Evolution of flood levels of open pits in the Tharsis mining district and characterization of the pollutant load from acid mine drainage sources
Moreno gonzalez, Raúl
The Tharsis mining district is the second most important of the Iberian Pyrite Belt
(IPB). The intense exploitation of sulphides carried out since the Copper Age but, above
all, since the second half of 19th century to the end of the 20th century, has left large
dumps and other sulphide-rich mining wastes in the area, where acid mine drainages
(AMD) are generated, together with four acid pit lakes (Filón Norte, Sierra Bullones, Filón
Centro y Filón Sur) A characterization of the hydrological functioning and evolution of the
pit lakes (was carried out. A simple methodology based on the use of the available
orthophotographs and the Digital Terrain Model (DTM), together with the water balance
of the pit lakes was developed, which could be applied to other abandoned mining sites.
The accumulation of large volumes (5.2 hm3) of acid and metal-rich waters in these pit
lakes poses a serious environmental concern. The results showed that Sierra Bullones
and Filón Norte open pits are connected underground and present the same evolution,
with a water transference from Sierra Bullones to Filón Norte. The water level in both pit
lakes is increasing, with an average rise of 2.8 m/yr since the beginning of flooding.
However, the increase in the evaporation rate, as a result of the larger flooded area as
the water level rise, would induce a hydrological equilibrium before reaching the overflow
level, leading to the formation of a terminal lake. On the other hand, the water level in
Filón Centro and Filón Sur pit lakes remain approximately stable. The first behaves as a
flow-through or terminal lake, depending on the annual rainfall, while the second acts
permanently as a flow-through lake.
In addition, the influence of hydrogeochemical processes and the waste typology
on the physicochemical parameters and dissolved concentrations of pollutants in the
acid waters generated were studied during three different hydrological conditions (dry,
wet and intermediate). Extreme leachates are produced in the area, reaching even
negative pH values and concentrations of up to 2.2 g/L of As and 194 g/L of Fe. Lead
was the least mobile element in dissolution probably due to the precipitation of Pb
secondary minerals and/or its coprecipitation on Fe oxyhydroxysulphates. Arsenic, Cr,
and V are also coprecipitated with Fe minerals. Seasonal patterns in metal contents were
identified: elements coming from the host rocks, such as Al, Mn and Ni, showed their
maximum concentrations in the dry period, when dilution with freshwater is lower and
the water-rock interaction and evaporation is higher. On the other hand, As, Cr, Fe, Pb
and V showed minimum concentrations in the dry period due to intense Fe
oxyhydroxysulphate precipitation. The highest pollutant load from the Tharsis mines
occurs in the wet period (139 ton/day of SO4, 44 ton/day of Fe, 6.7 ton/day of Al, etc.)
while in the intermediate period, it is only a quarter, and in the dry period, it is minimal
due to the low flows. Approximately half of the pollutants released reaches the Meca River basin, while the other half joins the Oraque River, although some differences occur
depending on the element and the season. These discharges acidify the water of the
Sancho Reservoir and will compromise the quality of the new reservoir waters, currently
in construction downstream the Oraque River
The concentrations and normalised patterns of rare earth elements (REEs;
subdivided into light (LREEs: La to Sm), middle (MREEs: Eu to Dy) and heavy (HREEs:
Ho to Lu)), their behaviour in the fluvial network, and the REEs contributions from AMD
sources were also analysed. High concentrations of REEs were observed, with a mean
value of 1,747 μg/L. The concentration of REEs shows a positive correlation with
electrical conductivity (EC). However, the highest concentrations of REEs occurred in
samples with intermediate levels of pollution and EC values. The highest correlations of
middle REEs (MREEs) and heavy REEs (HREEs) occurred with elements related to
hydrothermal mineralisations of Mn and Ni. The normalised patterns of the AMD showed
an enrichment of MREEs over light REEs (LREEs) and HREEs in all samples. The use
of REEs patterns as geochemical tracers confirmed the conservative behaviour of REEs
in the fluvial network under low acid pH. The quantification of REEs released from AMD
sources to water bodies revealed that the main load of REEs occurs during the wet period
with 6.6 kg/day of LREEs, 1.1 kg/day of MREEs, and 0.5 kg/day of HREEs.; El distrito minero de Tharsis es el segundo más importante de la Faja Ibérica de
Pirita (IPB). La intensa explotación de sulfuros llevada a cabo desde la Edad del Cobre
pero, sobre todo, desde la segunda mitad del siglo XIX hasta finales del XX ha dejado
grandes escombreras y otros residuos mineros ricos en sulfuros en la zona, donde los
drenajes ácidos de minas (AMD) son generados, junto con cuatro lagos mineros ácidos
(Filón Norte, Sierra Bullones, Filón Centro y Filón Sur). Se realizó una caracterización
del funcionamiento hidrológico y evolución de los lagos de mineros. Se desarrolló una
metodología simple basada en el uso de las ortofotografías disponibles y el Modelo
Digital de Terreno (DTM), junto con el balance hídrico de los lagos mineros, que podría
ser aplicado a otros sitios mineros abandonados. La acumulación de grandes volúmenes
(5.2 hm3) de aguas ácidas y ricas en metales en estos lagos mineros plantea una grave
preocupación ambiental. Los resultados mostraron que las cortas mineras de Sierra
Bullones y Filón Norte están conectadas subterráneamente y presentan la misma
evolución, con una transferencia de agua de Sierra Bullones a Filón Norte. El nivel del
agua en ambos lagos mineros está aumentando, con un aumento promedio de 2.8
m/año desde el comienzo de las inundaciones. Sin embargo, el aumento en la tasa de
evaporación, como resultado del incremento del área inundada a medida que aumenta
el nivel del agua, induciría un equilibrio hidrológico antes de alcanzar el nivel de
desbordamiento, lo que conduciría a la formación de un lago terminal. Por otro lado, el
nivel del agua en los lagos mineros de Filón Centro y Filón Sur se mantiene
aproximadamente estable. El primero se comporta como un lago flow-through o terminal,
dependiendo de la precipitación anual, mientras que el segundo actúa
permanentemente como un lago flow-through.
Además, se estudió la influencia de los procesos hidrogeoquímicos y la tipología
de residuos sobre los parámetros fisicoquímicos y concentraciones disueltas de
contaminantes en las aguas ácidas generadas en tres periodos hidrológicos diferentes
(seco, húmedo e intermedio). En la zona se producen lixiviados extremos, alcanzando
incluso pH negativos y concentraciones de hasta 2.2 g/ L de As y 194 g/L de Fe. El
plomo es el elemento menos móvil en disolución probablemente debido a la
precipitación de minerales secundarios de Pb y/o su coprecipitación sobre
oxihidroxisulfatos de Fe. El arsénico, Cr y V también se coprecipitan con minerales de
Fe. Se identificaron patrones estacionales en los contenidos metálicos: elementos
provenientes de las rocas hospedantes, como Al, Mn y Ni, mostraron sus
concentraciones máximas en el período seco, cuando la dilución con agua dulce es
menor y la interacción agua-roca y evaporación es mayor. Por otro lado, As, Cr, Fe, Pb
y V mostraron concentraciones mínimas en el período seco debido a la intensa precipitación de oxihidroxisulfato de Fe. La carga contaminante más alta de las minas
Tharsis ocurre en el período húmedo (139 ton/día de SO4, 44 ton/día de Fe, 6.7 ton/día
de Al, etc.) mientras que en el período intermedio, es solo una cuarta parte, y en el
período seco, es mínimo debido a los bajos caudales. Aproximadamente la mitad de los
contaminantes liberados llega a la cuenca del río Meca, mientras que la otra mitad se
une al río Oraque, aunque se producen algunas diferencias según el elemento y la
temporada. Estos vertidos acidifican el agua del Embalse Sancho y comprometerán la
calidad de las aguas del nuevo embalse, actualmente en construcción aguas abajo del
río Oraque.
Las concentraciones y patrones normalizados de elementos de tierras raras
(REEs; subdivididos en ligeros (LREEs: La to Sm), medios (MREEs: Eu to Dy) y pesados
(HREEs: Ho to Lu)), su comportamiento en la red fluvial y las contribuciones de REEs
de fuentes AMD también fueron analizadas. Se observaron altas concentraciones de
REEs, con un valor medio de 1,747 μg/L. Las concentraciones de REEs muestran una
correlación positiva con la conductividad eléctrica (CE). Sin embargo, las
concentraciones más altas de REEs ocurrieron en muestras con niveles intermedios de
contaminación y valores de CE. Las correlaciones más altas de REEs medio (MREEs)
y REEs pesado (HREEs) ocurrieron con elementos relacionados con mineralizaciones
hidrotermales de Mn y Ni. Los patrones normalizados de AMD mostraron un
enriquecimiento de MREEs sobre REEs ligero (LREEs) y HREEs en todas las muestras.
El uso de patrones REEs como trazadores geoquímicos confirmó el comportamiento
conservador del REEs en la red fluvial en condiciones de pH ácido bajo. La
cuantificación de REEs liberado de fuentes de AMD a cuerpos de agua reveló que la
carga principal de REEs ocurre durante el periodo húmedo con 6.6 kg/día de LREEs,
1.1 kg/día de MREEs y 0.5 kg/día de HREEs.
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