background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 50, 5, BRATISLAVA, OCTOBER 1999

395–404

MINERALOGY AND GEOCHEMISTRY OF ACID MINE

Fe-PRECIPITATES FROM THE MAIN SLOVAK MINING REGIONS

OTÍLIA LINTNEROVÁ

1

, VLADIMÍR ŠUCHA

1

 and VLADIMÍR STREŠKO

2

1

Department of Mineral Deposit Geology, Faculty of Science, Comenius University, Mlynská dolina, 842 15 Bratislava, Slovak Republic

2

Geological Institute, Faculty of Science, Comenius University, Mlynská dolina, 842 15 Bratislava, Slovak Republic

(Manuscript received May 26, 1998; accepted in revised form December 9, 1998)

Abstract: The Fe-ochre precipitates from three mine districts of Slovakia (Smolník, Bansk᠊tiavnica and Pezinok)

were studied. The X-ray diffraction, electron microscopic methods (TEM, SEM) with elemental X-ray analyses and

the  selective  dissolution  method  were  used  to  make  mineralogical  phase  characteristics  of  Fe-ochre  precipitates.

Many fresh precipitates are X-ray amorphous, but in the extremely fine-grained material it is possible to identify some

Fe-mineral  phases  like  schwertmannite  and  ferrihydrite.  In  the  strongly  acid  degraded  and  artificial  soils  mainly

amorphous  ferric  oxyhydroxide  is  found.  Unstable  oxyhydroxides,  oxyhydroxysulphate  and  amorphous  Fe-phases

were dissolved by acid ammonium oxalate solution (pH 3) and by 1 M HCl. All free iron (Al, Mn) compounds of the

samples were extracted by dithionite-citrate-bicarbonate solution. The extracts were analyzed for Al, Fe, Zn, Pb, Cu,

As, Cd, Mn by the AAS, AES-ICP methods. Samples with different contents of Fe-phases (10–99 wt. % of samples)

and formed over a wide pH range (2 to 7) were analyzed. The ochres formed under strongly acid conditions contain

mainly high concentrations of Al. The ochres formed in slightly acidic or neutral conditions are enriched in Cu, Pb,

Zn, Mn and As. Such conditions were found in the drainage of inactive tailing impoundments. The element attenua-

tion by Fe-ochres are controlled to a great extent by pH and by sulphate concentrations. The comparison of oxalate

and HCl extract concentrations show that analyzed elements are attenuated by the active or poorly crystalline Fe-

phases to a great extent.

Key words: Acid mine drainage precipitate, aluminium, Fe/oxyhydroxide, mine acid water, mine waste pollution,

microelements, pH-dependence, poorly crystalline phases, selective dissolution.

Introduction

Theoretically, the Fe-oxides/hydroxides or oxyhydroxides can

effectively adsorb our bind potential pollutant elements (met-

als) dissolved in waters (Cornell 1991; Schwertmann & Cor-

nell 1991; Schwertmann et al. 1979; Schwertmannn & Taylor

1989; Kooner 1992, 1993; Fuge et al. 1994). We are studying

the  processes  of  Fe-oxyhydroxide  phase  formation  in  acidic

mine  environments.  Intensive  pyrite  oxidation  in  mine  and

mine wastes can produce a large amount of free sulphuric acid

and/or extremely acid drainage water (pH < 3). These process-

es  occurred  mainly  in  sulphidic  and  coal  mines  (Jambor  &

Blowes 1994; Alpers & Blowes 1994; Wieder & Novák 1995).

Acid water dissolves ore and rock minerals and the concentra-

tions of Fe, Al, Mg, Ca and metals (Zn, Cu, Mn, Ni, ...) in wa-

ter increased significantly. Fe (III)-oxides/hydroxides can be

precipitated after mixing or diluting the acid mine water with

fresh surface water and the characteristic red-brown (ochres)

Fe oxides are precipitated in drainage channels or other places

of mine water discharge (mine dumps, tailing impoundments).

The  precipitates  are  very  fine-grained  and  the  high  specific

surface of precipitates is one of the controlling factor of the re-

moval of the dissolved elements to the solid phase. However,

the formation of extreme acid mine waters has produced a spe-

cific or naturally unusual environment.

In the presented paper the formation of Fe-ochres in some

mine district of Slovakia is studied. The acidification of sur-

face water and soil is the serious environmental problem in the

vicinity  of  Smolník,  Banská  Štiavnica-Šobov  and  Pezinok

mines, mine dumps and mill tailing impoundments (Šucha et

al. 1995, 1997; Jaško et al. 1997; Lintnerová 1996; Lintnerová

& Líšková 1997; Trtíková 1997; Trtíková et al. 1996).

The aim of the paper is to identify the mineralogical com-

position of Fe-ochre deposits and determine the concentra-

tion  of  some  environmentally  important  elements  in  their

precipitates from mine areas of Slovakia. Fe-precipitates se-

lected for the study were originated in various environments

such as drainage channels, soils, stream sediment and under

different conditions (pH, SO

4

 concentrations).

Description of localities and samples

The studied Fe-oxide/hydroxide samples come from three

important mining districts of Slovakia.

1. The mine field of Smolník is situated in the Slovenské

Rudohorie Mts. (Eastern Slovakia, Fig. 1). The abandoned Cu-

Fig. 1. The localization of the investigated mine districts of Slovakia.

2-

background image

396                                                                      LINTNEROVÁ,  ŠUCHA  and  STREŠKO

pyrite mine (Bartalský 1993) is flooded and strongly acid wa-

ter (pH 2.8–3.8) discharges from the mine (Jaško et al. 1996).

The  Fe-ochre  precipitates  collected  for  analyses  are  formed

along the banks of the Smolník Stream, where acid mine water

penetrating into the stream is mixed with fresh water and caus-

es a dramatical decrease in its pH from about 7 to 4.0–4.5. The

Fe-ochres are also precipitated on the anthropogenic soil sur-

face (pH 3.4) of the Smolník mill tailing impoundment and in

the  water  drainage  collector  under  the  tailing  impoundment

(Table 1).

2. The mine field of Bansk᠊tiavnica (Central part of Slo-

vakia, Fig. 1). Fe-precipitates were collected from the aban-

doned mill tailing impoundments of Lintich and Sedem žien

and from the Šobov mine dump. A large amount of pyrophyl-

lite-pyrite gangue rock in the Šobov quartzite mine was exca-

vated and deposited on the dump. The intensive pyrite oxida-

tion in the dump produced extremely acid water (pH 1.7–2.4)

with  a  high  content  of  total  dissolved  solids  (Šucha  et  al.

1997). Fe-oxyhydroxides are formed as the precipitates from

drainage water when it is mixed with the fresh water as well in

the degraded soils. The most acid soils (area of 35,000 m

2

) are

desertified and deeply eroded.

Mill tailings of Pb-Zn ore processing were deposited until

1987 into the Sedem žien impoundment. The ochreous (ox-

isoil) horizons are formed in the soils in the vicinity of the

impoundment  (Lintnerová  &  Líšková  1997).  Samples  of

drainage  precipitates  and  ochreous  soils  were  collected

(Table 1).

The mill tailing impoundment of Lintich has been inactive

since 1974 and no acidification processes can be detected there.

The surface of the impoundment is covered by the secondary

minerals (gypsum) and sometimes a hardpan with Fe-oxides can

be found in the near surface horizons. Higher contents of fresh

Fe-precipitates are formed in the drainage channel of the im-

poundment where they were collected (Table 1).

3. The Pezinok (pyrite-Au-Sb) mine field (Western Slova-

kia, Fig. 1). The Fe-precipitates formed in the drainage chan-

nel of the mill tailing impoundment of Kolársky Vrch and on

the  stream  bank  near  the  abandoned  pyrite  mine  (Augustín)

were analyzed (Table 1).

Table 1: The analyzed samples from Smolník, Bansk᠊tiavnica  and Pezinok. The  samples were collected in 1995 to 1997 from streams,

drainages and soils. More details about pH and extractable Al*-analyses can be found in Šucha et al. (1997), Lintnerová & Líšková (1997).

Locality

Samples

Samples No.

 pH

*A l(KC l) mg/kg

Smolník
Smolník-mine

Stream sediment and
mine drainage precipitates (Sm/95, Sm/96)

25

2.6–4.8

Smolník-impoundment

Drainage water precipitates SmOd/96

5

3.1–7.1

Bansk᠊tiavnica
Šobov-dump

Acid soils (Šob/96, P/97)

30

2.0–5.1

1210–1.5

Stream sediments (B22/97)

6

2.0–6.5

Sedem Žien-impoundment

Anthropogenic soils (BA-BG 1997, 1996)

15

1.6–7

621–1.1

Acid soils  (B/97, E/97)

17

1.7–5.6

238–2.7

Lintich-impoundment

Drainage water precipitates (1996,1997)

3

6.8–7.2

Pezinok
Pezinok-mine

Stream sediment (Pez/96)

2

2.3–3.2

Pezinok-impoundment

Drainage water precipitates (POd/96)

3

6.8–7.3

Methods

The X-ray diffraction analyses of samples were performed

on a Philips PW 1710 equipped with Ni-filtered CoK

α

 radia-

tion and CuK

α

 radiation. Transmission electron microscopy

(TEM) study was done on the JEOL JEM-2000 microscope

and  elemental  X-ray  microanalyses  using  the  10,000  AN

LINK—energy  dispersive  analyzing  system  (EDS).  Scan-

ning electron microscopes (SEM) TESLA BS300 and JEOL

JXA  840A  were  used  for  investigation  of  sample  surface

covered by gold.

The field and laboratory pH measurements were done by

standard  potentiometric  methods.  Soil  pH  was  determined

after mixing the soil sample with distilled water and in 1 M

KCl (mixture 1:2.5). The treatment with 1 M KCl was used

for determination of exchangeable Al in the soil samples by

AES-ICP methods. The characteristic intervals of pH and Al

values are summarized in the Table 1.

Dried Fe-precipitates were treated by dithionite-citric-bi-

carbonate (DCB) at 85 °C (method Mehra & Jackson 1960;

Schwertmann & Taylor 1989; van Reeuwijk 1995). The less

stable or poorly crystalline and amorphous Fe-phases such as

ferrihydrite or schwertmannite (most probably together with

the  amorphous  compound  of  Al  and  Si)  were  extracted  by

acid ammonium oxalate in the dark to eliminate photoreduc-

tion (van Reeuwijk 1995; Bigham 1994). Goethite, hematite

or well ordered lepidocrocite are not dissolved to any great

extent  unless  some  source  of  Fe

2+ 

cations  is  presented

(Schwertmann & Taylor 1989). Extractant was prepared by

mixing 0.2 M ammonium oxalate and 0.2 M oxalate acid so-

lutions.  The  1 M  HCl  dissolution  was  applied  to  the  same

samples as oxalate extraction. The HCl dissolves Fe and Mn

oxides (coating on the grains), carbonate and can also replace

trace element ions adsorbed on organic and inorganic materi-

al. Insoluble residues were determined gravimetrically.

Fe, Cu, Pb, Zn, Mn, As were analyzed in extracts by AAS

and  Al  by  AES-ICP  methods.  The  SO

4

2-

  concentrations  in

the distilled water (Table 4, DCB-results) and in 1 M HCl ex-

tracts were determined by the gravimetric and colorimetric

methods. The Si was analyzed by the colorimetric method.

background image

MINERALOGY  AND  GEOCHEMISTRY  OF  ACID  MINE  Fe-PRECIPITATES                                        397

Results

Mineralogical phase analyses

The poor crystallinity and high variability in mineral phase

formation were characterized in the ochre precipitates formed

in  a  broad  range  of  pH  conditions.  The  majority  of  studied

samples were not pure Fe-precipitates and they contain com-

mon  shale  and  soil  minerals  (mainly  quartz,  phyllosilicates

and +/- feldspar).

The sample set of the fresh precipitates and hardpan-like de-

posits of Smolník Stream represent a strongly acidic environ-

ment with high sulphate contents (pH in range 2.8 to 4.8, and

over 1000 mg/l of sulphates). The mineralogy of the sample

was  characterized  in  detail  by  Lintnerová  (1996).  The  most

common phase is jarosite which can be easily identified in the

X-ray diffraction profiles of all samples. Goethite was identi-

fied only in the hardpan samples and after oxalate treatment

of  fresh  sample  (Fig.  2,  sample  Sm1/96).  Amorphous  and

poorly crystalline Fe-ochre phases such as schwertmannite are

dominant in the fresh Smolník precipitates (Fig. 2) and repre-

sent typical ochres formed under the condition of acid mine

drainage (Bigham et al. 1990; Murad et al. 1994; Bigham et al.

1997).

The  Fe-ochres  precipitated  near  the  abandoned  sulphidic

mine  near  Pezinok  (Pez1/96,  Pez2/96,  Tables  1  and  4)  are

formed at about the same pH conditions as in the Smolník

area.  The  X-ray  analyses,  TEM  investigation  and  selective

dissolution results detected an amorphous to poorly crystal-

line character of the ochre material. The ochre forms aggre-

gates with elongated protocrystals 50 to 150 nm in size. The

surfaces of pyrite grains in the black shells are covered by

jarosite.

The ochre precipitates in the Banská Štiavnica-Šobov area

are  formed  by  stream-bank  percolating  and  slightly  acidic

waters (pH 

 5) (Šob2/96 in the Tables 1–5). The X-ray pro-

files  of  precipitates  show  only  one  low  and  broad  band

(0.245–0.260  nm),  characteristic  for  amorphous  material.

The  TEM  micrographs  show  poorly  crystalline  material  of

globular  shape  with  needle-like  protocrystals  (Fig.  3).  The

dominant Fe content with slightly increased Si and no S con-

centrations were detected in globular aggregates. Since more

than 80 % of the Fe-precipitates were dissolved by acid ox-

alate (Šob2/96, Table 2) we assume that the precipitates are

of ferrihydrite-like character. Increased content of Si relative

to Al (Table 3) decreases probably the crystallization of pre-

cipitate.

The  ochreous  samples  precipitated  from  the  mill  tailing

impoundment  drainage  (pH  near  neutral)  were  collected

from all three study area (Table 1). A high proportions of the

samples are amorphous to poorly crystalline Fe-oxyhydrox-

ide  phases  easily  dissolved  using  acid  ammonium  oxalate

treatment  (Table  2).  The  TEM  micrographs  (Fig.  4  A–D)

show characteristic morphology of grain aggregates from the

Smolník and Lintich (Bansk᠊tiavnica) impoundment pre-

cipitates.

Fig. 2. X-ray profiles of the Smolník samples Sm1/96 and Sm3/96: natural and after acid  ammonium oxalate treatment — O. (Ch—chlo-

rite, M—muscovite, J—jarosite, Q—quartz, G—goethite, Fl—feldspar, Sch—schwertmannite.)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

2 the ta,  CoK

1/96O

1/96

3/96O

3/96

Ch

M

Ch

J

Q

G

Q

Ch

Fl J

J

G

G

Q

Sc

h

Q

background image

398                                                                      LINTNEROVÁ,  ŠUCHA  and  STREŠKO

Ochres in the soil samples

The upper ochreous (0–15 cm) horizon and the lower (15–

30 cm) dark-brown horizon with local Fe-oxide aggregates

were created by acid leaching in the Šobov (Bansk᠊tiavni-

Table 2: The results of selective dissolution of the ss = stream sed-

iment  precipitates,  TI  =  tailing  impoundment  drainage    precipi-

tates, soil and A = anthropogenic  soil samples. Insoluble residua

(IR)  were  determined  by  the  gravimetric  method:  the  dissolved

part = (100-IR) wt. %.

Dissolved part

Extracts

HCl

Acid oxalate

Material

Samples

wt. %

Sm2/95

62.7

59.1

ss-precipitate

Sm10/95

48.3

44.3

ss-precipitate

Sm3/95

92.9

89.1

ss-precipitate

SmOd/96

80.6

70.1

TI -precipitate

Šob2/96

99.2

82.5

ss-precipitate

Šob3/96

20.3

17.3

soil

P2/97

25.9

16.6

soil

BA/97

24.3

20.4

A-soil

BE/97

14.8

  9.4

A-soil

BG/97

19.6

13.2

A-soil

E9/97

11.2

  9.8

A-soil

B3/97

11.4

  8.9

soil

B6/97

20.7

13.2

soil

B22/97

23.1

15.5

ss-precipitate

Table 3: Large differences can be seen between Si and Al contents

determined  in  HCl  and  acid  oxalate  extracts  in  the  Smolník  and

Šobov samples (see also Tables 2 and 4). The ochre formed in neu-

tral  impoundment  drainage  —SmOd/96  has  about  the  same  Al

content in both extracts. Šob2/96, probable ferrihydrite, contained

the lowest Al and relatively high Si contents.

HCl extracts

Acid oxalate extracts

Samples

Fe

Al

Si

Fe

Al

Si

%

mg/kg

mg/kg

%

mg/kg

mg/kg

Sm2/95

42.7

23820

16100

40.1

1200

650

Sm10/95

38.8

26120

23300

37.6

11010

1340

Sm3/96

43.9

29400

14400

41.8

2240

680

SmOd/96 41.1

33240

16700

35.6

30260

5670

Šob2/96

46.7

260

42300

43.2

60

3420

Šob3/96

28.3

23230

18200

23.5

5780

1290

Table 4:  The results of AAS analyses of  DCB extracts. pH and

SO

4

 were determined as the distilled water extracts. 0—values less

than the detected limit of the element in the extract. The results are

in mg of element per l kg of ochre.

pH

*SO

4

Fe

Mn

Pb

Zn

Cu

As

Dithionite-citrate-bicarbonate

Samples units mg/kg

%

mg/kg

Sm2/95

2.6

4533

34.4

26

0

0

53

71

Sm8/95

3.7

37.03

293

7

31

108

249

Sm9/95

3.9

39.12

234

10

78

126

226

Sm10/95

4.1

41.15

196

14

49

134

131

Sm1/96

2.6

19434

45.41

36

0

28

54

180

Sm2/96

2.9

7364

47.43

20

0

20

36

685

Sm3/96

3.5

13532

50.71

20

0

12

96

0

SmOd/96 6.8

2912

48.86 24268

0 1209 1128

3223

Šob1/96

3.2

694

8.33

386

161

228

86

163

Šob2/96

4.7

8333

56.66

9038

0

36

0

0

Šob3/96

2.8

781

15.62

359

156

72

125

165

Lintich

6.91254940.78 23137

494559 145

222

Pez1/96

2.6

18333

50.86

36

0

84

120

354

Pez2/96

3.2

11867

48.13

29

0

32

94

991

POd/96

7.1

3823

38.01

91

0

6

0

137647

ca) soils. Such soils are devoid of vegetation and the soil sur-

face is covered by gypsum and jarosite (Fig. 3A). Neoformic

pseudocubic crystals of jarosite can be commonly found in

the soil fraction < 2 

µ

m (Fig. 3 B).

Fe-oxyhydroxides coated the surface of soil particles repre-

sented about 20 wt. % of soil samples from the upper horizon

(Table 2). X-ray profiles of the soil sample show the broads at

d ~ 0.25 nm bands or an increased background but no crystal-

line Fe-mineral phase can be identified. Goethite is formed in

the  deeper  horizon  of  the  soil  but  amorphous  and/or  poorly

crystalline Fe-phases are also presented.

The major part of the Fe-compounds are extracted by acid

oxalate (Table 3). Both samples come from the upper (0–25

cm) horizon and were sampled in 1996 and 1997 at the same

place. The same association of mineral phases was identified

in the acid anthropogenic soil of the tailing impoundment dam

(Sedem  žien,  Banská  Štiavnica).  The  dam  soils  are  shallow

and no soil horizons were developed there. Tailing material

(fine sand) contains about 5 % of sulphides, mainly pyrite, in

the surface bed of the impoundment (below the shallow soil)

and  sulphide  oxidation  is  the  source  of  extreme  soil  acidity

(Table 1). The pyrite grains are dissolved and Fe-oxyhydrox-

ides and sulphates coat the grains (Fig. 5B, C). The pH field

measurements document the increased tendency of soil acidifi-

cation and “oxisoil” horizon formation in the near-impound-

ment soils (Lintnerová & Líšková 1997).

The  Fe-compounds  represent  10  to  25  wt.  %  of  the  soil

samples and a large part of the Fe-phases were dissolved by

acid ammonium oxalate (Table 2).

Microelement analyses

The  tables  (Tables  3,  4  and  5)  contain  the  results  of  the

AAS-ICP  analyses  of  the  soluble  Fe  (III)-oxyhydroxide

phases. The results are expressed as element contents in mg

per kg of Fe dissolved phase, because the contents of soluble

Fe (III) phases are in the broad weight % range in our sample

set (Table 2). We can see, that the analyzed soil samples con-

tained  only  from  10  to  26  %  of  soluble  phases  but  mine

drainage water precipitates contain much more of these phas-

es  (48  to  99  %).  The  results  in  Table  4  are  representative

analyses of DCB extracts from acid mine drainage ochres of

the Smolník, Bansk᠊tiavnica and Pezinok mine areas to-

gether with two analyses of degraded soil from Šobov (Šob1

and Šob3). Total soil analyses and mine water analyses from

the Šobov area (Bansk᠊tiavnica) presented by Šucha et al.

(1997) are given in Table 7. The chemical characteristics of

the Smolník mine, stream water and stream sediments (total

analyses) are summarized in Table 6. The results of parallel

oxalate and HCl extract analyses of precipitates and soils are

presented in the Tables 5A and 5B. The relative concentra-

tion ratios (ochre/water) can be calculated for some elements

only and values with stars were used (Fuge et al. 1994).

Fe-phases are amorphous to very fine-grained (~ grain size

0.1 to 0.3 

µ

m) with high specific surface areas. The high spe-

cific surface area and high hydration of Fe-oxides are con-

trolling factors of the physical and chemical sorption or bind-

ing (mechanism and kinetic) of the dissolved elements. Other

2-

2-

background image

MINERALOGY  AND  GEOCHEMISTRY  OF  ACID  MINE  Fe-PRECIPITATES                                        399

Fig. 3.  Šobov ochre minerals. A. Jarosite as pyrite  pseudomorphose in the Šobov soil sample. B.  The typical  neoformed jarosite crys-

tallized in  pseudocubic particles. C, D. Ochre formed in slightly acidic drainage water, sample Šob2/96. The needle-like protocrystals

(probably  ferrihydrite) documented the „crystallization stage“ of  amorphous ochre.

background image

400                                                                      LINTNEROVÁ,  ŠUCHA  and  STREŠKO

Fig.  4.  TEM  micrographs  of  mill  tailing  impoundment  neutral    drainage  ochres.  A,  B.  Amorphous  to  poorly  crystalline  ochres,  sample

SmOd/96 (Smolník). C, D.  The typical globular morphology of  poorly crystalline ochre: sample  Lintich, Bansk᠊tiavnica. Elongated ag-

gregates (4C) may  be the result of bacterial activity.

background image

MINERALOGY  AND  GEOCHEMISTRY  OF  ACID  MINE  Fe-PRECIPITATES                                        401

amorphous phases such as SiO

2

 and Al-hydrated compounds

can be present and/or neoformed in the degraded acidic soils

as well. Unstable or intermediate phases of Fe (III) oxyhy-

droxide are dissolved by acid ammonium oxalate treatment.

The Si and Al contents in analyzed samples are listed in the

Table 3. 1 M HCl treatment led to the highest content of Si

and Al in solutions, probably due to much stronger attack not

only to iron ochres but to phyllosilicates as well. Only one

sample (precipitate formed in neutral condition — SmOd/96)

shows about the same contents of Al in oxalate and HCl ex-

tracts. The analyses show, that the Fe-phases originated un-

der low pH condition contain mainly Al and other elements

are preserved in trace contents (Table 4). The variety of ele-

ments connected with Fe-precipitates increases with the in-

crease of the pH of their origins. High contents of Cu, Mn,

As, Zn were determined in the Fe-precipitates from tailing

impoundment  (pH  near  neutral).  The  same  pH-dependence

was observed for Fe-precipitates formed in acidified and an-

thropogenic soils (Table 5A, 5B).

Discussion

The studied mine regions are badly polluted and the con-

tents of some dissolved elements are many times higher than

environmentally accepted values for soil and waters. It is re-

ally important, that neoformed Fe-phases can effectively re-

move dissolved and potentially toxic elements from the mine

waters. On the other hand, the amorphous character and/or

relative instability of Fe-phases indicate some possibility of

retrograde metal releasing reactions in strongly acid mine en-

vironments.  Under  common  soil  or  water  conditions  such

retrograde reactions are highly improbable as goethite or he-

matite can bind or adsorb soluble elements to a great extent

(Schulze  &  Schwertmann  1984;  Schwertmann  &  Cornell

1991; Schwertmann & Taylor 1989).

It  is  clear  that  not  only  high  acidity,  but  also  increased

amounts of sulphates and other compounds must be factors

controlling  Fe-oxyhydroxides  or  oxyhydroxysulphates  for-

mation  (Bigham  1994;  Murad  et  al.  1994;  Bigham  et  al.

1997). Only small amount of goethite is present in the rela-

tively older hardpan such as the Fe-deposits in the Smolník

Stream  (Lintnerová  1996).  The  sulphate  contents  in  the

Smolník  precipitates  are  still  high  and  the  mine  water  is

oversaturated with respect to schwertmannite (Cambier et al.

1997).  Selective  dissolution  of  the  ochres  samples  by  acid

ammonium  oxalate  has  verified  the  mineralogical  results.

However,  interpretation  of  the  partial  extraction  results  of

natural samples is not as simple as could be expected. The

stream sediments and soils (tailings) contained other phases

such as organic matter and phyllosilicates partially leached

by acid water. The various elements adsorbed on these phas-

es can be removed by HCl and as well by organic extractants,

such as oxalate acid or citric acid (Schwertmann & Taylor

1989;  van  Reeuwijk  1995;  Bigham  1994;  Stumm  &

Sulzberger 1992).

It was found, that Al is enriched in ochres and the Al con-

centrations higher than 1 % were detected in some Smolník

samples. It can be expected, because Al is one of the most

Fig. 5. Bansk᠊tiavnica-Sedem žien mill tailing impoundment: A.

The    surface  of  anthropogenic  soils  are  coated    by    well  crystal-

lized gypsum. B, C. Tailing pyrite grains are oxidized and second-

ary minerals are formed on the grain surface. The large number of

grain cracks are probably the result of the mill process.

background image

402                                                                      LINTNEROVÁ,  ŠUCHA  and  STREŠKO

Table 5: The element concentrations analyzed both in 1 M HCl (A) and in acid ammonium oxalate (B) extracts of soil samples from the

Bansk᠊tiavnica mine area. 0—less than 4000 mg/l in the extracts.

Samples

pH

Fe

Al

As

Pb

Cu

Zn

Mn

Ca

K

SO

4

HCl

units

%

mg/kg

BA/97

1.6

19.45

9390

230

3950

240

1850

2630

12770

12770

123400

BE/97

3.3

19.58

9860

200

3510

430

1550

9960

4320

5260

0

BG/97

6.6

19.89

25710

280

28310

1320

33230

80460

3460

11350

0

B3/97

1.7

24.12

22540

380

35130

630

4540

4370

E9/97

2.1

26.40

19620

140

11240

499

13550

571

B6/97

3.5

19.78

16870

250

7560

720

1550

3440

B22/97

3.9

24.36

44170

100

1170

170

1000

2430

P2/97

2.8

20.30

48790

60

2860

540

1120

8720

Samples

pH

Fe

Al

As

Pb

Cu

Zn

Mn

Acid ammonium oxalate

units

%

mg/kg

BA/97

1.6

12.24

7692

142

784

186

1030

1127

BE/97

3.3

17.67

2662

202

3088

426

1704

13206

BG/97

6.6

18.21

4400

144

7511

1745

8953

32170

B3/97

1.7

18.30

7254

266

12500

379

2455

2120

E9/97

2.1

25.00

6045

266

5840

328

2152

2049

B6/97

3.5

17.54

4173

174

3414

713

910

1897

B22/97

3.9

12.26

12976

116

581

142

387

1808

P2/97

2.8

11.41

12311

66

2293

591

724

10682

Table 6: Comparison of the Smolník Stream sediment, ochre and water analyses. Results of total analyses of stream sediments deposited

in the neutral and acid parts of the Smolník Stream (Jaško et al. 1996) are in 1th- and 2nd-columns. Dithionite-citric-bicarbonate (DCB)

extract analyses of the same sample (Sm8/95) are given in the 3th-column. The acid water (4th-column) flowed into Smolník Stream and

ochres were precipitated (Sm2/95). The resulted stream water was still acidic (5th-column). The values with the stars are used in the ratio

calculation: Fe, As and Cu, were accumulated in the ochre precipitates.

Smolník mine

Stream sediment

(total analyses)

mg/kg

Stream sediment

(tot. anal. Sm8/95)

mg/kg

Ochre (DCB)

Sm8/95

mg/kg

Effluent mine

*water

mg/l

Stream water

mg/l

Ochre (DCB)

*Sm2/95

mg/kg

*Ratio

Ochre/water

pH

(units

)

                        6.5

3.7

3.7

3.7

                  4.7

2.6

SO

4

12667

492

4500

      0.35

Mg

1953

51

Ca

232

20

Al

6.10 %

7.05 %

553

17

Fe

4.02 %

9.51 %

37.03 %

1483

84

34.40 %

    232

Mn

619424

29

3

140

4

26

0.186

V

55

65

0.026

<0.005

Cu

242

158

108

10

0.36

53

     5.3

Pb

93

53

7

<0.004

<0.004

<0.1

Zn

195

86

31

60

                  2.5

<0.1

As

60

58

2490.04

<0.005

71

  1775

Sb

12

14

0.001

0.003

Cr

55

65

0.011

<0.005

Hg

0.25

0.38

<0.001

<0.001

Cd

<0.1

<0.1

0.027

<0.003

<0.1

A

B

pH dependent element and it is well known and documented

not only in soils but also in acid mine drainage waters (Tho-

mas & Hargrowe 1984; Nordstrom & Ball 1986; Hsu 1989;

Fuge et al. 1984). The other analyzed elements — Zn, Pb,

Mn are depleted in acidic ochres.

Some  element  depletion  can  also  be  seen  in  the  total

stream sediment analyses (Table 6). For example, the Zn and

Mn contents decreased in the acidified part of stream as the

Fe-content  (ochre  formation)  increased.  It  is  possible,  that

the sulphate acid–oxidic water are leaching the stream sedi-

ment reached-up to the typical Smolník mine elements in the

past (Table 6). It appears, that As is relatively enriched in the

acid ochres (Table 6). Arsenic can be adsorbed and/or copre-

cipitated by ferrihydrite and Fe-oxyhydroxysulphates in both

As (III) and As (V) valence forms. Arsenic (V) forms strong

anionic complex with Fe-phases in strong acid and oxidic en-

vironments (Webster et al. 1994). On the other hand, the As

concentration in the mine water is really low (Table 6) and it

is possible, that as bound in ochres is released from sediment

suspensions (Morse 1994; Calmano et al. 1994).

The Cu and Zn contents in effluent mine water are relatively

high, but only Cu is relatively enriched in acid ochres (Tables

4, 6). The stream water (pH 4–5) analyses showed that Zn is

available for transport in acidic stream water (Kooner 1993;

Fuge et al. 1994). The ochres formed in neutral drainage water

attenuated large amounts of Zn, Cu, Mn and As (Table 4) and

clearly document that the water mobility of the studied ele-

ments is pH-dependent. The Mn and Al contents (Tables 3 and

4) are high and it is possible that Al-hydroxides and Mn-ox-

ides  are  created  in  these  near  neutral  conditions.  Important

2-

2-

background image

MINERALOGY  AND  GEOCHEMISTRY  OF  ACID  MINE  Fe-PRECIPITATES                                        403

determined.  The  available  Al  increase  in  the  soils  and  in  the

neoformed  Fe-ochres  indicated  the  leaching  of  phyllosilicate

(Tables 1, 3, 5A, B). The soil minerals are possible sources of

Ca and K for jarosite and gypsum formation in the soils. The

sulphate enrichments in the acidic water can selectively immo-

bilize such elements as Pb or Ba to a greater extent than others

(Fuge et al. 1994). The some enrichment with Pb appeared in

the studied strong acid soils (Table 5A, B), but the no direct con-

nections with the sulphate content can be shown up to now.

Conclusions

1. The studied Fe (III) oxide/hydroxide precipitates from

the  Smolník,  Banská  Štiavnica  and  Pezinok  mine  fields

represented  (X-ray)  amorphous  to  poorly  crystalline  fine-

grained material. A major part of the ochres is formed by

less stable Fe-oxyhydroxide and oxyhydroxysulphate phas-

es,  such  as  schwertmannite  and  ferrihydrite  and  by  well

crystallized jarosite as well.

2. A high contents of jarosite and free and/or poorly crys-

talline ferric oxyhydroxide are formed (10 to 25 % of free

Fe- oxides/hydroxides) in the upper (oxisoil-like) horizons in

the strongly acid (degraded and anthropogenic) soils.

3. The Fe-ochres can adsorb or coprecipitate an important

content  of  dissolved  elements  and  the  attenuation  of  ele-

ments  is  pH  dependent.  The  Fe-ochres  formed  under  the

strongly acid conditions removed from solutions mainly Al

and the concentrations of other analyzed elements is relative-

ly  low.  The  ochres  formed  under  slightly  acidic  or  neutral

conditions are enriched in their Cu, Pb, Zn, Mn and As con-

tents. Such conditions were found in the drainage system of

the inactive tailing impoundments.

4. The comparison of the concentration of the acid oxalate

and HCl extracts show that the analyzed elements are attenu-

ated by the active or poorly crystalline Fe-phases to a great

extent.

5.  The  element  distributions  in  the  Fe-oxides/hydroxides

formed in degraded or anthropogenic acid soils is controlled

to a great extent by pH and sulphate concentration, but other

factors can be important as well.

Acknowledgements: We are thankful Dr. ¼. Puškelová from

Geological Institute of the Slovak Academy of Sciences Brat-

islava for X-ray analyses and Dr. Èaplovièová and Dr. J. Stank-

oviè  for  their  assistance  in  electron  microscopy  investigation

(Central Laboratory of Electron Microscopy of the Faculty of

Science, Comenius University Bratislava). We are grateful to

anonymous reviewers for their large effort benefited the manu-

script. This research was supported by Scientific Grant Agency

(VEGA) of Ministry of Education of Slovak Republic and Slo-

vak Academy of Sciences (Grant No. 1/4090/97).

References

Alpers  C.N.  &  Blowes  D.W.,  1994:  Environmental  geochemistry

of sulfide oxidation. Amer. Chem. Soc., 550, 1–681.

Banásová  V.  &  Šucha  V.,  1998:  Degradation  of  grassland  after

Table  7:  The  comparison  of  the  Šobov  water,  soil  (Šucha  et  al.

1997) and ochre analyses.  The values with stars are used in the ra-

tio calculation.

*Effluent

dump water

Soil

analyses

Soil

analyses

*Ochres

Ochre/water

0-10 cm

10-30 cm

P2 0-25 cm

*ratios

mg/l

mg/kg

mg/kg

mg/kg

 pH

2

2.35

2.34

2.75

 SO

4

15980

   7100

  5800

 Fe

3625

4.85 %

6.01 %

20.30 %

56

 Al

923

48790

53

 Mn

71

    286

    320

8700

122

 Cu

8.6

         36.3

         41.4

  540

63

 Zn

8.4

    152

     99

1120

133

 Pb

    140

    191

2860

 As

               0.67          22.4

      25

    60

90

proportions of the analyzed metals can be sorbed by organic

matter, as was detected by IR spectroscopy of ochre samples

(SmOd/96) and also earlier (unpublished data). These process-

es were not investigated, but we can note that the bacterially

catalyzed pyrite oxidation and increased organic contents in

mine  water  were  documented  (Jaško  &  Cicmanová,  unpub-

lished).

The  extremely  high  As  contents  were  determined  in  the

amorphous ochres precipitated in tailings effluent water near

the Pezinok mine (Table 4). The pyrite-arsenopyrite associa-

tion of these ores is the first factor controlling the such high

As re-concentrations in the ochre precipitates. On the other

hand,  the  effluent  water  of  this  inactive  impoundment  can

mobilize a high content of As.

Our first results indicated, that the Bansk᠊tiavnica mine

wastes deposited in the Lintich and Sedem žien impoundments

should produce drainage water with comparable high element

concentrations. The ochres formed in near neutral conditions

can be Mn, As, Cu and Zn enriched according to the mineral-

ogical composition of the processed ores and mine wastes de-

posited into the impoundment. Total and selective dissolution

analyses of waste drainage waters and Fe-ochres will be done

to investigate these processes. However, the ochre-phase anal-

yses of the antropogenic and uncultivated soils near the tailing

impoundment of Sedem žien indicated an element mobiliza-

tion and the main factor controlling the element mobilization

is the formation of extreme acidity (Table 1, Table 5A, 5B).

The soil like those of wetland are formed in the lower border

of the impoundment and as the soil acidity decreased in this

soil (Table 5A, 5B, sample BG/97), the Pb, Cu, Zn and Mn

contents increased. Wetland is a very effective system for re-

mediation of acid mine and tailing waters (Blowes et al. 1994;

Wieder-Novák 1995).

The soil properties were monitored in the uncultivated area

around  the  Šobov  mine  in  1995  to  1997  and  a  high  and  in-

creased degree of soil degradation was identified (Šucha et al.

1997). Acid water has flowed out of the mine dump percolated

into soils. On the one hand water with high contents of Fe, Al,

Mg, sulphate and other pyrite bearing metals has contaminated

soils and on the other acid-aggressive water has leached soils.

The free Fe-oxides have created a characteristic yellow-brown

oxisoil horizon. In the most acidic soils the increased contents of

exchangeable Al (Table 1 more than 1000 mg/kg in 1997) were

2-

background image

404                                                                      LINTNEROVÁ,  ŠUCHA  and  STREŠKO

strong soil acidification. Ekológia, 17, 28–38.

Bartalský J. (Ed.), 1993: Smolník — the town of cooper-ore mine.

Miner. slovaca, Monograph., 1–368 (in Slovak with German

abstract).

Bigham J.M., 1994: Mineralogy of ochre deposits formed by sul-

fide  oxidation.  In:    Jambor  J.L.  &  Blowes  W.  (Eds.):  Short

course  handbook  on  environmental  geochemistry  of  sulfide

mineral-wastes. Mineral. Assoc. Canada,  22, 103–132.

Bigham J.M., Schwertmann U., Carlson L. & Murad E., 1990: A

poorly crystallized oxyhydroxysulfate of iron formed by bac-

terial oxidation of Fe (II) in acid mine waters. Geochim. Cos-

mochim. Acta, 54, 2743–2758.

Bigham J.M., Schwertmann U., Traina S.J., Winland R.L. & Wolf M.,

1997: Schwertmannite and the chemical modeling of iron in acid

sulfate waters. Geochim. Cosmochim. Acta, 60, 2111–2121.

Blowes D.W., Ptacek C.J. & Jambor J.L., 1994: Remediation and

prevention  of  low  quality  drainage  from  tailing  impound-

ments. In: Jambor J.L. &  Blowes  D.W.  (Eds.):  Short  course

handbook  on  environmental  geochemistry  of  sulfide  mine-

wastes. Mineral. Assoc. Canada, 22, 59–102.

Cambier P., Dubíková M. & Šucha V., 1997: Solubility equilibria

within  acid  sulfate  water  from  Slovakian  mine  sites  after

soilchem calculations. Book of abstracts of 2th Conference of

IGCP no. 405, ENVIWEATH, Bratislava, 15–16.

Cornell R.M., 1991: Simultaneous incorporation of Mn, Ni and Co in

the goethite (

α

FeOOH) structure. Clay Minerals, 26, 427–430.

Fuge  R.,  Pearce  F.M,  Pearce  N.J.G  &  Perkin  W.T.,  1994:  Acid

mine  drainage  in  Wales  and  influence  of  ochre  precipitation

on water chemistry. In: Alpers C.N. & Blowes D.W. (Eds.):

Environmental  geochemistry  of  sulfide  oxidation.  Amer.

Chem. Soc., Washington, 550, 261–275.

Hsu P.H., 1989: Aluminum hydroxides and oxides. In: Dixon J.B.

&  Weed  S.B.  (Eds.):  Minerals  in  soil  environment.  Soil  Sci.

Soc. America, Madison, Wisconsin, 331–378.

Jambor J.L. & Blowes D.W., 1994: Short course handbook on en-

vironmental  geochemistry  of  sulfide  mine-wastes.  Mineral.

Assoc. Canada, 22, 1–438.

Jaško V., Cicmanová S., Bajtoš P., Pramuka S., Šesták P., Bašita J.,

Gajdoš V., Rozimant K., Lintnerová O., Hornung L. & Galaj-

da  J.,  1996:  Smolník  —  the  complete  hydrogeological  and

hydrochemical study of Cu-Fe deposit. Admin. rep., Aquipur

Comen., Bratislava, 1–124 (in Slovak).

Lintnerová  O.,  1996:  Mineralogy  of  Fe/ochre  deposits  formed

from acid mine water in the Smolník mine (Slovakia). Geol.

Carpathica Clays, 5, 55–63.

Lintnerová O. & Líšková M., 1997: Acidification of artificial soils

of  Sedem  žien  mill  tailing  impoundment  (Banská  Štiavnica,

Slovakia). Book of abstracts of 2th. Conference of IGCP no.

405, ENVIWEATH, Bratislava, 33.

Kooner Z.S., 1992: Adsorption of copper onto goethite in aqueous

systems. Environ. Geol. Water Sci., 20, 205–212.

Kooner  Z.S.,  1993:  Comparative  study  of  adsorption  behavior  of

copper, lead, and zinc onto goethite in aqueous system. Envi-

ronmental Geol. Not., 21, 242–250.

Mehra O.P. & Jackson M.L., 1960: Iron oxide removal from soils

and  clays  by  dithionite-citrate  system  buffered  with  sodium

bicarbonate. Clays and Clay Miner., 7th-conf., 317–327.

Murad  E.,  Schwertmann  U.,  Bigham  J.M.  &  Carlson  L.,  1994:

Mineralogical  characteristic  of  poorly  crystallized  precipi-

tates formed by oxidation of Fe

2+

 in acid mine sulfate waters.

In:  Alper  C.N  &  Blowes  D.W.  (Eds.):  Environmental

geochemistry  of  sulfide  oxidation.  Amer.  Chem.  Soc.,  Wash-

ington, 550, 190–200.

Nordstrom D.K. & Ball J.W., 1986: The geochemical behavior of

aluminum in acidified surface waters. Science, 232, 54–56.

Schulze D.G & Schwertmann U., 1984: Influence of aluminium on

iron  oxides  X.  The  properties  of  Al  substituted  goethites.

Clays and Clay Miner., 19, 521–529.

Schwertmann U. & Cornell R.M., 1991: Iron oxides in the labora-

tory. VCH Weinheim, N.Y.-Basel-Cambridge, 1–137.

Schwertmann U. & Taylor R.M., 1989: Iron Oxides. In: Dixon J.B.

&  Weed  S.B.  (Eds.):  Minerals  in  soil  environment.  Soil  Sci.

Soc. America, Madison, Wisconsin, 379–438.

Schwertmann  U.,  Fitzpatric  R.W.,  Taylor  R.M.  &  Lewis  D.G.,

1997:  The  influence  of  aluminium  on  iron  oxides.  Part  II.

Preparation and properties of Al substituted hematites. Clays

and Clay Miner., 105–112.

Stumm W. & Sulzberger B., 1992: The cycling iron in natural en-

vironments:  considerations  based  on  laboratory  studies  of

heterogeneous  redox  processes.  Geochim.  Cosmochim.  Acta,

56, 3233–3257.

Šucha  V.,  Kraus  I.,  Zlocha  M.,  Streško  V.,  Gašparovièová  M.,

Lintnerová  O.  &  Uhlík  P.,  1997:  Acidification  in  the  Šobov

region  (Štiavnické  vrchy  Mts.  Slovakia):  Manifestation  and

causes. Miner. slovaca, 29, 6, 407–416 (in Slovak).

Thomas G.W. & Hargrove W.L., 1984: The chemistry of soil acidi-

ty.  In:  Adams  F.  (Ed.):  Soil  acidity  and  liming.  Agronomy,

Madison, Wisconsin, 12, 4–55.

Trtíková S., Chovan M. & Kušnierová M., 1996: Oxidation of py-

rite  and  arsenopyrite  in  the  mining  wastes  (Pezinok,  Malé

Karpaty Mts.). Book of abstracts of 1th. Conference of IGCP

no.405, ENVIWEATH 96, Brno, 72.

van Reeuwijk L.P: (Ed.), 1995: Procedures for soil analyses. Inter-

national soil reference and information, FAO UN, Wagenin-

gen (Netherlands).

Webster J.G., Nordstrom D.K. & Smith K.S., 1994: Transport and

natural  attenuation  of  Cu,  Zn,  As  and  Fe  in  the  Acid  mine

Drainage of Leviathan and Bryant Creeks. In: Alpers C.N. &

Blowes  D.W.  (Eds.):  Environmental  geochemistry  of  sulfide

oxidation. Amer. Chem. Soc., Washington, 550, 244–260.

Wieder R.K. & Novák M., 1995: Biogeochemical processes during

the treatment of acid mine drainages: The Kentucky wetland

project. In: Pašava, Køíbek & Žák (Eds.): Mineralium Depos.,

Balkema, Rotterdam, 709–712.

Note: This paper was presented at the Conference of the IGCP Project #405 — “ENVIVEATH”,  held in Bratislava from 24th to 26th November,  1997