Biogeoquímica em áreas minerais estano-volframíticas

• Author(s): Favas, Paulo Jorge de Campos
• Date: 2008
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10348/119
• Origin: Repositório da UTAD
• Subject(s): Geoquímica (ambiental); Poluição pelos metais; Biogeoquímica; Trás-os-Montes (Portugal)
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese

Description

Os objectivos e os procedimentos metodológicos deste trabalho visaram, essencialmente: caracterizar a assinatura biogeoquímica do Sn, W e metais associados, nos solos e nas plantas, das áreas mineiras seleccionadas; identificar espécies vegetais, ou partes das mesmas, indicadoras de elementos químicos presentes em excesso nos solos, naturais e mineiros; e seleccionar espécies vegetais para utilização potencial em acções de bioindicação de contaminações e de recuperação ambiental de escombreiras e áreas mineiras degradadas caracterizadas por paragéneses minerais idênticas às das áreas estudadas. As áreas foram seleccionadas em função da mineralização e de factores ambientais, de modo a poderem oferecer uma panorâmica geral dos tipos mais representativos de minas de Sn e W, em Portugal: mina de Ervedosa (Vinhais), com cassiterite e diversos sulfuretos; mina de Rio de Frades e mina de Regoufe (Arouca), com volframite, scheelite, cassiterite e sulfuretos; mina de Adoria (Ribeira de Pena), com volframite, cassiterite e sulfuretos; e mina de Tarouca (Tarouca), com scheelite, cassiterite e sulfuretos. Após o reconhecimento cartográfico, geológico e botânico das áreas envolventes das minas estudadas efectuaram-se as amostragens e consequentes análises e interpretação de dados, dos diferentes materiais: - águas superficiais e de drenagens de minas, inseridas num esquema de monitorização com periodicidade bimestral, durante um ano, com determinações analíticas in situ de temperatura, pH, Eh e condutividade e análises químicas de SO4, HCO3, Ca, K, Mg, Na, Cl, Ag, As, Bi, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn e Cd, por EAA; - filões mineralizados estudados no microscópio de luz transmitida e de luz reflectida e analisados na microssonda electrónica; - várias espécies de plantas e respectivos substratos (solos naturais e escombreiras), destinadas às análises químicas totais (Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cr, Co, Ni, Mo, Cd, Bi, Sn, W, Ag, As, U) por ICP-MS; - algumas amostras de solos foram alvo de extracção química selectiva sequencial, para identificar a partilha dos metais pelas fases minerais e avaliar a sua biodisponibilidade. As Drenagens Ácidas de Minas (DAM) apresentam características químicas que reflectem os processos de lixiviação de massas mineralizadas que contêm sulfuretos. Assim, estas águas caracterizam-se por apresentarem baixos valores de pH e altos teores de sulfato e de metais em solução. As águas superficiais que circulam nas zonas a montante das minas caracterizam-se por valores de pH próximos da neutralidade, condutividades relativamente baixas e uma baixa carga iónica. As águas a jusante das minas e escombreiras afastam-se destas características e aproximam-se das evidenciadas pelas DAM. As amostras que se encontram sob influência mineira revelam uma composição sulfatada, enquanto as amostras representativas do fundo hidrogeoquímico possuem um carácter dominantemente bicarbonatado ou cloretado e sulfatado. Os dados geoquímicos dos solos permitem evidenciar as anomalias na dependência das mineralizações ou relacionadas com a influência das explorações mineiras. Verifica-se que os teores mais elevados, para a generalidade dos elementos, se registam, além dos solos mineiros, nos solos da envolvente próxima de zonas mineralizados, ou situados sob a influência das escombreiras. A aplicação da Análise em Componentes Principais (ACP) permitiu verificar a separação em grupos de elementos de acordo com os seus comportamentos em função do pH. Nas cinco minas, verificam-se associações entre elementos, atribuídas aos seus comportamentos geoquímicos e descriminam-se as amostras representativas do fundo geoquímico local e as amostras portadoras de contaminação. A técnica de extracção química selectiva sequencial permitiu verificar que o pH é o factor mais importante no controlo da distribuição geoquímica dos elementos. Consequentemente, grande parte dos catiões metálicos (Mn, Cd, Cu, Zn, Pb, Co, Cr, Ni) manifesta um comportamento idêntico, apresentando importantes enriquecimentos nas fracções mais biodisponíveis (solúvel em água e trocável), em contraste com os oxi-aniões, como o As e o Mo, que evidenciam uma menor mobilidade, devido à adsorção aos oxi-hidróxidos de Fe, revelando importantes incrementos nas fracções redutíveis. Os dados biogeoquímicos mostram que as espécies estudadas são capazes de fornecer indicações sobre a presença das contaminações pedogeoquímicas, geradas pelas diferentes mineralizações. No entanto, as respostas fornecidas diferem, quer de espécie para espécie quer com o tipo de órgão considerado, conforme os elementos químicos presentes nos respectivos substratos. Para cada espécie (e órgão) e para cada elemento, em cada uma das áreas estudadas, interpreta-se o comportamento biogeoquímico no sistema solo – planta, identificam-se os respectivos padrões de bioacumulação, com base em índices como o Coeficiente de Absorção Biológica (CAB) e avaliam-se as correlações existentes, para cada elemento, entre os teores totais nos solos e nos materiais vegetais e entre os teores da fracção biodisponível e os bioacumulados. Por fim, avaliam-se as potencialidades de aplicação dos dados biogeoquímicos, nomeadamente nos domínios da bioindicação e da fitorremediação. Com base nas razões entre as concentrações máximas obtidas para cada elemento e o teor de fundo biogeoquímico, determinaram-se os tipos de barreiras fisiológicas presentes e concluiu-se sobre a capacidade bioindicadora de cada espécie. Para avaliar o potencial das plantas estudadas para utilização em acções de fitorremediação, determinaram-se taxas de extracção, atendendo às concentrações dos metais nos seus tecidos, em combinação com as respectivas taxas de produção de biomassa.

The purpose and methodological procedures of this study essentially aims: - to characterize the biogeochemical signature of Sn, W and associated metal, in soils and plants, of the selected mining areas; - to identify vegetable species or parts of these, indicators of excessive chemical elements present in the natural and mining soils; - to select vegetation species for potential use in bioindication contamination actions and of environmental recovery of tailings and degraded mining areas with similar mineral paragenesis of the studied areas. In order to offer a general panoramic of the most representative types of Sn and W mines in Portugal, areas were selected according to mineralization and environmental factors: Ervedosa Mine (Vinhais) with cassiterite and diverse sulphides; Rio de Frades Mine and Regoufe Mine (Arouca) with wolframite, scheelite, cassiterite and sulphides; Adoria Mine (Ribeira de Pena) with volframite, cassiterite and sulphides; and Tarouca Mine with scheelite, cassiterite and sulphides. After cartographical, geological and botanic recognition of the areas surrounding the studied mines, samples and consequent analysis and interpretation of the different matters were taken done: - superficial water and of mine drainage set, were collected for an year, in a monitored scheme with a bi-monthly periodic character, with pH, temperature, Eh and conductivity determined in situ and chemical analysis of SO4, HCO3, Ca, K, Mg, Na, Cl, Ag, As, Bi, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn and Cd by AAS; - mineralized veins were studied in a transmitted and reflected light microscope and analysed by electronic microprobe; - various species of plants and of their respective substrate (natural soils and tailings), destined to total chemical analysis (Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cr, Co, Ni, Mo, Cd, Bi, Sn, W, Ag, As, U) by ICP-MS; - some samples of the soils were targeted with a sequential selective chemical extraction in order to identify the metal partition along the mineral phases and measure their bioavailability. The Acid Mine Drainage (AMD) presents chemical characteristics which reflect lixiviation processes of mineralized mass which contain sulphides. Thus these waters are characterized as presenting low pH and high contents of sulphide and metals in solution. The superficial waters which circulate in the upstream areas of the mines are characterized by having pH close to neutral, relatively low conductivity and a low ionic charge. The down stream sampled waters of the mines and tailings distance themselves from these characteristics and draw themselves to those of AMD. The samples which can be found under mine influence reveal a sulphated composition, while the representative samples of the hydro-geochemical background hold a dominant bicarbonate character or chloride and sulphide. The geochemical soils data show the anomalies in the dependency of the mineralization or the relation to mining influence. Beyond the mineral soils, it is shown that the highest registered levels, for the elements in general, are the soils involving the mineralized areas or the ones situated under tailings influence. The application of the Principal Components Analysis (PCA) verified the separation into element groups according to their behaviour as a function of pH. Attributed to their geochemical behaviour, association amongst elements is verified amongst the five mines. The representative samples of the local geochemical background and the contaminated samples were discriminated. The sequential selective chemical extraction verified that pH is the most important factor in the control of the geochemical distribution of the elements. Consequently a majority of the metallic cations (Mn, Cd, Cu, Zn, Pb, Co, Cr, Ni) show an identical behaviour, presenting important enrichments in the most bioavailable fractions (water soluble and changeable), contrasting with the oxi- anions, as the As and the Mo, which evidence a lower mobility, due to adsorption to the Fe oxi- hydroxides, revealing important increase of reducible fractions. Biochemical data show that the studied species are able to provide indications on the pedogeochemical contamination created by different mineralization. Meanwhile, according to the chemical elements present in the respective substrate, the provided answers differ whether its from species to species or from the type of organ considered. In every studied area each of the species (and organ) and element the biochemical behaviour in the soil-plant system is interpreted, the respective bioaccumulation patterns are identified based on indicators as the Biological Absorption Coefficient (BAC) and the existing correlations, for each element, are as well evaluated, between total levels in the soils and vegetation matter and amongst the bioavailability and bioacumulated fraction levels. Al last, the potential application of the biogeochemical data is studied namely in the bioindication and fitoremediation domains. Based on the ratio of maximum concentration obtained for each element and the biogeochemical background, the types of physiological barriers present were determined and concluded on the bioindicator capacity of each species. To evaluate the studied plants’ potential for the use in fitoremediation actions, extraction rates were determined having in mind the metal concentrations in their tissues in combination with the respective levels of biomass production.