福建某稀土溶浸采矿区水化学特征及其成因分析研究

(福建省地质调查研究院，福建 福州 350013)

福建某稀土溶浸采矿区水化学特征及其成因分析研究

包国良

(福建省地质调查研究院，福建 福州 350013)

我国南方花岗岩风化层中多赋存稀土等矿床，开采工艺主要为溶浸采矿工艺。溶浸采矿工艺主要是通过钻孔向花岗岩风化层中注入化学试剂，从浸出点抽取浸出液以获得所需元素。工艺显著的环境影响是化学试剂将会直接参与到区域内的水文地球化学循环，并改变水化学类型。本次对矿区花岗岩风化层水资源的水化学特征进行分析，结果表明，天然条件下矿区水化学类型以HCO3-Na、HCO3-Ca·Na和HCO3-Na·Ca为主，而溶浸采矿条件下，水化学类型以SO4-Na·Ca、或SO4-Ca·Na为主。该研究结果对未来矿山开采水环境保护提供了有益借鉴。

溶浸采矿；风化层；水化学；水文地球化学循环

溶浸采矿又称化学采矿，它是根据某些矿物的物理和化学特性，将溶浸液注入矿层或矿堆，通过化学反应有选择性地浸出矿石中的有用成分，使有用成分由固态转变成液态再进行回收，从而达到开采矿石目的的新型采矿工艺。因其低成本、良好的环境效益而迅速发展，目前它已发展成为我国大量再回收资源如尾矿、贫矿、废石中矿物，提取铀、铜、稀土、金和银等金属的经济合理而行之有效的方法。如该方法在南方离子吸附型稀土矿开采中得到了广泛的研究和应用，采用该方法进行稀土矿原地浸出，母液收集率大于90%，离子相稀土浸出率大于90%，离子相稀土综合收集率大于75%[1]。

溶浸采矿较传统的采矿技术相比虽有诸多优势，如不破坏地表的植被，不产生废石、尾矿，节约开采成本等[2]，但其对溶浸采矿区的水文地质提出了较苛刻的条件。溶浸采矿通过向矿体注入化学试剂，使得化学试剂与金属元素及地下水之间形成了水文地球化学循环，对水资源造成了直接的威胁[3]，且在南方多数地区，花岗岩风化层往往会富集形成具有供水意义的含水层。因此，对溶浸采矿工艺中化学试剂与金属元素及水文循环作用机理的研究就显得尤为重要。

基于上述原因，本文在分析对比天然条件下与溶浸采矿条件下水化学特征的同时，对其成因做了深入的探讨，其将对未来矿山开采水环境保护提供有益的借鉴。

1 研究区概况

研究区海拔最高为420.3 m，最低为194.3 m，为典型的丘陵侵蚀地貌。区内水系较发育，呈树枝状展布。研究区年平均降雨量1 450～2 100 mm，年平均气温16.9℃～20.7℃，温热湿润，属亚热带季风气候。区内地层不甚发育，主要分布有第四系(Q)及位于研究区东侧晚白垩世沙县组(K2s)一套紫红色陆相碎屑岩地层。区内岩浆活动强烈，广泛分布印支期—燕山期的侵入岩，岩性主要为似斑状中粒黑云母二长花岗岩和少斑中细粒黑云母花岗岩。由于强烈的风化、淋滤及富集作用，区内形成了约10～30 m厚的花岗岩风化壳，稀土矿床位于花岗岩风化壳中。

花岗岩层中赋存有网状、脉状及透镜状的基岩裂隙水，包括浅部风化带裂隙潜水和深部基岩裂隙承压水。风化带裂隙潜水，埋深一般10～30 m间，主要接受大气降水的补给，基岩裂隙承压水接受上部潜水的渗透补给。地下水径流由地势较高处呈辐射状向低处潜流，主要排泄方式为蒸发排泄及人工排泄，部分区域以下降泉的形式排泄于溪沟。根据矿区出露泉点的调查，泉的排泄标高在190～402 m之间，流量多集中在0.018～0.427 L/s之间，富水性以弱为主，局部可达中等(图1)。

1-第四系；2-晚白垩世沙县组；3-燕山晚期二长花岗岩；4-燕山早期黑云母花岗岩；5-燕山早期黑云母二长花岗岩；6-印支期碎裂二长花岗岩；7-地质界线；8-断层；9-溪流；10-地下水流向；11-泉点；12-水样采集点；13-溶浸采矿点

图1水样采集点位置图

2 样品采集及分析方法

此次研究共采集水样20件，分三批分别于2010年4月采集9件水样，2013年1月采集6件水样及2013年3月采集5件水样，采样点位置(见图1)，采样时，先用所取水清洗水样瓶3～5遍，每件水质样品都用5 L的取样瓶装满，然后用蜡封好，并送往实验室分析测试，前期9件水样送往国土资源部福州矿产资源监督检测中心进行测试，后期11件水样送往福建地质矿产局三明实验室测试。水化学分析方法和测试精度均符合国家规范要求。

3 研究区水化学组成及特征

3.1 天然条件下的水化学特征

由表1可知，天然条件下，研究区水化学类型以HCO3-Na、HCO3-Na·Ca或HCO3-Ca·Na为主，阴离子以HCO3-为主，阳离子以Na+、Ca2+为主。 TDS变化范围一般为15～166 mg/L之间，TDS值总体较小，各组分含量值也较低(图2)。水样Piper图(图3)显示，天然条件下，在三角形区域，多数阳离子位于三角形的底端偏右方，为高Na+，低Mg2+，多数阴离子位于三角形的底端偏左方，为高HCO3-，低SO42-，如水样SY1、SY2、SY3、SY4、SY5等。

图2 水样中主要组分含量变化趋势图

3.2 溶浸采矿区的水化学特征

从矿区溶浸采矿试验场地及其下游所取的水质化学样SY10、SY11、SY15、SY16、SY17、SY18的化学分析成果看，TDS变化范围为139.89～941.07 mg/L之间，TDS值总体较大，随着化学试剂如硫酸铵((NH4)2SO4)的注入，水化学成分发生了不同程度的变化，SO42-、NO3-、NH4+大量增加的同时，水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Mn2+、Al3+、Zn2+、Cr6+也呈不同程度的增加趋势，最终导致TDS也不断增加(图2)，从而形成较高矿化度的SO4-Na·Ca、SO4-Ca·Na、NO3-Na·Ca型水。水样Piper图(图3)显示，溶浸区水质类型发生改变，在三角形阴离子区域，SO42-变得很高，如：水样SY10、SY11、SY15、SY17、SY18。

图3 水样的Piper图

4 溶浸采矿水化学特征成因分析

天然条件下，花岗岩中富含Na、K、Ca的矿物，如钠长石(NaAlSi3O8)、钾长石(KAlSi3O8)、钙长石(CaAl2Si2O8)，在水和CO2的共同作用下，发生非全等溶解，往往形成低矿化度的HCO3-Na、 HCO3-Na·Ca或HCO3-Ca·Na型水[4-5]。

从溶浸采矿区所采集水样中发现，水质类型从HCO3-Na、HCO3-Na·Ca及HCO3-Ca·Na转变为SO4-Ca·Na、SO4-Na·Ca型水，水中多种化学组分含量呈不同程度增长趋势，包括各种宏量及微量组分(表1、图2)。硫酸铵((NH4)2SO4)为强酸弱碱盐，会与钠长石(NaAlSi3O8)、钾长石(KAlSi3O8)、钙长石(CaAl2Si2O8)等矿物会发生进一步溶解，如钠长石、高岭石的溶解：

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

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

图4水样中Ca2+和SO42-离子比例关系图图5水样中Mg2+和SO42-离子比例关系图

随着时间的推移，这种反应愈发充分，SO42-与溶解出来的Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Mn2+、Al3+、Zn2+、Cr6+、TDS达到新的平衡，利用水中离子做相关性分析，发现SO42-与它们相关系数分别为0.66、0.82、0.41、0.91、0.72、0.88、0.89、0.74、0.95，其相关性为显著—高度线性相关(图4～图12)。

图6水样中Na+和SO42-离子比例关系图图7水样中K+和SO42-离子比例关系图

矿物与化学试剂发生反应后，其多种组分被释放出来进入水中，并不断累积增长，参与区内水文地球化学循环。随着时间的推移，在径流条件好的地区，地下水更新速度比较快，其自愈能力也比较强，溶浸采矿对其影响会慢慢减退，如水样SY10；在径流条件差的区域，地下水的自愈能力也差，溶浸采矿对其影响比较大，如水样SY15。

图8水样中Al3+和SO42-离子比例关系图图9水样中Mn2+和SO42-离子比例关系图

图10 水样中Zn2+和SO42-离子比例关系图 图11 水样中Cr6+和SO42-离子比例关系图

图12 水样中TDS和SO42-离子比例关系图

5 结语

(1)Piper图分析显示研究区天然条件下水化学类型以HCO3-Na、HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Na为主，阴离子以HCO3-占优势，阳离子以(Na++K+)、Ca2+占优势，在溶浸采矿影响下，水化学类型发生改变，以SO4-Na·Ca、SO4-Ca·Na为主，多种离子含量呈不同程度的增长。

(2)通过对取自研究区溶浸采矿试验场水化学样的分析结果表明，溶浸采矿所用呈酸性的化学试剂硫酸铵((NH4)2SO4)会与周围花岗岩风化壳发生复杂的水化学反应，从而使多种矿物离子进入水中，参与水化学循环，并改变水化学类型。随着时间的推移，在补给、径流条件好的地区，地下水的更新速度较快，其自愈能力强，反之，自愈能力减弱。

(3)溶浸采矿是目前采用的比较广泛的稀土开采方式，溶液在地下运移情况极其复杂，涉及到水化学、水动力学，工程学等多方面的学科知识，只有加强多学科交叉的综合研究，未来矿山开采才能最大限度地减少对水资源的破坏。

[1]吴爱祥，王洪江，杨保华，等.溶浸采矿技术的进展与展望[J].采矿技术.2006.6(3).

[2]余斌，刘坚，张绍才，等.溶浸采矿技术的环境监测与控制[J].采矿技术.2002.6(2).

[3]包国良，周鹏鹏.溶浸采矿区地下水化学特征及水资源保护[J].地下水.2012.34(5).

[4]王大纯，张人权，许绍倬，等.水文地质学基础[M].北京：地质出版社.1994.

[5]沈照理，朱宛华，钟佐燊.水文地球化学基础[M].北京：地质出版社.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

包国良(1985-)，男，福建上杭人，工程师，主要从事水文地质方面工作。