Geochemical characterization and prediction of acid mine drainage generation potential of Kure volcanogenic massive sulfide deposits

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.