基于湿度细胞试验与13年现场氧化试验的矿山高壁硫化物反应性标度研究

为解决矿山高壁硫化物氧化速率预测偏差问题，研究人员通过对比湿度细胞试验（HCTs）与长期现场氧化数据，评估了实验室与野外条件下硫化物氧化及溶出化学的差异。研究发现HCTs因细颗粒（<6.35 mm）和高湿度条件会高估反应速率，需通过经验标度因子（2.1–4.7倍）校正，为环境影响评价（EIS）和闭矿规划提供了可靠框架。

　　

矿山闭坑后形成的露天矿坑湖（pit lake）可能因高壁硫化物氧化导致水体酸化及重金属溶出，威胁周边生态环境。然而，传统湿度细胞试验（HCTs）因使用细颗粒材料（<6.35 mm）和恒定湿润条件，往往高估实际风化速率，导致预测偏差。美国内华达州Gold Quarry矿山的案例显示，实验室与野外条件差异可达1600倍，亟需建立可靠的标度方法。

为填补这一空白，研究人员选取四种不同酸生成潜力（AGP）和酸中和潜力（ANP）的岩石样本（包括高酸性Rodeo Creek和强碱性Popovich地层），将其破碎为<2 mm至16–64 mm粒径段及10 cm³
块体，分别进行22周HCTs和30周野外风化试验（1996–1997年）。13年后（2011年）回收样本再次进行HCTs，结合矿物 liberation分析（MLA/XMOD）和PHREEQC地球化学模拟，系统评估长期风化效应。

主要技术方法

1. 湿度细胞试验（HCTs）：按ASTM D5744-07标准，采用500 g样本进行干湿循环测试，监测pH、SO₄
   ^2?
   及金属溶出。
2. 野外风化试验：在矿山气象站暴露样本，通过J-loop系统收集降水驱动的溶出液。
3. 矿物学分析：扫描电镜（SEM）和MLA/XMOD技术定量矿物相变，识别氧化蚀变边（如黄铁矿FeS₂
   的氢氧化铁包壳）。
4. 地球化学建模：PHREEQC计算溶出液饱和指数（SI），验证矿物溶解/沉淀趋势。

研究结果

1. HCTs与野外风化差异：HCTs的SO₄
   ^2?
   释放速率是野外试验的2.1–4.7倍（2–64 mm粒径），块体差异高达1600倍，证实细颗粒和持续湿润加速反应。
2. 矿物相变：酸性样本（如SSR3）中黄铁矿氧化形成氢氧化铁包壳，抑制进一步反应；中性样本（如OS4）中菱铁矿（FeCO₃
   ）溶解导致局部酸化。
3. 长期风化一致性：2011年HCTs的pH和SO₄
   ^2?
   与1997年终止数据吻合，表明短期HCTs可模拟长期平衡状态。

结论与意义
研究提出基于pH和粒径的经验标度因子，将实验室数据转化为实际高壁风化速率，显著提升矿坑湖水质预测精度。例如，Gold Quarry高壁以>1000 cm³
块体为主，直接采用块体数据更符合实际。该框架为干旱区矿山闭坑环境管理提供了关键工具，发表于《Results in Earth Sciences》，兼具学术价值与工程指导意义。