在大型盐岩溶腔建造过程中，经常遇到不溶于水的夹层出现在盐岩层中，使盐岩成为层状盐岩。常见夹层的主要类型有泥岩、石膏、钙芒硝等。其中泥岩、石膏不溶于水，其与层状盐岩储气库相关的就是力学特性，不涉及溶解的问题；而钙芒硝既作为夹层又作为一种矿产资源被广泛开采。在层状盐岩矿床大型储库建造过程中，钙芒硝夹层也随盐岩矿床的溶解而溶解，其溶解特性对处理大型溶腔的“隔板”（储气库建造过程中层状盐岩中厚层不溶物，如石膏夹层、钙芒硝夹层等）问题有重要的意义，因此在室内进行了钙芒硝水溶特性试验。

岩样取自江苏某盐矿夹层，该盐岩为钙芒硝，其中硫酸钠含量在30%～40%，硫酸钙含量同硫酸钠含量相当。钙芒硝成分及质量百分含量如表2-3所示。用岩芯钻机将矿石加工成φ50 mm×50 mm的圆柱形试件，进行溶解试验。

表2-3　钙芒硝的组成成分及含量

芒硝在32.4℃时的溶解度最大，因此我们选择在30℃左右的水中静溶试件。把试件和溶解容器放到40℃的恒温箱内（HG101-3A电热鼓风干燥箱），此时水温符合芒硝溶解度最大时的温度。每隔24 h用天平测量一次溶解质量，溶解15 d后，称量溶液质量，测量溶液波美度。取出试件，在105℃温度下干燥24 h，测量其含水率。

对试验结果做如下分析，如图2-31和图2-32所示。

（1）溶解视质量和溶解实质量。

首先需要说明的是，视质量是指钙芒硝试件在溶解过程中减少的质量。

从图2-31可以分析得出钙芒硝在水中的溶解和其他盐矿一样，随溶解时间的增加，溶解量也在增加，但是溶解曲线的斜率越来越小，也就是说，溶解增加的趋势越来越小。

由常识可知，矿物在被溶解下来的同时，溶剂（水）也进入了矿物，所以我们看到的视质量仅仅是溶解下来的矿物与进入矿石中水的差值。因此有必要引入钙芒硝在水中溶解的实际质量曲线。

钙芒硝盐岩的密度为2.697 6 g/cm3，实际测得其初始含水率为0.3%，溶解15 d后测量其含水率为23.5%，由此可知钙芒硝矿石在水中浸溶过程中的含水率是动态变量，假设其含水率是符合线性关系的，由此可以计算出其斜率为0.008 6，所以含水率随时间变化的方程为

确定含水率也就确定了每一时刻矿石的实际质量。可比较图2-31和图2-32，从曲线的斜率可以看出，单位时间内实际溶解的质量比溶解的视质量要大。

图2-31　钙芒硝在水中溶解视质量曲线

图2-32　钙芒硝在水中溶解实质量曲线

（2）溶解速率和溶解速度。

与盐类矿物水溶特性关系最密切的是溶解速率和溶解速度，关于二者的区别，前面章节已有叙述。

利用式（2-5）计算钙芒硝在不同时间点的溶解速率：

式中k 1，k 2——溶液中芒硝的浓度，g/m L；

q 1，q 2——溶液的体积，m L；(www.daowen.com)

s t——此时的溶蚀面积，cm2；

t——溶解时间，h。

如图2-33所示，钙芒硝的溶解速率呈下降趋势，造成这种趋势的原因是溶液中溶质浓度的增加使钙芒硝溶解的化学势降低。开始溶解时浓度最低，溶解速率最大，一旦浓度增加，溶解速率急剧下降，中间有波浪趋势，是由溶解过程中温度变化所造成的，对结果的影响不大。

图2-33　钙芒硝在水中溶解速率曲线

对于溶解速度的计算，由于钙芒硝难溶，无法通过直接测量溶解厚度来换算得到溶解速度，因此通过把某一时间段的溶解质量换算成溶解质量的体积，然后以初始表面积为参照面，计算这一时间段的溶解速度，计算公式为[8]

式中v t——第t个时间段的溶解速度，cm/h；

ΔG t——第t个时间段内溶解的质量，g；

ρ——钙芒硝的容重，g/cm3；

S t——开始溶解时的溶解表面积，cm2；

Δt——溶解时间，h。

图2-33和图2-34的趋势基本相同，对其平均溶解速率和溶解速度进行了拟合，钙芒硝在水中的溶解速率曲线方程为

钙芒硝在水中的溶解速度曲线方程为

式中v t——溶解速率，g/（cm2·h）；

v——溶解速度，cm/h；

t——溶解时间，h。

由以上试验可以看出：钙芒硝的溶解是一个物理-化学过程，影响溶解的关键因素是矿物的组成，温度、浓度、溶解外部条件等对钙芒硝的溶解也会产生一定的影响。

图2-34　钙芒硝在水中溶解速度曲线

到此为止，我们研究了芒硝盐岩的水溶特性，得出了一些有益的结论和结果，为在层状盐矿层中建造地下油气储库做了必要的理论研究，为储库的建造方法提出了建议。