CC BY
54
УДК 556.332.46
А.Л. Лебедев1
ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ГИПСА ИЗ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ПЕСЧАНИКОВ
При экспериментальном исследовании скорости выщелачивания гипса из порового пространства песчаника в лабораторных условиях выявлена область с повышенным содержанием доломита (за счет доломитизации кальцита в периферийной части блока), с минимальными значениями содержания гипса и максимальными — общей пористости пород, т.е. в сравнении с центральной частью. Показано, что процесс выщелачивания из блоков пород в прибрежной зоне р. Кафирниган определяется двумя последовательными стадиями: 1) выщелачиванием из области доломитизации (медленная стадия) и 2) выщелачиванием из области с фоновым содержанием доломита и кальцита (быстрая). Среднее значение коэффициента диффузии ионов Ca2+ во второй области на 70% выше, чем в первой.
Ключевые слова: гипс, выщелоченный слой, песчаник, доломитизация кальцита, коэффициент диффузии, общая пористость.
In experimental studies rate leaching gypsum from the pore space of the sandstone revealed a zone with higher content of dolomite (due dolomitization calcite in the peripheral region of the block), with minimum values of the gypsum content and maximum — total porosity. It is shown that the leaching process from rock blocks of the coastal zone Kafirnigan River defined by two successive stages: 1) leaching of dolomitization zone (the slowest) and 2) in the field with the background values of dolomite and calcite (fast). The average value coefficient of Ca2+ ions diffusion in the second region ~70% higher than in the first.
Key words: gypsum, leached layer, sandstone, coefficient of diffusion, total porosity.
Введение. В трещиноватых загипсованных породах гипс заполняет трещинное пространство между блоков в виде прослоев и (или) поровый объем блоков. Фильтрация осуществляется главным образом в трещинах, сформированных по контактам прослоев со стенками блоков, а при их дальнейшем растворении и вымыве (или при их отсутствии) — в трещинном пространстве между блоками.
При таких условиях задачи схематизации процессов растворения и выщелачивания гипса в моделях массопереноса основаны на физико-химических характеристиках растворения поверхности прослоя и выщелачивания гипса из порового объема блока.
По данным предыдущих исследований автора [Лебедев и др., 2003], установлено, что в результате эпигенеза могут формироваться области с разными значениями величины общей пористости пород (П) во внутреннем пространстве блоков. В этих условиях процесс выщелачивания гипса имеет стадийный характер.
Цель работы — определение параметров скорости выщелачивания гипса из порового пространства блока для каждой стадии этого процесса. Вопросы терминологии и классификации процесса выщелачивания обсуждены в работе [Лебедев и др., 2003].
Теоретические предпосылки. В результате процесса растворения гипса на поверхности блока бу-
дет формироваться выщелоченный слой, внутренний край которого перемещается от поверхности блока к его центру (загипсованная порода, рис. 1). С определенного момента скорость выщелачивания практически перестает зависеть от скорости потока в трещине и определяется диффузионным выносом массы растворенного гипса через выщелоченный слой в объем фильтрующегося раствора. Основная характеристика скорости выщелачивания в этих условиях — коэффициент диффузии реагентов и продуктов реакции растворения гипса (В) в поровом пространстве блока, значение которого зависит от состава и концентрации фильтрующегося раствора, его температуры, величины п' и содержания гипса в породе (т, масс.%). Область доломитизации кальцита (песчаник, ^к^) в периферийных частях блоков характеризуется более высокими значениями п' (приблизительно на 10%) и низкими значениями т, чем в центральной части, т.е. с фоновым содержанием минералов.
Уравнение скорости выщелачивания ионов Са2+ при растворении гипса в поровом пространстве пород с учетом увеличивающейся толщины выщелоченного слоя имеет следующий вид [Лебедев и др., 2003]:
dt \У) С-С0
(1)
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, лаборатория охраны гео-
логической среды и взаимосвязи поверхностных и подземных вод; e-mail: aleb.104a@yandex.ru
где V — объем раствора; £ — площадь поверхности выщелачивания; Ст, С0 — концентрация продуктов реакции растворения гипса в растворе, насыщения и на момент времени t соответственно (С = С0 при t = 0); р — плотность гипса; п — пористость породы (без гипса), в которой гипс первоначально заполняет все поры, т.е. его плотность в породе — рп. Результат интегрирования (1) — уравнение прямой линии в координатах F1— t [Лебедев и др., 2003]:
ш ^
= йрп
(2)
а при С0 = 0 и = 0)
я
уУу
.
(3)
Экспериментальная установка (рис. 1) представляла собой термостатированную ячейку цилиндрической формы. Раствор перемешивался погружной мешалкой. Кинетические кривые регистрировались на самописце КСП-4 с помощью метода кондуктометрии. Образцы для опытов отобраны из керна скважин в районе р. Кафирниган (Республика Таджикистан). Опыты продолжались от нескольких дней до 1—2 недель и заканчивались отбором проб раствора для определения концентрации ионов Са2+ (ССа2+). В ночное время все приборы выключали. Основой для обработки каждого опыта послужила численная зависимость ССа2+(0. Для модели (1) в зависимости от условий проведения опытов (С0 = 0 или С0 ф 0) строился график в соответствующих координатах или F1(t) соответственно) и методом наименьших квадратов определялись значения углового коэффициента этой зависимости (В), т.е. значения В (В = В]^/(рп52)) для выражения (3) или (2) соответственно. Более подробно установка и методика
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — термостатированная ячейка (V = 87 мл, £ = 9,62 см2), 2 — мешалка, 3 — приборы регистрации величины электрического сопротивления раствора (£,)■ Закрашенные участки — опытный образец (среднезернистый коричневый песчаник, ^к^), с зонами: 4— зона полного выщелачивания гипса из порового пространства (выщелоченный слой толщиной 0,1—0,2 см), 5 — зона, в которой гипс заполняет поровый объем (загипсованная порода). В периферийных частях блока (при доломитизации кальцита) — т = 1^2%, в центральных (при фоновом содержании кальцита и доломита) т = 4^5%. Вертикальные стрелки — диффузия реагентов и продуктов реакции растворения гипса в поровом пространстве выщелоченного слоя
проведения опытов описаны в работах [Лебедев, 2015; Лебедев и др., 2003].
Результаты исследований и их обсуждение.
В опытах с образцами из центральных частей блока опробована большая часть области протекания процесса выщелачивания гипса, т.е. максимальные значения концентрации ионов Са2+ в растворе попадают в диапазон 60—90% от концентрации насыщения (опыты 1—3, 5, рис. 2). А в опытах с образцами из периферийных частей блоков — только начальная стадия выщелачивания (не более 40% от концентрации насыщения; опыты 4, 6—8).
Рис. 2. Зависимость концентрации ионов Са от t. Поддерживались условия открытой (к воздуху) системы (опыты 1—8) с водой из р. Кафирниган (4; 20 °С; Ст=0,0152 ммоль/см3) и с бидистил-лированной водой (1—3, 5—8; 25 °С; Ст=0,0151 ммоль/см3). Начальная концентрация ионов Са2+ в растворе (С0, ммоль/см3): 1 — 0,00859; 2 — 0,0055; 3 — 0; 4 — 0,001; 5 — 0; 6 — 0,0002;
7 — 0,00003; 8 — 0
Обработка опытных данных (рис. 3, 4) показала, что использование уравнения (1) в качестве модели процесса выщелачивания гипса из порово-го пространства блока фактически оправдано для всего периода времени проведения эксперимента. Значения углового коэффициента теоретических прямых, рассчитанные для опытов с образцами из центральных (1—3) и периферийных (6—8) частей блоков (5,03^6,32)-10-8 ммоль/(см3-с) и (1,85-5,86)-10"9 ммоль/ (см3*с) соответственно, различаются приблизительно на порядок. По данным опыта 5 (рис. 3, центральная часть) получено более низкое значение — 3,33-10-8 ммоль/(см3-с), по-видимому состав этого образца характеризуется величиной т<4%. В опыте 4 (рис. 4, периферийная область) аномально высокое значение (1,1810-8 ммоль/(см3-с)), вероятно, объясняется использованием раствора (природная вода из р. Кафирниган, 20 °С), более агрессивного к гипсу.
Значения коэффициента диффузии (В) для периферийных частей блока (т = 1-2%) попадают в диапазон (0,56-3,57)-10_6 см2/с, а для центральных (т = 4-5%) — (6,13^9,63)10-6 см2/с, средние значения составили 2,05-10-6 и 7,59-10 см2/с соответственно. Для подобных условий по данным других исследований характерный диапазон значений — В « (2-9)-10_6 см2/с [Лебедев, 2015].
Наиболее достоверны результаты обработки данных, полученных в опытах 1—4 (рис. 3, 4), так как именно по результатам этих опытов установлено соответствие рассматриваемой модели (1) протеканию процесса выщелачивания для большей части области реакции (до 90%) при минимальном числе остановок приборов регистрации величины £ и мешалки.
Заключение. В блоках пород (прибрежная зона р. Кафирниган), сложенных среднезернистым песчаником (^к^), области с повышенным содержанием доломита (периферийные части блока) характеризуются минимальными значениями содержания гипса и максимальными — общей пористости пород.
Процесс выщелачивания гипса из порового пространства блоков определяется двумя последовательными стадиями: 1) выщелачиванием из области доломитизации и 2) выщелачиванием из области с фоновыми содержаниями доломита (или кальцита), первая стадия наиболее медленная, вторая — быстрая. Среднее значение коэффициента диффузии ионов Са2+ во второй области составляет 7,59'10-6 см2/с, или на 70% больше, чем в первой области (25 °С, бидистиллированная вода).
Рис. 3. Зависимость F2 от t (обозначения см. на рис. 2)
Рис. 4. Зависимость Fj от t (обозначения см. на рис. 2)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Лебедев А.Л. Кинетика растворения гипса в воде // Геохимия. 2015. № 9. С. 828-841.
Лебедев А.Л, Лехов А.В., Соколов В.Н., Свиточ Н.А. Скорость выщелачивания гипса из порового простран-
ства песчаников // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология, Геокриология. 2003. № 5. С. 438—447.
Поступила в редакцию 06.04.2016
