MINERALOGISK OG GEOKJEMISK KARTLEGGING AV TAILINGS, CASE STUDY FRA SYDVEST USA

Transkript

1 MINERALOGISK OG GEOKJEMISK KARTLEGGING AV TAILINGS, CASE STUDY FRA SYDVEST USA BY Ingar Walder og Patrizia Walder Kjeøy Research & Education Center, Vestbygd, Norge Hydrologi og Geokjemi seminaret, Trondhjem 8-9 februar,, 2005

2 Tailings Overflatevann ph , Cu mg/l, tydlig pyritt oksidering på overflaten, kobbersulfate mineraler Tailings fra porfyrisk kobberforekomst Monsonittisk bergart

3 TAILINGS 500+ mill tonn tailings Chalcopyrite/chalcocite chalcocite/covelitecovelite flotasjon med CaOH Hydro-syklon

4 TAILINGS Vil grunnvannet bli forurenset? Hvis ja, når og i hvilken grad?

5 Karakteriseringsmetoder Innledning Sulfidoksidering syredannelse og metall-transport transport Syre-nøytraliserende mineraler Mineralogiske og Geokjemiske Analysemetoder Feltobservasjoner Mikroskopi og X-Ray X Defraksjon Acid-Base Accounting Sequential Extraction Whole Rock kjemi / porevannkjemi Konklusjon

6 Innledning Acid Generating Sulfide Minerals Pyrite 2 FeS 2 (s) + 2H 2 O + 7O 2 = 4H + + 4SO Fe 2+ 4Fe 2+ + O 2 + 4H + = 4Fe H 2 O Fe H 2 O = Fe(OH) 3 (s) + 3H + FeS 2 (s) + 15/4O 2 + 7/2H 2 O = Fe(OH) 3 (s) + 4H + + 2SO 2-4 Hematite, Goethite, Ferrihydrite, Schwertzmanite,, Jarosite Pyrite, Marcasite Pyrrhotite, Troilite Chalcopyrite Arsenopyrite Enargite Tennantite FeS 2 4 Fe 1-x S, FeS 2 CuFeS 2 3 FeAsS 3 Cu 3 AsS 4 1 Cu 12 As 4 S

7 Innledning Sulfidoksideringen og dannelsen av tertiære mineraler er avhengig av sulfidmineralogi og ph I systemet. FeS 2 (s) + 15/4O 2 + 7/2H 2 O Fe(OH) 3 (s) + 4H + + 2SO 2-4 FeS 2 (s) + 10H 2 O + 11O 2 = Fe 2 (SO 4 )3x9H 2 O(s) + SO H + 2CuFeS 2 (s) + 3H 2 O + 17/2O 2 = 2FeOOH(s) + 2CuSO 4 (s) + 2SO H +

8 Innledning Syrenøytraliserende reaksjoner Calcite CaCO 3 = Ca 2+ + CO -2 3 CaCO 3 + H + = Ca 2+ + HCO - 3 CaCO 3 + 2H + = Ca 2+ + CO 2 +H 2 O CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca HCO - 3 Dolomite CaMg(CO 3 ) 2 + 2H + = Ca 2+ + Mg HCO - 3 K-feldspar to Sericite : 3KAlSi 3 O H 2 O + 2H + = KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 + 2K + + 6H 4 SiO 4

9 Feltarbeider Feltobservasjoner Sekundær/tertiær - mineraler Kornstørrelse Håndauger 2-44 meter (300 boringer) Prøvetagning (350 prøver) Kartlegging av oksidasjonsfront Porevannprøve (6 brønner) Dypauger meter (8 boringer med instrumenter) Prøvetagning Porevannprøve Hydrogeologiske parametere

10 Analysemetoder Mikroskopi og X-Ray X Defraksjon Pyritt, chalcopyritt, covelitt, sinkblende (1-2 2 % total sulfider) Hematitt, goetitt,, (jarosite i nær overflate prøver) Seresite, alkalifeltspatt, plagioklas, biotitt utgjør >60 % av tailings materialet Tydelig pyritt oksidering i øverste ½ meter Ingen synlig oksidering dypere enn 1 meter Overflatevann og porevann fra grunne brønne ph økning fra 1.5 til 2.5 Metall reduksjon i porevannet

11 Analysemetoder Acid-Base Accounting Kvantifisere mengde syredannende mineraler Kvantifisere mengde syrenøytraliserende mineraler Sulfur Species Method (US EPA) HCl oppløsning (sulfatmineraler) HNO3 oppløsning (sulfidmineraler) Total svovel Gross Neutralizing Method (US EPA) Total karbonat Statisk Test

12 ANP Static Test Interpretation S sulfide (wt%) (HNO3-HCl) ANP (CaCO 3 t/1000t) S sulfate S residual (wt%) (wt%) (HCl) APP (CaCO3 t/1000t) NAPP (CaCO3 t/1000t) Potentially Acid Generating 1:1 APP Uncertainty Zone 3:1 Non-Acid Generating

13 Static Test Interpretation Potentially Acid Generating Sulfate addit. 1:1 APP Carbonate Red. Uncertainty Zone Silicate 3:1 Sulfide Subt. Non-Acid Generating ANP

14 Acid Base Accounting Ox. Zone AGP Unox. Zone Pyritic Sulfur Ox. Zone Unox. Zone CaCO 3 t/kt CaCO 3 t/kt Wt.% Wt.% Average Count Average Count

15 Analysemetoder Sequential Extraction (Dold,, 2001) Syv-trinns ekstraksjonsmetode Vann; amonium-acetat; acetat; amonium-oxalat oxalat kald og varm; hydrogenperoksid; KCl+HNO3+ +HNO3+HCl; ; HNO3+HF+HCl HCl+HClO4 Analysere elementer for hver ekstraksjon Gir indikasjon om: tilgjengeligheten/distribusjonen av analyserte elementer (sulfat, silikat, absorbert, ionebytte etc.) Bevegelse av metaller i den reaktive sonen Resultat Secondary calcium copper and zinc sulfate common Iron, aluminum som oksider Kobber, zink og sølv har oppadgående transport

16 Konklusjon 10% pyritt okisdert i øverste ½ meter etter 10 år 1-1.5% 1.5% sulfid mineraler Oksidasjonsfront ½ - 1 meter dyp Oppadmigrerende elementer Langtids syrenøytraliserende mineraler (silikater) Resultate er sammen med hydrogeologiske parameteret brukt til å modelere migreringen av oksidasjonsfronten og vannkvalitet på sigevann år frem i tid.

17 Metal Mobility Tests Toxicity Characterization Leaching Procedure TCLP - Acetic acid leach, starts at ph=4.9 - Liquid:solid 16:1, 18 hours duration - Not for Mine Waste Synthetic Precipitation Leaching Procedure SPLP - Sulfuric and nitric acid start at ph=5.5 - Liquid:solid 20:1, 18 hours duration - do not use for mine waste Meteoric Water Mobility Test - Meteoric water, ph=5.5 at start - Liquid:solid 1:1, duration 76 hours, 5 kg sample - Designed for mine waste, best suited for old waste material In-Field Rainfall Simulation Test - Meteoric water, ph=5.5 at start - Liquid:solid (location based, duration runoff time, - Designed for older waste material and pit walls Sequential Extraction - Several leach step with different leaching agents - Designed to evaluate mineralogy and element availability

18 Sequential Extraction (Dold, 99) Step 1. Water soluble fraction, highly soluble sulfate minerals 1 g. Samples into 50 ml de-ionized H2O, shake for 1 hour. Step 2. Exchangeable fraction, sorbed element, and leftover 1 M NH 4 -acetate, ph 4.5, shake for 2 hours Step 3. Fe(III) Oxy-hydroxides, jarosite, schwert., Mn(IV) oxides 0.2 M NH 4 -oxalate ph 3.0, shake for 1 hour in darkness Step 4. Fe(III) oxides, hematite, goethite, prim. jarosites 0.2 M NH 4 -oxalate, ph 3.0 heat in water bath 80 degree C for 2 hours Step 5. Organic and secondary Cu sulfides, easily oxidizable sulfides 35% H 2 O 2 heat in water bath for 1 hour Step 6. Primary Sulfides Combination of KClO 3 and HCl followed by 4M HNO 3 boiling Step 7. Residual HNO 3, HF, HClO 4, HCl digestion