染色。統(tǒng)計染色元素個數，根據照片分辨率計算其染色面積和染色比例。

1.3 數據處理

1.3.1 染色圖像指數 國內外研究者在對土壤優(yōu)先流的研究過程中得出了一些染色圖像評價指數用以評價優(yōu)先流的發(fā)育程度，主要包括：染色面積比、優(yōu)先流比、基質流深度和染色深度等[10-11]。

1) 土壤剖面染色面積比D：

式中：D為土壤剖面染色面積比；為土壤剖面總染色面積(cm2)；N為土壤剖面未染色面積(cm2)。

2) 優(yōu)先流比P：

式中：P為土壤剖面優(yōu)先流區(qū)染色面積比；niFr為土壤剖面基質流區(qū)對應的土壤剖面深度(cm)；為土壤剖面水平寬度(cm)；otStAr為土壤剖面染色區(qū)總面積(cm2)。

1.3.2 礦體非均勻滲透的多重分形譜 由于浸礦劑溶液在礦體是非均勻滲透作用，最大入滲深度以上的礦體并未完全染色，因此均勻流不能完全描述浸礦劑溶液運動的非均勻特征[12-13]。為便于表述，建立直角坐標系，注液坑長度方向為方向，寬度方向為方向，深度方向為方向，方向向下為正。對于某一縱向開挖剖面位置處，引入實際入滲深度()，其計算公式為：

式中：()為位置的實際入滲深度，如果亮藍經過垂直剖面位置(,) 則被染色，(,) = 1，反之，(,) = 0；Dh為開挖剖面位置處相鄰兩像素表示的間距(以像素為單位)；為位置最大入滲深度對應的像素數目。

對于某一縱向開挖剖面，以實際入滲深度分布描述流動非均勻特性，為測量尺度，將剖面分為() 個區(qū)間，令μ() 是空間標度為(1≤≤())的區(qū)間樣本平均值的歸一化入滲深度值。

式中：S= 1；h() 是測量尺度為的第個區(qū)間入滲深度之和；是尺度為的區(qū)間數目。

對歸一化入滲深度值() 的次方加權求和，設多重分形系統(tǒng)的配分函數為()，其數學表達式滿足：

式中：() 為質量指數。如后面等式成立，則配分函數() 與有如下關系：

如果ln[()] 隨ln的變化有較好的線性關系，表明入滲深度分布具有多重分形屬性，ln[()] ~ ln曲線斜率就是()。通過加權處理可以對一個分形集內部的結構進行精細研究。根據質量指數()，可以得到廣義分形維數D：

式中：D是隨不同的值而有不同意義的分形維數，當序列是均勻分布時，D= 1。當= 1時，1() =S() = 1，由此得出(1) = 0，這時廣義分形維數1稱為信息維數[14]；當= 2時，2稱為相關維數，反映在一定距離內，流動模式的相似程度。

奇異指數= () 是的非線性遞減函數，可以通過勒讓德變換后得、()、() 關系如下[15]：

計算各剖面分形譜的步驟：①采用式(3) 處理染色圖像后，得到各剖面不同水平位置的實際入滲深度；②采用式(4)對入滲深度進行歸一化后得到()，把() 的值代入式(5) 中計算出配分函數；③利用式(6) 即可計算出質量指數的關系曲線，對質量指數的關系曲線求導計算出，利用式(9)計算出分形譜函數()。

2 結果與分析

2.1 礦體染色圖像指數分析

以注液坑一的第1剖面為例，說明染色圖像指數的計算過程，如圖2所示，將豎向開挖剖面的照片轉換為灰度模式，運用第3部分的公式計算出稀土礦體染色圖像指數，用以評價優(yōu)先流發(fā)育程度，注液坑一的計算結果見表1，注液坑二的計算結果見表2。

圖2所示剖面的最大染色深度為49.0 cm，染色面積比為65.40%。本次試驗定義單位土層(1 mm)在80% 以上的染色面積為基質流染色區(qū)域[16-17]，該剖面對應的基質流染色深度為26.3 cm，優(yōu)先流占整個區(qū)域的百分比為17.94%。

計算剖面染色圖像指數的變異系數，計算結果見表3。按照變異系數的劃分等級：變異系數<10%，弱變異性；10%<變異系數<100%，中等變異性[18]，由表3可知，礦體非均勻性參數變異系數都屬于中等變異性。由表3可知，礦體剖面染色圖像指數的變異系數存在著較大差異，其中優(yōu)先流比的變異性最大，其次是基質流深度和染色深度，染色面積比的變異性最小。

圖2 注液坑一的剖面染色圖像(y = 20 cm)

表1 注液坑一的剖面染色圖像指數

表2 注液坑二的剖面染色圖像指數

為便于比較，定義歸一化系數：

式中：為歸一化系數；S為第剖面的染色面積比、基質流深度、染色深度或優(yōu)先流比；min為染色面積比、基質流深度、染色深度或優(yōu)先流比的最小值；max為染色面積比、基質流深度、染色深度或優(yōu)先流比的最大值。

表3 剖面染色圖像指數的變異系數

分別將染色面積比、基質流深度、染色深度和優(yōu)先流比進行歸一化，歸一化后如圖3所示：

圖3 注液坑一染色圖像指數間的關系

由圖3可以看出隨著染色面積比的增大，基質流深度和染色深度也增大，則說明染色面積比、基質流深度和染色深度呈正相關關系；隨著優(yōu)先流比增大，染色面積比和基質流深度減小，則說明優(yōu)先流比與染色面積比、基質流深度和染色深度呈負相關關系。這與Bargués等[17]在對林地、干旱區(qū)不同立地的研究中發(fā)現，土壤剖面染色面積比越大，在一定程度上說明優(yōu)先流程度越低；以及陳曉冰等[19]在土壤優(yōu)先流程度定量評價中得出，基質流深度越大，其優(yōu)先流發(fā)育程度越低的結論相同，通過染色圖像指數的變異性分析，得出優(yōu)先流比的靈敏性比其他參數高。

2.2 非均勻滲透的多重分形譜分析

對于注液坑一的第1剖面(= 20 cm)，設定的取值范圍為[–10, 10]，運用式(5)和式(6)計算得到ln[(,)] 與ln間的變化關系，如圖4所示。由圖4可知，ln[(,)] 與ln具有良好的線性關系，表明礦體非均勻滲透深度分布具有自相似性和多重分形特征。

圖4 注液坑一的配分函數與尺度的關系(y = 20 cm)

運用式(8)和式(9)計算注液坑一的各剖面實際入滲深度的多重分形譜，計算結果如圖5所示。由圖5可知：各剖面的分形譜是非對稱的。多重分形譜的寬度D(D=max-min) 反映了概率分布范圍的大小，能反映地下水的非均勻流動，概率分布越不均勻，相應的() 曲線越寬，及D值越大。D= 0時，則表示歸一化后的指數概率分布是完全均勻分布。注液坑一的多重分形譜的譜寬計算結果見表4，注液坑二的多重分形譜的譜寬計算結果見表5。計算兩個注液坑多重分形譜譜寬的變異系數，注液坑一的譜寬變異系數為49.83%，注液坑二的譜寬變異系數為59.25%，兩者比較接近，同屬中等變異性。

分別將注液坑一各剖面的優(yōu)先流比和譜寬Da進行歸一化，歸一化后如圖6所示。由圖6可知，優(yōu)先流比和譜寬D呈正相關關系，隨著優(yōu)先流比的增大，D也增大；則概率分布越不均勻，相應的() 曲線越寬，越非對稱分布，溶液在礦體中的非均勻性滲透就越強。

圖5 注液坑一實際入滲深度的多重分形譜

表4 注液坑一的多重分形譜譜寬

表5 試驗坑二的多重分形譜譜寬

圖6 注液坑一的優(yōu)先流比和譜寬的關系

2.3 浸取率分析

本試驗礦樣檢測為離子相稀土品位和NH4+含量。測得原礦離子相稀土平均品位為0.66 g/kg，注液坑一的離子相稀土平均品位和NH4+平均含量如圖7所示。

由圖7可知，離子相稀土品位在0 ~ 45 cm的范圍內隨深度的增加而增大，因為淺層的稀土被浸取出來后又被深層的土壤反吸附，從而導致在0 ~ 45 cm的范圍內隨深度的增加而增大；在45 ~ 75 cm的范圍內隨深度的增加而漸趨穩(wěn)定，因為在45 ~ 75 cm的范圍內浸取反應隨深度的增加而變弱，則導致深層土壤反吸附的稀土離子越來越少。NH4+含量隨深度的增加而減小。在0 ~ 45 cm的深度范圍內離子相稀土品位和NH4+含量的變化比較大，因為0 ~ 30 cm為基質流深度，稀土浸取反應比較充分。上述分析表明：本次試驗的影響深度為45 cm。在開挖深度范圍內，提出浸取率的計算公式：

圖7 尾礦離子相稀土品位和NH4+含量與深度的關系

式中：ζ為1 ~層的平均浸取率；P, i為第層的尾礦品位；P, i為第層的原礦品位；h為第層的厚度(cm)。

將各層原礦品位、尾礦品位和厚度代入式(11)，計算得到浸取率與深度的關系，注液坑一的計算結果見表6，注液坑二的計算結果見表7(開挖了6個剖面，只在3個剖面取尾礦礦樣測試品位)。

表6 注液坑一的浸取率(%)

表7 注液坑二的浸取率(%)

對0 ~ 45 cm范圍內浸取率與深度的關系進行線性擬合，擬合公式為：

式中：是浸取率；是土層深度 (cm)；a和b為浸取率隨深度的變化系數，為擬合參數，b反映了浸取率隨深度的變化快慢程度，b的單位為cm–1。

采用式(12) 擬合浸取率與深度的關系，注液坑一的擬合結果見表8，注液坑二的擬合結果見表9。從表8和表9可知，擬合效果較好，表明線性擬合是有效的。

表8 注液坑一的浸取率與深度的擬合結果

表9 注液坑二的浸取率與深度的擬合結果

前述分析表明，多重分形譜譜寬和優(yōu)先流比對溶液在礦體中的非均勻滲透過程相對更靈敏，考慮到優(yōu)先流比計算簡單，且不同剖面的優(yōu)先流比絕對變化值更大，本文選擇優(yōu)先流比作為量化礦體中溶液非均勻滲透過程的參數，分析優(yōu)先流比對浸取率的影響。

由浸取率與深度的線性關系可知，在相同深度下，系數b越大，則稀土浸取率越小，即：b值越大，表明隨深度增加，浸取率變化越慢。圖8為擬合系數b與優(yōu)先流比的關系，從圖8可以看出，隨優(yōu)先流比增加，系數b近似成負指數減小。

圖8 擬合系數b與優(yōu)先流比的關系

設浸取率為80% 對應的深度為有效浸取深度z，由式(12)計算得到有效浸取深度與優(yōu)先流比的關系，如圖9所示。圖9表明，隨優(yōu)先流比增加，浸取深度呈負指數減小，即礦體非均勻滲透現象越明顯，浸取率越低，有效浸取深度越小。

圖9 浸取深度與優(yōu)先流比的關系

3 結論

1) 江西安遠離子型稀土礦體非均勻性參數變異系數都屬于中等變異性，礦體剖面染色圖像指數的變異系數存在著較大差異，其中優(yōu)先流比的變異系數最大，其次是基質流深度和染色深度，染色面積比的變異系數最小。

2) 浸取劑溶液在江西安遠類型稀土礦體的滲透過程具有多重分形性質，非均勻滲透現象越突出，多重分形譜譜寬越大，多重分形譜寬與優(yōu)先流比呈正相關關系，且比剖面染色圖像指數更靈敏。

3) 通過線性擬合浸取率與深度的變化規(guī)律，設浸取率為80% 對應的深度為有效浸取深度，試驗結果表明，隨優(yōu)先流比增加，浸取率越低，浸取深度越小。

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Effect of Heterogeneity of Leaching Solution on Leaching Rate in Ionic Rare Earth Ore Body

LUO Sihai1, LUO Tao1, WANG Guanshi1,2*, LIU Jian1, HU Shili1, ZHU Dongmei1

(1 School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000, China; 2 Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

In order to study the effect of heterogeneity of leaching solution on leaching rate and leaching depth in ionic rare earth ore body, an infiltration test was carried out in the ion-type rare-earth mine in Anyuan of Jiangxi with the mixed solution of brilliant blue and ammonium sulfate, in which brilliant blue was used for tracing the permeation process of leaching solution while ammonium sulfate used for reflecting the permeation process of ion exchange. The inhomogeneous permeation process of the solution in ore body was obtained, and morphological image processing technique was used to determine the parameters of dyeing images and the widths of multi-fractal spectra of the staining profiles. The effect of inhomogeneous permeation process on the leaching depth of rare earth ions was also analyzed. The results showed that the variation coefficient of inhomogeneous parameters were medium, leaching agent had multi-fractal properties in inhomogeneous permeation process. Multi-fractal spectrum width and preferential flow fraction were more sensitive to inhomogeneous permeation process compared with the depth of matrix flow, the dyeing image parameters, such as the dyeing depth and dyeing area ratio. With the increase of the preferential flow fraction, the leaching rate and the leaching depth decreased.

leaching; Ionic rare earth mine; Heterogeneity; Leaching rate

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.028

國家自然科學基金項目(51664015，51264008，51674125)、教育廳科技項目(GJJ150658)和江西省教育廳科技落地計劃項目(KJLD14042)資助。

(wgsky010@126.com)

羅嗣海( 1966—) ，男，江西興國人，博士，教授，主要從事巖土力學與地基處理、環(huán)境巖土工程方面的研究。E-mail：drsoil@163.com

TD865

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