ISSN-e: 3006-9467; ISSN: 0016-7975 / 1011-9565

GEOMINAS, Vol. 43, N° 68, diciembre 2015

Ambiente/Environment/Meio ambiente

Residuos mineros y atenuación natural del impacto de la mina inactiva Matahambre

Mine-Waste And Natural Attenuation Of The Impact At The Inactive “Matahambre” Mine

Resíduos mineiros e atenuação natural do impacto da mina inativa “Matahambre”

Ramón Guillermo Pérez Vázquez

Geó°, MSc. Profesor Asistente. Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. (CUJAE). Cuba. Correo-e: monico@civil.cujae.edu.cu

Francisco Martín Romero

Geó°, Dr. Profesor Titular. Universidad Nacional Autónoma de México. (UNAM). Correo-e: fmrch@geologia.unam.mx

Laura Núñez Álvarez

Geó°. ONG Geólogos del Mundo. Guatemala. e-mail: launual@hotmail.com

Recibido: 28-8-15; Aprobado: 28-10-15

Resumen

En el trabajo se exponen los resultados del estudio detallado de las áreas aledañas a la mina subterránea cuprífera inactiva Matahambre, en la parte más occidental de Pinar del Río, Cuba. Se estudiaron los residuos acumulados en la presa de colas. Se tomaron muestras liquidas a lo largo del arroyo que drena desde dicha presa hasta una distancia de 200 metros. Se pudo observar que a los 15 metros de distancia de la presa, los valores de pH eran alrededor de 7,53. Se pudo concluir que en el yacimiento Matahambre no existe afectación al medio ambiente por parte de los residuos de la presa de colas, produciéndose una atenuación natural del impacto que causa el drenaje ácido. Esto es debido a la utilización de dicha presa como un sitio de cultivo de hortalizas y otros vegetales, luego de aislarla con una capa de arena y otra capa vegetal con turba, que ayuda a aislar los depósitos que contienen Elementos Potencialmente Tóxicos (EPT) residuos del proceso de beneficio, evitando la generación de drenaje ácido de mina. Esto podría ser una solución alternativa de mitigación para otros sitios mineros donde las presas de colas se encuentran abandonadas a la intemperie y generan gran cantidad de drenaje ácido de mina.

Abstract

In the paper it is exposed the results of the detailed study of the areas adjacent to the inactive underground copper mine “Matahambre”, in the western end of “Pinar del Rio”, Cuba. Wastes accumulated in the tailings dam were studied. Liquid samples along the creek that drains from the dam to a distance of 200 meters were taken. It was observed that at 15 meters from the dam, the pH values were around 7.53. It was concluded that there is no damage to the environment at the site “Matahambre” by waste tailings dam, resulting in a natural attenuation of the impact caused by acid mine drainage. This is due to the use of the dam as a site for growing vegetables and other vegetation, then to isolate it with a layer of sand and other mulch with peat, which helps insulate the tanks containing Elements Potentially Toxic (EPA) waste the beneficiation process, avoiding the generation of acid mine drainage. This could be an alternative solution for mitigating other mining sites where tailings dams are abandoned to the elements and generate large amount of mine acid drainage.

Resumo

No trabalho estão expostos os resultados do estudo detalhado das áreas circundantes á mina subterrânea de cobre inativa “Matahambre”, na parte mais ocidental de “Pinar del Rio”, Cuba. Foram estudados os rejeitos da mineração acumulado na barragem de resíduos mineiros. Colecionamos amostras liquida ao longo do fluxo que drena desta barragem até uma distância de 200 metros, podendo observar que aos 15 metros de distância os valores de pH era ao redor de 7.53. Pôde ser concluído que no jazigo não existe afetação ao ambiente. Isto está devido ao uso desta barragem de resíduos como um lugar de cultivo de legumes, depois de isolar com uma camada de areia e solo superficial com turfa que ajuda isolar os depósitos que contêm Elementos Potencialmente Tóxicos (EPT) do processo de mineração e beneficiamento, enquanto evitando as drenagens ácidas de mina. Esta poderia ser uma solução para outros lugares de mineração onde a barragem fica abandonada na intempérie e eles geram grande quantidade de drenagens ácidas de mina.

Palabras clave/ Keywords/Palavras-chave:

Acid mine drainage, atenuação natural, atenuación natural, Cuba, drenagens ácidas, drenaje ácido, elementos potencialmente tóxicos, mining waste, natural attenuation, potentially toxic elements, resíduos mineiros. residuos mineros.

Citar así/Cite like this/Citação assim: Pérez, Romero y Núñez (2015) o (Pérez, Romero y Núñez, 2015).

Referenciar así/Reference like this/Referência como esta:

Pérez V., R. G., Romero, F. M., Núñez A., L. (2015, diciembre). Residuos mineros y atenuación natural del impacto de la mina inactiva Matahambre. Geominas 43(68). 131-138.

Introducción

Una de las actividades más comunes del hombre, desde los tiempos más remotos ha sido la minería, la que aun hoy día continúa. Cualquier material que no pueda producirse a través de la agricultura o creado artificialmente en un laboratorio o fábrica, es minado (Macingova y Luptakova, 2012; Mukhopadhyay y Mukherjee, 2013).

Históricamente uno de los problemas más importantes que provoca la actividad minera en muchas regiones del mundo es la generación de abundantes desechos mineros, conjuntamente el Drenaje Ácido de Minas (DAM) y elementos potencialmente tóxicos (EPT) disueltos (Gaikwad et al., 2010; Navarro, 2011; Macingova y Luptakova, 2012; Coetzee et al., 2013; Johnson, 2014). Estos elementos tóxicos pueden ser transportados grandes distancias y contaminar los suelos, las costas, los manglares, las aguas superficiales y subterráneas y la vida acuática (Gaikwad et al., 2011), incluso el ganado, la salud humana, perdidas de hábitat, desplazamientos de comunidades, la recreación y el turismo (Taylor, 2012).

Normalmente, la opción para tratar suelos contaminados se basa en mecanismo de inmovilización y estabilización de los EPT, evitando o disminuyendo la concentración de éstos en las fases solubles hasta límites permisibles, empleando humedales aeróbicos, anaeróbicos o con materia orgánica, humedales de flujo vertical, lagos o estanques de tratamiento de DAM, birreactores y barreras reactivas permeables (Michalková, 2013; Johnson, 2014).

Ubicación geográfica y geológica

El área de estudio se localiza en los residuos mineros de la mina inactiva Matahambre, noroeste de la provincia de Pinar del Río, Cuba (Fig. 1). Pertenece al municipio Minas de Matahambre, situado a 46 km de la capital provincial, Pinar del Río (Pérez-Vázquez et al., 2015).

Durante más de 75 años este depósito ha estado en explotación continua a partir de la calcopirita, mineral principal, para la obtención de un concentrado de cobre al 30 %. Geológicamente, se ubica en el límite norte del terreno Guaniguanico. Los depósitos estratificados están representados por sedimentos terrígenos y carbonatados que abarcan desde el Jurásico Inferior hasta depósitos actuales (Pérez-Vázquez et al.,2015).

Ubicación Geográfica Geológico del Distrito Metalogénico Santa Lucía–Matahambre. 1 Fm. San Cayetano, Jurásico Superior-Inferior; 2 Mb. Castellanos, Jurásico Superior; 3 Fm. Artemisa, Jurásico Superior-Cretácico Inferior; 4 Fm. Esperanza, Jurásico Superior-Cretácico Inferior; 5 Fm. Manacas, Paleógeno; 6 Cuaternario; 7 Yacimientos.

Figura 1. Ubicación Geográfica Geológico del Distrito Metalogénico Santa Lucía–Matahambre. 1 Fm. San Cayetano, Jurásico Superior-Inferior; 2 Mb. Castellanos, Jurásico Superior; 3 Fm. Artemisa, Jurásico Superior-Cretácico Inferior; 4 Fm. Esperanza, Jurásico Superior-Cretácico Inferior; 5 Fm. Manacas, Paleógeno; 6 Cuaternario; 7 Yacimientos.

Las rocas sedimentarias del territorio son: la Formación San Cayetano del Jurásico Inferior-Superior, compuesta por areniscas cuarzosas, limolitas, limoareniscas y esquistos arcillosos. Por encima de ésta se encuentra el Miembro Castellano, formado por esquistos pelíticos, carbonosos, frecuentemente calcáreos, con intercalaciones y lentes de calizas dolomitizadas, areniscas y limolitas. En las rocas carbonatadas del Jurásico Superior se distingue la Formación Artemisa. La Formación Esperanza se encuentra en la parte norte del área y está representada por calizas carbonosas, así como variedades arenosas, limoarenosas silicificadas; dolomitas y calizas dolomitizadas (Fig. 1).

Por encima, se encuentra la Formación Manacas compuesta por esquistos, limolitas, areniscas, limoareniscas y calizas. Por último, las formaciones superficiales del Cuaternario Superior, son principalmente sedimentos areno-arcillosos. (Pérez-Vázquez et al., 2015).

Planteamiento del problema y metodología

La mina Matahambre fue una de las operaciones mineras más profundas de América, alcanzando los 1.553 metros en el nivel 45. La explotación del yacimiento durante más de 70 años generó una gran cantidad de residuos. Parte de los mismos se inyectaban nuevamente en la mina y el resto lo disponía en la presa de colas, donde se acumuló un gran espesor de sedimentos (Fig. 2a).

Figura 2. a). Residuos mineros, b) Siembra de hortalizas y otros vegetales en la presa de colas.

La mineralización es de tipo filoniano con mena calcopirítica. El contenido de cobre de los cuerpos varía desde 0,5-1,5 % hasta 15-20 %. Los principales minerales no metálicos son cuarzo, clorita, siderita y calcita. No se observan cambios analíticos en la mineralización del yacimiento hasta 1.450 metros de profundidad, donde el contenido de pirita, y sobre todo el de pirrotina, aumenta considerablemente con la profundidad y hacia los flancos oeste y oeste noroeste del yacimiento (Pérez-Vázquez y Martínez, 1994).

El resto de los minerales, seleniuros, arseniuros, telururos y sulfoarseniuros, se encuentran dispersos entre los granos de calcopirita (Perez-Vazquez y Melgarejo, 1994). Los residuos mineros más antiguos, se cubrieron con una capa de arena de 20 cm de espesor y sobre esta se depositó capa vegetal enriquecida con turba: Actualmente, esta zona está siendo cultivada para la obtención de hortaliza y otros vegetales (Fig. 2b)

Se realizó el muestreo de suelo en los depósitos de residuos abandonados de la presa de Colas y las aguas que drenan de la misma (Fig. 3a y b). Se recogieron 19 muestras que fueron agrupadas en 11 compuestas (M1 a M6 y M15 a M19), en función de los datos preliminares de pH, conductividad, tipo, color y ubicación de las mismas en el área. Además, se recogieron 8 muestras en un talud de los residuos (M7 a M14 Fig. 3c).

a). Mapa de ubicación de muestras, los puntos rojos son los sitios donde se tomaron las muestras sólidas, b) foto de los residuos mineros, c) talud y d) siembra de hortalizas y otros vegetales en la presa de Colas. Las áreas encerradas en rojo, representan aquellas en las que se hicieron las muestras sólidas compuestas. En blanco, se localiza la colecta liquida de drenaje procedente de los residuos (L5 tomada a 200 metros, fuera de imagen). Las líneas en negro indican un acercamiento del lugar

Figura 3. a). Mapa de ubicación de muestras, los puntos rojos son los sitios donde se tomaron las muestras sólidas, b) foto de los residuos mineros, c) talud y d) siembra de hortalizas y otros vegetales en la presa de Colas. Las áreas encerradas en rojo, representan aquellas en las que se hicieron las muestras sólidas compuestas. En blanco, se localiza la colecta liquida de drenaje procedente de los residuos (L5 tomada a 200 metros, fuera de imagen). Las líneas en negro indican un acercamiento del lugar (Fuente: Google Earth y fotos del autor).

Las muestras sólidas fueron secadas a temperatura ambiente, posteriormente disgregadas, tamizadas con malla de 2 mm de diámetro y finalmente homogenizadas y cuarteadas. Las muestras líquidas tomadas en el campo se guardaron en cámaras de refrigeración. De acuerdo a la metodología referida en NOM-141-SEMARNAT, 2003 se siguieron los siguientes pasos:

1. Preparación de suspensiones de los residuos con agua en equilibrio con CO2 (pH = 5,5 ± 0,2) en una relación 1:20

2. Agitación durante 18,0 horas ± 0,25

3. Separación de la fase sólida del extracto mediante la centrifugación y filtración con membrana de 0,45 μm

Posteriormente, se determinaron los pará metros generales en todas las muestras. Para la determinación del pH se utilizó un potenciómetro BECKMAN modelo Φ 720. La CE se determinó con un conductímetro CORNING 441.

Los análisis químicos y mineralógicos se han realizado tanto en laboratorios externos como propios de la UNAM, concretamente en los siguientes laboratorios cuyas acreditaciones se explican a continuación:

Laboratorios de Análisis Físicos y Químicos del Ambiente (LAFQA) del Instituto de Geografía de la UNAM (Acreditación EMA: FRA-156-021/02), donde se procesaron inicialmente las muestras para sus posteriores análisis, se realizaron medidas de parámetros generales (pH, CE, preparación, cuarteo, muestras compuestas, etc.).

Activation Laboratories de Canadá (Certificado (ISO/IEC) 17025 (ISO/IEC) 17025, incluyendo ISO 9001 e ISO 9002 con especificación CAN-P-1758 y CAN-P-1579) donde se realizaron los análisis químicos de todas las muestras Para determinar la concentración total de los EPT, las muestras homogenizadas se molieron en mortero de ágata y fueron digeridas con HNO concentrado en horno de microondas. Los análisis de concentración total se realizaron mediante Espectroscopia de Masas Inductivamente Acoplada a Plasma (ICP-MS).

En las muestras liquidas procedentes del drenaje de residuos se determinaron las concentraciones solubles de As y Cd, mediante Espectrometría de Masas Inductivamente Acoplada a Plasma (ICP-MS) y mediante Espectrometría de Emisión Óptica Inductivamente Acoplada a Plasma (ICP-OES) para Pb, Cu, Zn y Fe, ya que este último método posee un límite de detección más alto para las muestras con mayores concentraciones.

Laboratorio de Difracción y Fluorescencia de Rayos X de la Facultad de Geología de la UNAM, donde se realizaron los análisis mineralógicos por DRX (Difracción de Rayos X) de las muestras sólidas. Laboratorio de Microscopía Electrónica de la Facultad de Química de la UNAM, donde se realizaron los análisis mineralógicos por Microscopia Electrónica de Barrido con Espectroscopia de Energía Dispersa (MEB-EDS) de las muestras sólidas.

Análisis y discusión de los resultados obtenidos

Las muestras sólidas de los residuos mineros de Matahambre se pueden dividir en dos grupos: oxidadas y no oxidadas. Las muestras oxidadas se caracterizan por tener tonalidades amarillas, rojizas y marrones (Fig. 4a y b) y las partes que todavía no han sido oxidadas tiene coloración gris.

Figura 4. Tonalidades de los residuos mineros, a) amarillas y b) rojizas, y marrón.

Los parámetros preliminares determinados en las muestras sólidas tomadas varían desde pH ácidos (3,66) a cercano a neutros (6,02), en los residuos más antiguos ya oxidados, los que se pueden identificar muy bien por su coloración rojiza, y pH básicos (mayor de 7), en los residuos más recientes no oxidados (Tabla I).

Tabla I. Parámetros generales de los residuos mineros sólidos.

Tabla II. Resultados mineralógicos mediante a Difracción de Rayos X.

$Resultados mineralógicos mediante a Difracción de Rayos X.$

Con el objetivo de estudiar el comportamiento de los metales en las partes profundas de los residuos sólidos y comprender los procesos de movilización, retención y neutralización que tienen lugar en los mismos, se realizó la caracterización mineralógica en cuatro de las muestras del talud mediante Difracción de Rayos X (DXR) y Espectroscopia de Energía Dispersa (MEB) (Tabla II).

En las muestras de la parte superior del perfil (M8), encontramos minerales primarios estables como cuarzo y minerales secundarios formados a partir de los procesos de oxidación que están teniendo lugar. En estas capas superiores no hay presencia de pirita ya que ésta ha sido oxidada (Tabla II). En la parte media del perfil (M10 y M11), encontramos una costra endurecida formada a partir de la precipitación de minerales secundarios de hierro: goethita, jarosita, que se forma a partir de la unión de Fe3+ y cationes liberados por la alteración de los aluminosilicatos (Na+, K+) y hematita, que se forma a partir del Fe libre procedente de sulfuros de Fe primarios oxidados (Navarro, et al., 2011; Coetzee et al., 2013; Johnson, 2014).

Estas costras de hierro denominadas en la literatura inglesa como “hardpan”, están formadas fundamentalmente por goethita y aparecen a una profundidad donde comienza a aumentar (3,67) el pH (Blowes et al., 1990; Lin, 1997; Johnson, et al., 2000; Holmstrom et al., 2001; Ljungberg y Ohlander, 2001; McGregor y Blowes, 2002; Romero et al., 2007). Estos precipitados de Fe tienen una alta capacidad de adsorción y coprecipitación de As, Cu y Zn (Lin, 1997, Romero et al., 2007, Romero et al., 2010) por lo tanto, pueden retener metales proporcionando un mecanismo natural de atenuación de EPT (Figs. 5 y 6).

En las zonas profundas de los residuos (M13) el suministro de oxígeno y agua son muy bajos. Por lo tanto, los procesos de oxidación son menores y aparecen minerales primarios como la pirita, original del yacimiento, que no ha sido oxidada totalmente. Se realizaron análisis de la costra de hierro cementada (M 10) mediante MEB para estudiar el comportamiento de los minerales que se forman en ella y comprobar si existe retención de metales en los minerales secundarios y se localizaron minerales secundarios de Fe, que retienen Cu (Figs. 5 y 6).

Figura 5. Identificación, en base a microanálisis por MEB-EDS, de procesos de retención de Cu en minerales secundarios de Fe (1).

Figura 6. Identificación, en base a microanálisis por MEB-EDS, de (KFe3(SO4)2(OH)6) jarosita (9) que retiene Cu.

Los residuos mineros de Matahambre no poseen concentraciones excesivamente altas de metales (WHO, 2008; Gromet et al., 1984), sólo el Cu aparece en altas concentraciones, el As y Zn aparecen en concentraciones medias (Tabla III).

Tabla III. Resultados de las concentraciones totales (mg/kg, excepto para Fe) de EPT, en los residuos mineros de Matahambre.

Las altas concentraciones de Cu, corresponden con la mineralogía del yacimiento (Pérez-Vázquez y Martínez, 1994, Pérez-Vázquez y Melgarejo, 1998). Los resultados de las muestras tomadas en el perfil de los residuos se muestran en la tabla IV.

Tabla IV. Resultados de las concentraciones totales (mg/kg, excepto para Fe) en suelos localizados en el talud de los residuos mineros.

Las muestras del talud se dividen en tres zonas: una zona superior (M7-M9), donde el oxígeno y el agua oxidan a los sulfuros residuales, creando condiciones ácidas (pH de 3,76 en promedio); una zona intermedia (M10 y M11), correspondiente a la costra dura compuesta por precipitados de Fe, (Tabla II) donde el pH se encuentra entre 3,67 y 4,75 y se observan las concentraciones más altas de Cu, Pb y As y una zona inferior (M12-M13), donde el pH se mantiene entre 3,84 y 5,10 y no se observan procesos de oxidación.

La capa intermedia es la que mayores concentraciones de metales posee. Por lo tanto, esta “costra dura” juega un papel muy importante en la retención de metales como el Cu, Pb y As. Se forma debido a la presencia de carbonato cálcico muy posiblemente proveniente de la meteorización de los lentes de calizas de la parte superior del a Formación San Cayetano, las demás formaciones carbonatas de la región o la calcita y siderita que se encuentran en el yacimiento, Fe3+ y ausencia de oxígeno y agua. Estas condiciones inhiben la oxidación de sulfuros e incrementan el pH hasta valores cercanos al neutro, lo que provoca la precipitación de Fe3+, que da lugar a goethita, jarosita y hematita, entre otros minerales de Fe, con trazas de Cu, Zn y Fe.

La precipitación de estos minerales de Fe en la matriz porosa forma un cemento que modifica la permeabilidad de la matriz, haciéndola impermeable y por lo tanto, restringe la difusión del oxígeno y agua y actúa como una barrera natural de acumulación de metales (Blowes et al., 1997; Holmstrom, et al., 2001; Gaikwad, et al. 2010; Romero et al., 2010; Navarro et al., 2011; Coetzee et al., 2013; Johnson, 2014). Por lo tanto, las capas cementadas de Fe en los residuos de Matahambre, juegan un papel muy importante en la retención de Cu. Las muestras liquidas procedentes del drenaje de los residuos recogidas a lo largo del arroyo poseen concentraciones relativamente bajas de EPT y valores de pH neutros (Tabla V).

Tabla V. Resultado de las concentraciones (mg/L) de EPT solubles disueltos a lo largo del arroyo que drena desde el depósito de residuos.

M/E = Muestras/Elementos; LD = Límite de detección; D/m = Distancia desde los residuos en metros; SR = Sobre los residuos.

De las muestras tomadas a lo largo del arroyo (Am 2-Am 5) situado en la base de los residuos, únicamente en la primera muestra (Am 2) el pH es ácido y el Cu aparece en concentraciones altas. Pero a medida que aumenta la distancia a los residuos, las concentraciones de EPT van disminuyendo (muy significativamente para el Cu) y el pH se va neutralizando. Esto demuestra un proceso de atenuación natural, lo cual se observa también en el yacimiento Santa Lucía muy cercano a Matahambre (Romero et al., 2010), y una mínima afectación ambiental. Los resultados indican que en los residuos mineros de Matahambre, la afectación al medio ambiente es mínima.

La utilización de dicha presa de Colas como un sitio de cultivo de hortalizas y otros vegetales, luego de aislarla con una capa de arena, otra capa vegetal con turba, ayuda considerablemente a aislar los depósitos que contienen minerales residuos del proceso de beneficio del yacimiento Matahambre. Esto podría ser una solución alternativa de mitigación para otros sitios mineros donde la presa de Colas o jales se encuentran a la intemperie.

Conclusiones

Finalmente, como resultado del trabajo se puede concluir que en el yacimiento Matahambre no existe afectación, por parte de los residuos mineros al medio ambiente, debido a las condiciones en que se encuentra la presa de colas y la atenuación natural de los EPT.

De igual forma la utilización de la presa de colas para cultivo de hortalizas y otros vegetales, después de haber sido aislada con una capa de arena y otra capa vegetal con turba, ayuda considerablemente a aislar los depósitos que contienen residuos del proceso de beneficio mineral del yacimiento Matahambre, de esta forma se ha evitado la generación de drenaje ácido de mina, la movilización de los EPT y la afectación al medio ambiente circundante. Esto podría ser una solución alternativa y más económica para otros sitios mineros similares donde la presa de cola o jales se encuentran a la intemperie y genera gran cantidad de drenaje ácido de mina.

Reconocimientos

Los autores desean agradecer especialmente al personal de los diversos Institutos y Laboratorios de la UNAM que realizaron los análisis. A mi hijo el Ing. Daniel Pérez Altabás quien me acompañó muchas veces en los trabajos de campo, fue mi sostén y soportó los ataques de oleadas de mosquitos en las noches. Esta investigación fue financiado principalmente por el proyecto IN118709 y CONACYT-SEMARNAT-2004-01-350, México y apoyado por el departamento de Geología de la Universidad de Pinar del Río, Cuba.

Referencias

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The author(s) declare(s) that she/he/they has/have no conflict of interest related to hers/his/their publication(s), furthermore, the research reported in the article was carried out following ethical standards, likewise, the data used in the studies can be requested from the author(s), in the same way, all authors have contributed equally to this work, finally, we have read and understood the Declaration of Ethics and Malpractices.

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