Geochemical characterization and prediction of acid mine drainage generation potential of Kure volcanogenic massive sulfide deposits
Küre volkanojenik masif sülfid yataklarının jeokimyasal karakterizasyonu ve asit maden drenajı üretme potansiyelinin kestirmi
- Tez No: 398063
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NURGÜL ÇELİK BALCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Jeoloji Mühendisliği, Geological Engineering
- Anahtar Kelimeler: Kastamonu-Küre, Kastamonu-Küre
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Temel metallerin, endüstrinin her alanında vazgeçilmez bir yeri vardır. Yeni gelişen teknoloji ve sürekli azalan rezervler ile metal ihtiyacı da artmaktadır. Bunlarla birlikte, düşük tenörlü cevherlerin işletilmesi ile yığınlarca atık açığa çıkmaktadır. Baz metal ihtiyacının ço ğ unun volkanojenik massif sülfid yataklarından elde edildiği düşünülürse; bu maden yatakları çevresindeki alanlar, asit maden drenajı (AMD) gibi kaçınılmaz çevresel risklere kar ş ı savunmasızdır. AMD, madencili ğ e ba ğ lı en büyük ve yaygın çevre sorunlarından biridir. AMD, sülfür lü maden yataklarının sülfür bile ş enlerinin oksitlenmesi sebebiyle açı ğ a çıkar ve düşük pH (pH<3) değerlerine sahip ve a ğır metallerce kirlenmiş suların olu ş masına sebep olur. AMD'nın olu ş masında çe ş itli kimyasal ve biyolojik süreçler i ş ler ve açı ğ a çıkan katı/sıvı fazlardaki metallerin davranı ş larını ço ğ unlukla Fe oksitlenmesi belirler. Bu nedenle; başlıca her maden yatağının kendine has jeokimyasal, mineralojik ve litolojik özellikleri tarafından kontrol edilen bu karışık biyojeokimyasal mekanizmaların açığa kavuşturulması, AMD'nı önlemek veya bertaraf etmek için en önemli adımdır. Batı Karadeniz bölgesinin Kastamonu ilinde yer alan Küre volkanojenik masif sülfid (VMS) maden yatakları, Türkiye'nin en önemli ve ver imli bakır madenlerinden birine ev sahipliği yapmaktadır. Bölge, Cenovalılar, Bizanslılar ve/v eya Osmanlıların yürütmüş olduğu, Türkiye'deki eski madencilik aktivitelerine (400 -1000 yıl önce) dair iyi bir örnek niteliğindedir. Küre VMS yatakları, tarihi madencilik geçmi ş inden ötürü, AMD oluşumu ve madencilikten etkilenen alanlarda a ğ ır metallerin davranışını ara ş tırmak için çok iyi bir örnek te ş kil eder. Bu nedenle, Küre VMS yataklarının asit üretme potansiyeli ve üretilen as idin potansiyel kaynakları ile miktarı, multidisipliner (kimyasal, mineralojik, jeolojik ve mikrobiyolojik) yaklaşımlar kullanılarak, arazide ve laboratuvarda yapılan detaylı çalışmalar ile araştırılmıştır. Bu amaçla arazi çalı ş malarında cevher, cevher içeren yan kayaçlar, bazalt ve atık madde örnekleri toplanmış ; jeokimyasal analizlere ve AMD kestirim testlerine tabi tutulmuştur. Bu çalışmada uygulanan ve örneklerin asit üretme ile nötral izasyon potansiyellerinin belirlenmesinde kullanılan AMD kestirimi testleri, çamur pH'sı, ilksel nötralizasyon potansiyeli, standart asit-baz hesaplama ve net asit üretme testlerini kapsar. AMD kestirimi teslerine ek olarak, Küre masif piritli bakır cevherinin uzun süreli biyoliç edilme özellikleri, de ğ i ş en çevresel koşullarda karşılaştırmalı olarak incelemi ş tir. AMD oluşumu 26 o C sıcaklıkta simüle edilmiş ; saf Acidithiobacillus ferrooxidans ve karışık Acidithiobacillus sp . türlerinden oluşan kültürün biyoliç etme özellikleri ise 26 o C ve 40 o C'de karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. xxvi Son olarak, AMD kestirimi ve biyoliç deneylerinin sonuçları, yeraltı maden tünelleri ve yüzeydeki içme suyu çe ş me/hayratlarından elde edilen yeraltı suyu kimyası; yüzey sularının maden drenajı kimyası ve ilgili der e sedimenti ile ikincil dere tabanı çökellerin kimyasal ve mineralojik özellikleri ile birleştirilmiştir. Tüm bu sonuçlar, asitli suların nasıl olu ş tu ğ unu ve su ortamını ne dereceye kadar etkiledi ğ ini tartışmak için kullanılmıştır. AMD kestirimi deneylerinin sonuçları, cevher, cevherli yan kayaçlar, yan kayaç ve atık barajı çökelinin asit üretme potansiyellerinin sınıflandırılması ve değerlendirilmesinde kullanılmıştır. Cevhere ait net nötralizasyon potansiyeli (NNP ), nötralizasyon potansiyeli oranı (NPR), asit üretme potansiyeli (AP), nötralizasyon potansiyeli (NP) ve net asit üretme (NAG) de ğ erleri, bölge, için üst limitleri temsil etmiştir. Cevher için hesaplanan en büyük AP(1400.3), ma ksimum potansiyel asidite (MPA) (1371.2) ve NAG (206.5) de ğ erleri ile uyum içinde olan en küçük NNP (- 1617.8) ve NP (-217.5) de ğ erleri, farklı metodların birbirleri ile iyi derece de tutarlı oldu ğ unu göstermiştir. Cevher örneğinden sonra en büyük asit üretme potansiyeli, atık barajı çökeli (WEP) (974.03), dissemine pirit açısından zengin cevher içeren yan kayaçlar (OBR-1) (75.94) ve yan kayaçları temsil ed en bazalt numunelerinde (129.6) belirlenmiştir. Az miktarda kovellit, kalkosit ve pirit içeren yan kayaçlar (OBR-2 ve OBR-3) asit üretmez olarak sınıflandırılmıştır. Bu durum, asit üretiminde sülfid mineralojisinin önemini ortaya koymuştur. Genel olarak, örneklerin asit-baz hesaplama (ABA) ve NAG testi sonuçları arasında tutarlılık vardır. Bu çalışmada uygulanan ABA ve NAG testlerine göre, cevhere ek ol arak, atık olarak Kabul edilebilecek ve özellikle dissemine pirit içeren cevherli yan kayaçların daha çok asit üretimine katkıda bulunduğu sonucuna varılmı ş tır. WEP örneği de yüksek seviyelerde toksik metal içeriği ile birlikte yüksek bir asit üretme potansiyeline sahiptir ve çevreye olası sızıntılar için önlem alınmalıdır. Tutarlı ABA ve NAG test sonuçları, statik testlerin olası AMD olu ş umu ve bunun VMS maden ortamında yeraltı suyu kalitesine etkilerinin değerlendirilmesi için ilksel bir araç olarak kullanılabileceğini doğrulamıştır. Biyoliç deneylerinin sonuçları, Fe ve S oksitleyen bakterilerin birlikte bulunduğu karışık asidofilik kültürlerin, saf kültürlere göre cevheri daha hızlı oksitledi ğ ini ve önemli miktarda (pH 1.26'ya kadar dü ş en seviyede) asit ürettiğine işaret etmektedir. Bu sonuçlar, mikrobiyal reaksiyonların, maden sahasında asit üretiminin en büyük kaynağı oldu ğ unu göstermi ş tir. AMD olu ş umunun erken safhalarında; AMD sularındaki Co (maksimum 9.37 ppm) ve Cu (maksimum 871.4 ppm) salınımı saf Acidithiobacillus ferrooxidans kültürü tarafından kontrol edilirken, Zn (maksimum 201 ppm) ve Fe (maksimum 1810 ppm) salınımı karışık kültürleri içeren biyoliç deneylerinde daha hızlı gerçekleşmiş tir. Biyoliç deneyleri süresince, hesaplanan yüzde liç oranlarına göre, Acidithiobacillus ferrooxidans kültürünün, optimum orta sıcaklıklarda daha aktif olan karı ş ık asidofilik türlere göre yüksek sıcaklıklarda daha iyi Cu (31.46%), Fe (5.97%) ve Co (5.42%) liç etti ğ i tespit edilmiştir. Biyolojik deneylerde, ikincil Fe-oksihidroksit (örne ğ in, jarosit) oluşumu tespit edilmiştir. Deneylerin son safhalarına doğru Co, Cu ve Zn konsantrasyonlarında görülen azalma, bu metallerin demir oksit fazlarıyla birlik te çökelmesi olarak yorumlanmı ş tır. Bu çalışma, kısa süreli biyoliçte (34 gün), uzun süreli den eylere (180 gün) karşıt olarak, metal (Fe, Cu, Co ve Zn) salınımının dah a çok hızlı bakteriyel oksidasyondan kaynaklandığını göstermiştir. Uzun süreli deneylerde, demir oksitlenmesi ve çökelmesi gibi daha karı ş ık biyojeokimyasal mekanizmalar birlikte devreye girmiş ve metal salınımı ya da çökelmesini kontrol etmiştir. AMD kestirim testlerine ek olarak; su, sediment, ok r çökeltisi ve cevher içeren malzeme örnekleri üzerinde gerçekleştirilen jeokimyasal ve mineralojik incelemelerin sonuçları, cevher ve cevher içeren yan kayaçların en büyük asidite ve a ğ ır metal kayna ğ ı olduğunu göstermiştir. Bununla tutarlı olarak, bölgenin en maksimum asit üretme kapasitesinin temsil eden mass if piritli kalkopirit cevherinin yakla şık asit üretme potansiyeli 1400 ton asidite/ton cevher olmakla birlikte, net asit üretimi bir ton cevhere kar ş ılık 206 kg H 2 SO 4 olarak hesaplanmıştır. Bölge yüzey ve yeraltı sularında tespit edilen düşük pH de ğ erleri (pH 2.9-4.5) ile birlikte yüksek Cu (40.1 ppm), Zn (9.94 ppm), Fe (19.6 ppm), Mn (30.5 ppm) ve Co (7.6 ppm) konsantrasyonları, bölgede AMD olu ş umunu göstermektedir. Okr kimyası ve mineralojisi, cevher ve cevherli yan kayaçlardan salınan metallerin büyük bir bölümünün demir hidroksit, demir hidroksisülfat ve aluminyum hidroksit mineralleri ile çökeldi ğ ini ve taşındığını göstermiştir. Ayrıca, birleştirilmi ş XRD ve SEM-EDS ölçümleri kil minerallerinin (başlıca klinoklor ve illit) ve metal (Zn ve Sr) içeren ikincil silikat fazlarının varlığını açığa çıkarmış ve AMD sistemlerindeki kil minerallerin duraylılığının metal (başlıca Fe, Al, Zn ve Sr) taşınımı, salınımı ve mobilitesindeki önemini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
Base metals have an irrevocable place in any branch of industry. With emerging technologies and progressively depleting reserves, metal demand is increasing along with piles of waste material produced after mining activities of the low-grade ores. Considering the base metal need is mostly supplied from volcanogenic massive sulfide deposits; areas surrounding those mining sites are vulnerable to inevitable environmental hazards like acid mine drainage (AMD). AMD is one of the biggest and widespread environmental problems related to mining. AMD occurs due to the oxidation of the sulfur moiety of sulfidic ore deposits and result in acidic water with low pH <3 and heavy metals. Diverse chemical and biological processes co-occur during generation of AMD and the fate of heavy metals in resulting aquatic or solid phases is largely controlled by Fe oxidation. Therefore, elucidating those complex biogeochemical reactions controlled by unique geochemical, mineralogical and lithological features of an ore deposit is a crucial step for prevention and rehabilitation of AMD. Located in the Kastamonu province of western Black Sea region of Turkey, the Küre VMS deposits hosts one of the most important and productive copper mines of Turkey. The area is a good example of ancient mining activities carried out by Genoese and Byzantines and/or the Ottoman Empire (400 to 1000 years ago) in Turkey. Because of its historical mining past, Küre VSM deposits set a great example to investigate mechanism of AMD generation and fate of heavy metals in mining impacted areas. Therefore, potential sources and acid generating potential of Küre VMS deposits were investigated for the first time with an integrated approach-involving laboratory and field based studies. For this purpose, ore, ore bearing wall rocks, basalts and waste materials were collected during the field studies and subjected to geochemical analyses and to static AMD prediction tests. AMD prediction tests applied in this study involve paste pH, initial neutralization potential, standard acid-base accounting and net acid generation to determine acid producing or neutralizing potentials of the materials. In addition to AMD prediction tests, the long-term comparative bioleaching characteristics of Küre's massive pyritic copper ore were investigated under various environmental conditions. The generation of AMD was simulated at 26oC and leaching characteristics of pure Acidithiobacillus ferrooxidans and a mixed culture of Acidithiobacillus sp. were comparatively investigated at 26oC and 40oC. Finally, the results of AMD prediction tests and laboratory leaching experiments were combined with the field data containing the water chemistry of groundwater, surface and drinking water in addition to mineralogical data involving bulk chemistry of relevant streambed sediment and secondary precipitates. All these results were used to discuss how acidic waters were generated and to what extend affected the aquatic environment around the mining area. AMD prediction test results were used to classify and evaluate acid production potential of the ore, ore bearing wall rocks, wall rock and precipitate from waste ponds. The net neutralization potential (NNP), neutralization potential ratio (NPR), acid production potential (AP), neutralization potential (NP) and net acid generating (NAG) values of the ore represent the upper limit values for the region. The lowest NNP (-1617.8), NP (-217.5) values with the highest AP (1400.3), maximum potential acidity (MPA) (1371.2) and NAG (206.5) values calculated for the ore sample indicate good consistency in different methods. Following the ore sample, highest acid production was determined in the waste effluent (or flotation tailings) dam precipitate (WEP) (974.03), ore bearing wall rocks (OBR-1) rich in disseminated pyrite (75.94) and basalt (B) samples referenced to wall rocks (129.6). The ore bearing wall rocks (OBR-2 and OBR-3) containing minor amounts of covellite, chalcocite and pyrite are classified as non-acid producer indicating significance of sulfide mineralogy on acid production. In general, there is good consistency between the results of ABA and NAG tests for the samples. From the ABA and NAG tests applied in the current study, it is concluded that in addition to the ore, ore bearing wall rocks that can be considered as waste and containing particularly disseminated pyrite, contribute more towards acid generation in the region. WEP also have a high acid production potential with an elevated level of toxic metals and precaution should be taken to prevent possible leakage to the environment. Consistency in results from both ABA and NAG tests justify that static tests can be used as tools for preliminary evaluation of prospective AMD generation and its impact on surface and groundwater quality in VMS mining environments. Results of bioleaching experiments indicate that mixed acidophilic cultures containing iron and sulfur oxidizers leached the massive ore faster rate than pure culture and produced significant amount of acidity (down to pH 1.26). These results suggest that microbial reactions are the major source for acid generation in the mining area. In the early stages of AMD generation, release of Co (max. 9.37 ppm) and Cu (max. 871.4 ppm) into the water were controlled by pure culture of Acidithiobacillus ferrooxidans, whereas Zn (max. 201 ppm) and Fe (max. 1810 pm) release were faster in the experiments carried out by mixed Acidithiobacillus sp. During the bioleaching experiments, due to calculated percentile leaching ratios, A. ferrooxidans was found to be more effective in the leaching of Cu (31.46%), Fe (5.97%) and Co (5.42%) at higher temperatures in contrast to mixed acidophiles that are more active at optimal moderate conditions. Formation of secondary Fe-oxyhydrooxides (e.g. jarosite) were determined in the biological experiments. Significant decrease in Co, Cu and Zn concentration in the later stage of AMD generation were attributed to the co-precipitation of the respected metals with Fe oxides phases. Leaching of massive ore revealed that release of Fe, Cu, Co and Zn during the short term experiments (34 days) were generally due to the rapid bacterial oxidation unlike the long-term experiments (180 days). In the long-term experiments, more complex biogeochemical reactions such as Fe-oxidation and precipitation took place together and regulated the release and precipitation of those metals. Results obtained from geochemical and mineralogical studies on water, sediment, ochre precipitate in addition to AMD prediction tests carried on the ore, ore bearing wall rocks showed that massive ore and ore bearing wall rocks are the major sources of acidity and heavy metals. Consistent with this, acid production potential of massive pyritic chalcopyrite ore representing the maximum acid production rate in the region is about 1400 tons of acidity per ton of ore with a net acidity about 206 kg H2SO4 per a ton of ore. High concentrations of Cu (up to 40.41 ppm), Zn (up to 9.94 ppm), Fe (up to 19.6 ppm), Mn (up to 30.5 ppm) and Co (up to 7.6 ppm) determined in the surface and groundwater with low pH values (pH 2.9-4.5) indicate AMD generation in the field. Ochre chemistry and mineralogy showed that, major proportions of metals released from the ore and ore bearing rocks were precipitated and transported with secondary iron hydroxide, iron hydroxysulfate and aluminum hydroxide minerals. Moreover, combined XRD and SEM-EDS measurements also revealed the abundance of clay minerals (mainly clinochlore and illite) and secondary metal-bearing (Zn and Sr) silicate phases, which points out the importance of the stability of clay minerals in the transport, release or mobility of metals (mainly Fe, Al, Zn and Sr) in AMD systems.
Benzer Tezler
- Prediction techniques of acid mine drainage: A case study of a new poly-metallic mine development in Erzincan-İliç, Turkey
Asit maden drenajı öngörü teknikleri: Yeni bir poli-metalik maden sahası üzerine vaka çalışması Erzincan-İliç Türkiye
GANİME ASLI SEZER ÖZÇELİK
Doktora
İngilizce
2007
Maden Mühendisliği ve MadencilikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ASUMAN TÜRKMENOĞLU
- Çeşitli adsorbanlar ile hümik bileşiklerinin adsorbsiyonu üzerine bir çalışma
Başlık çevirisi yok
SELMA KAYA
- Bazik volkanik kayaçlarda ayrışmaya bağlı olarak oluşan regolitik zeminlerin karakterizasyonu ve sınıflandırılması
Characterization and classification of regolitic soils originated from basic volcanic rocks due to weathering
BİLGEHAN KUL YAHŞİ
Doktora
Türkçe
2018
Jeoloji MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ERSOY
- The Study of the Sapanca lake ecosystem : Sediment characterization and water quality modelling
Sapanca Gölü ekosistemi çalışması = Sediman karakterizasyonu ve su kalite modellemesi
GÜLGEM BAKAN
- Geochemical and geochronological characterization of the early-middle eocene magmatism and related epithermal systems of the Eastern Pontides, Turkey
Erken-orta eosen magmatizmasının jeokimyasal ve jeokronolojik karakterizasyonu ve ilişkili epitermal sistemler; Doğu Pontidler, Türkiye
MUSTAFA ERDE BİLİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Jeoloji MühendisliğiMuğla Sıtkı Koçman ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKAY KUŞCU