Remediation of a marine shore tailings deposit and the importance of water-rock interaction on element cycling in the coastal aquifer

We present the study of the geochemical processes associated with the first successful remediation of a marine shore tailings deposit in a coastal desert environment (Bahia de Ite, in the Atacama Desert of Peru). The remediation approach implemented a wetland on top of the oxidized tailings. The site is characterized by a high hydrauliz gradient produced by agricultural irrigation on upstream gravel terraces that pushed river water (similar to 500 mg/L SO(4)) toward the sea and through the tailings deposit. The geochemical and isotopic (delta(2)H(water) and delta(18)O(water), delta(34)S(sulfate) , delta(18)O(sulfate)) approach applied here revealed that evaporite horizons (anhydrite and halite) in the gravel terraces are the source of increased concentrations of SO(4), Cl, and Na up to similar to 1500 mg/L in the springs at the base of the gravel terraces. Deeper groundwater interacting with underlying marine sequences increased the concentrations of SO(4), Cl, and Na up to 6000 mg/L and increased the alkalinity up to 923 mg/L CaCO(3) eq. in the coastal aquifer. These waters infiltrated into the tailings deposit at the shelf-tailings interface. Nonremediated tailings had a low-pH oxidation zone (pH 1-4) with significant accumulations of efflorescent salts (10-20 cm thick) at the surface because of upward capillary transport of metal cations in the arid climate. Remediated tailings were characterized by neutral pH and reducing conditions (pH similar to 7, Eh similar to 100 mV). As a result, most bivalent metals such as Cu, Zn, and Ni had very low concentrations (around 0.01 mg/L or below detection limit) because of reduction and sorption processes. In contrast, these reducing conditions increased the mobility of iron from two sources in this system: (1) The originally Fe(III)-rich oxidation zone, where Fe(II) was reduced during the remediation process and formed an Fe(II) plume, and (2) reductive dissolution of Fe(III) oxides present in the original shelf lithology formed an Fe-Mn plume at 10-m depth. These two Fe-rich plumes were pushed toward the shoreline where more oxidizing and higher pH conditions triggered the precipitation of Fe(HI)hydroxide coatings on silicates. These coatings acted as a filter for the arsenic, which naturally infiltrated with the river water (similar to 500 mu g/L As natural background) into the tailings deposit.

Biogeochemical evolution of a marine shore tailings deposit during bioremediation

Summary : Mining activities produce enormous amounts of waste material known as tailings which are composed of fine to medium size particles. These tailings often contain sulfides, which oxidation can lead to acid and metal contamination of water; therefore they need to be remediated. In this work a tailings bioremediation approach was investigated by an interdisciplinary study including geochemistry, mineralogy and microbiology. The aim of the work was to study the effect of the implementation of wetland above oxidizing tailings on the hydrogeology and the biogeochemical element cycles, and to assess the system evolution over time. To reach these goals, biogeochemical processes occurring in a marine shore tailings deposit were investigated. The studied tailings deposit is located at the Bahìa de Ite, Pacific Ocean, southern Peru, where between 1940 and 1996 the tailings were discharged from the two porphyry copper mines Cuajone and Toquepala. After the end of deposition, a remediation approach was initiated in 1997 with a wetland implementation above the oxidizing tailings. Around 90% of the tailings deposits (total 16 km2) were thus remediated, except the central delta area and some areas close to the shoreline. The multi-stable isotope study showed that the tailings were saturated with fresh water in spite of the marine setting, due to the high hydraulic gradient resulting from the wetland implementation. Submarine groundwater discharge (SGD) was the major source of SO4 2-, C1-, Na+, Fe2+, and Mn2+ input into the tailings at the original shelf-seawater interface. The geochemical study (aquatic geochemistry and X-Ray diffraction (XRD) and sequential extractions from the solid fraction) showed that iron and sulfur oxidation were the main processes in the non-remediated tailings, which showed a top a low-pH oxidation zone with strong accumulation of efflorescent salts at the surface due to capillary upward transport of heavy metals (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Co, and Ni) in the arid climate. The study showed also that the implementation of the wetland resulted in very low concentrations of heavy metals in solution (mainly under the detection limit) due to the near neutral pH and more reducing conditions (100-150 mV). The heavy metals, which were taken from solution, precipitated as hydroxides and sulfides or were bound to organic matter. The bacterial community composition analysis by Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) and cloning and sequencing of 16S rRNA genes combined with a detailed statistical analysis revealed a high correlation between the bacterial distribution and the geochemical variables. Acidophilic autotrophic oxidizing bacteria were dominating the oxidizing tailings, whereas neutrophilic and heterotrophic reducing bacteria were driving the biogeochemical processes in the remediated tailings below the wetland. At the subsurface of the remediated tailings, an iron cycling was highlighted with oxidation and reduction processes due to micro-aerophilic niches provided by the plant rhizosphere in this overall reducing environment. The in situ bioremediation experiment showed that the main parameter to take into account for the effectiveness was the water table and chemistry which controls the system. The constructed remediation cells were more efficient and rapid in metal removal when saturation conditions were available. This study showed that the bioremediation by wetland implementation could be an effective and rapid treatment for some sulfidic mine tailings deposits. However, the water saturation of the tailings has to be managed on a long-term basis in order to guarantee stability. Résumé : L'activité minière produit d'énormes quantités de déchets géologiques connus sous le nom de « tailings » composées de particules de taille fine à moyenne. Ces déchets contiennent souvent des sulfures dont l'oxydation conduit à la formation d'effluents acides contaminés en métaux, d'où la nécessité d'effectuer une remédiation des sites de stockage concernés. Le but de ce travail est dans un premier temps d'étudier l'effet de la bio-remédiation d'un dépôt de tailings oxydés sur l'hydrogéologie du système et les cycles biogéochimiques des éléments et en second lieu, d'évaluer l'évolution du processus de remédiation dans le temps. Le site étudié dans ce travail est situé dans la Bahía de Ite, au sud du Pérou, au bord de l'Océan Pacifique. Les déchets miniers en question sont déposés dans un environnement marin. De 1940 à 1996, les déchets de deux mines de porphyre cuprifère - Cuajone et Toquepala - ont été acheminés sur le site via la rivière Locumba. En 1997, une première remédiation a été initiée avec la construction d'une zone humide sur les tailings. Depuis, environ 90% de la surface du dépôt (16 km2) a été traité, les parties restantes étant la zone centrale du delta du Locumba et certaines zones proches de la plage. Malgré la proximité de l'océan, les études isotopiques menées dans le cadre de ce travail ont montré que les tailings étaient saturés en eau douce. Cette saturation est due à la pression hydraulique résultant de la mise en place des zones humides. Un écoulement d'eau souterrain sous-marin a été à détecté à l'interface entre les résidus et l'ancien fond marin. En raison de la géologie locale, il constitue une source d'entrée de SO4 2-, Cl-, Na+, FeZ+, et Mn2+ dans le système. L'analyse de la géochimie aquatique, la Diffraction aux Rayons X (XRD) et l'extraction séquentielle ont montré que l'oxydation du fer et .des sulfures est le principal processus se produisant dans les déchets non remédiés. Ceci a entraîné le développement d'une zone d'oxydation à pH bas induisant une forte accumulation des sels efflorescents, conséquence de la migration capillaire des métaux lourds (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Co et Ni) de la solution vers la surface dans ce climat aride. Cette étude a montré également que la construction de la zone humide a eu comme résultats une précipitation des métaux dans des phases minérales en raison du pH neutre et des conditions réductrices (100-150mV). Les métaux lourds ont précipité sous la forme d'hydroxydes et de sulfures ou sont adsorbés à la matière organique. L'analyse de la composition de la communauté bactérienne à l'aide la technique T-RFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) et par le clonage/séquençage des gènes de l'ARNr 16S a été combinée à une statistique détaillée. Cette dernière a révélé une forte corrélation entre la distribution de bactéries spécifiques et la géochimie : Les bactéries autotrophes acidophiles dominent dans les déchets oxydés non remédiés, tandis que des bactéries hétérotrophes neutrophiles ont mené les processus microbiens dans les déchets remédiés sous la zone humide. Sous la surface de la zone humide, nos analyses ont également mis en évidence un cycle du fer par des processus d'oxydoréduction rendus possibles par la présence de niches micro-aérées par la rhizosphère dans cet environnement réducteur. L'expérience de bio-remédiation in situ a montré que les paramètres clés qui contrôlent l'efficacité du traitement sont le niveau de la nappe aquifère et la chimie de l'eau. Les cellules de remédiation se sont montrées plus efficaces et plus rapides lorsque le système a pu être saturé en eau. Finalement, cette étude a montré que la bio-remédiation de déchets miniers par la construction de zones humides est un moyen de traitement efficace, rapide et peu coûteux. Cependant, la saturation en eau du système doit être gérée sur le long terme afin de garantir la stabilité de l'ensemble du système.

Geology, correlations, and geodynamic evolution of the Biga Peninsula (NW Turkey)

L?objectif de ce travail de recherche était de décrypter l?évolution géodynamique de la Péninsule de Biga (Turquie du N-O), à travers l?analyse de deux régions géologiques peu connues, le mélange de Çetmi et la zone d?Ezine (i.e. le Groupe d?Ezine et l?ophiolite de Denizgören). Une étude complète et détaillée de terrain (cartographie et échantillonnage) ainsi qu?une approche multidisciplinaire (sédimentologie de faciès, pétrographie sédimentaire et magmatique, micropaléontologie, datations absolues, géochimie sur roche totale, cristallinité de l?illite) ont permis d?obtenir de nouveaux éléments d?information sur la région considérée. ? Le mélange de Çetmi, de type mélange d?accrétion, affleure au nord et au sud de la Péninsule de Biga ; les principaux résultats de son étude peuvent se résumer comme suit: - Son aspect structural actuel (nature des contacts, organisation tectonique) est principalement dû au régime extensif Tertiaire présent dans la région. - Il est constitué de blocs de différentes natures : rares calcaires Scythien-Ladinien dans le faciès Han Bulog, blocs hectométriques de calcaires d?âge Norien-Rhaetien de rampe carbonatée, nombreux blocs décamétriques de radiolarites rouges d?âge Bajocien- Aptien, blocs/écailles de roches magmatiques de type spilites (basaltes à andésite), ayant des signatures géochimiques d?arcs ou intra-plaques. - La matrice du mélange est constituée d?une association greywacke-argilites dont l?âge Albien inférieur à moyen a été déterminé par palynologie. - L?activité du mélange s?est terminée avant le Cénomanien (discordance Cénomanienne au sommet du mélange, pas de bloc plus jeune que la matrice). - Du point de vue de ses corrélations latérales, le mélange de Çetmi partage plus de traits communs avec les mélanges se trouvant dans les nappes allochtones du Rhodope (nord de la Grèce et sud-ouest de la Bulgarie) qu?avec ceux de la suture Izmir-Ankara (Turquie); il apparaît finalement que sa mise en place s?est faite dans une logique balkanique (chevauchements vers le nord d?âge anté-Cénomanien). ? Le Groupe d?Ezine et l?ophiolite sus-jacente de Denizgören affleurent dans la partie ouest de la Péninsule de Biga. Le Groupe d?Ezine est une épaisse séquence sédimentaire continue (3000 m), subdivisée en trois formations, caractérisée chacune par un type de sédimentation spécifique, relatif à un environnement de dépôt particulier. De par ses caractéristiques (grande épaisseur, variations latérales de faciès et d?épaisseur dans les formations, érosion de matériel provenant de l?amont du bassin), le groupe d?Ezine est interprétée comme un dépôt syn-rift d?âge Permien moyen-Trias inférieur. Il pourrait représenter une partie de la future marge passive sud Rhodopienne à la suite de l?ouverture de l?océan Maliac/Méliata. L?ophiolite de Denizgören sus-jacente repose sur le Groupe d?Ezine par l?intermédiaire d?une semelle métamorphique à gradient inverse, du faciès amphibolite à schiste vert. L?âge du faciès amphibolite suggère une initiation de l?obduction au Barrémien (125 Ma, âge Ar/Ar); cet âge est unique dans le domaine égéen, mais il peut là aussi être relié à une logique balkanique, sur la base de comparaison avec le domaine Rhodopien. ? Toutes les unités précédentes (mélange de Çetmi, Groupe d?Ezine et ophiolite de Denizgören) ont passivement subi trois phases extensives pendant le Tertiaire. Dans la région d?Ezine et du mélange nord, les micaschistes HP sous-jacents ont été exhumés avant l?Eocène moyen. Dans le cas du mélange sud, cette exhumation Eocene est en partie enregistrée dans les mylonites séparant le mélange du dôme métamorphique sous-jacent du Kazda?. Le mélange sud est dans tous les cas fortement érodé à la suite de la double surrection du dôme du Kazda?, près de la lim ite Oligocène/Miocene et pendant le Plio- Quaternaire. Dans le premier cas, ce soulèvement est caractérisé par le développement d?une faille de détachement à faible pendage, qui contrôle à la fois l?exhumation du massif, et la formation d?un bassin sédimentaire syntectonique, de type bassin supradétachement; quant à la phase extensive la plus récente, elle est contrôlée par le jeu de failles normales à forts pendages qui remanient l?ensemble des structures héritées, et dictent la géomorphologie actuelle de la région. ? Il est possible de proposer un scénario pour l?évolution géodynamique de la Péninsule de Biga, basé sur l?ensemble des résultats précédents et sur les données de la géologie régionale ; ses points principaux sont: - La Péninsule de Biga fait partie de la marge Rhodopienne. - Le Groupe d?Ezine est un témoin de la marge passive nord Maliac/Méliata. - L?ophiolite de Denizgören et le mélange de Çetmi ont été mis en place tous deux vers le nord sur la marge précédente, respectivement au Barrémien et à l?Albien terminal- Cénomanien inférieur. - Une forte composante décrochante durant l?emplacement est suggérée par la préservation de fragments de la marge passive et l?absence de métamorphisme dans la plaque inférieure. - Tous les évènements précédents ont été largement affectés par le régime d?extension Tertiaire.<br/><br/>The purpose of this study is to unravel the geodynamic evolution of the Biga Peninsula (NW Turkey) through the detailed study of two poorly known areas, the Çetmi mélange and the Ezine zone (i.e. the Ezine Group and the Denizgören ophiolite). The methodology was based on a detailed field work and a multidisciplinary approach. ? The accretion-related Çetmi mélange is mainly cropping out north and south of the Biga Peninsula; the main results of its study can be summarized as follows: -Its present-day structural aspect (type of contacts, tectonic organisation) is largely inherited from the Tertiary extensional regime in the region. -It is made of blocks of various natures: Han Bulog limestones with a Scythian to Ladinian age, common carbonate ramp Norian-Rhaetian limestones (biggest blocks of the mélange), red radolarite with a Bajocian to Aptian age; the most common lithology of the mélange is made by block/slices of spilitic magmatic rocks (basalt to andesite); they have volcanic arc or within plate basalt geochemical signatures. -The matrix of the mélange is made of a greywacke-shale association of Early-Middle Albian age. - The mélange stopped its activity before the Cenomanian (no younger blocks than the matrix, and Cenomanian unconformity). - If compared to the regional geology, the Çetmi mélange shares some characteristics with the Izmir-Ankara mélanges (less), and with the mélanges from allochthonous nappes found in eastern Rhodope (more); it appears finally that its emplacement is related to a Balkanic logic (ante-Cenomanian northward thrusting). ? The Ezine Group and the overlying Denizgören ophiolite are cropping out in the western part of the Biga Peninsula. The Ezine Group is a thick sedimentary sequence interpreted as a syn-rift deposit of Middle Permian-Early Triassic age. It represents a part of the south Rhodopian passive margin, following the opening of the Maliac/Meliata oceanic domain. The Denizgören ophiolite has been emplaced northward on the Ezine Group in the Barremian (125 Ma, age of the amphibolitic sole); this age is unique in the Aegean domain, but here again, it may be related to a Balkan logic. ? All the previous units (Çetmi mélange, Ezine Group and Denizgören ophiolite) have passively suffered two extensional regimes during the Tertiary. In the Ezine and northern Çetmi mélange area, the underlying HP Çamlýca micaschists were exhumed before the Middle Eocene. As for the southern mélange, it was strongly eroded following the Late Oligocene to Quaternary uplift of the underlying Kazda? Massif. This uplift was characterized by the development of a low-angle detachment fault controlling a part of the exhumation, as well as the development of a supra-detachment basin. ? Based on the previous results, and on the data from the regional geology, one can propose a scenario for the geodynamic evolution of the Biga Peninsula. Its key points are:- The Biga Peninsula is belonging to the Rhodope margin. - The Ezine Group is a remnant of the northern Maliac/Meliata passive margin. - Both the Denizgören ophiolite and the Çetmi mélange have been emplaced northward on the previous margin, respectively in the Barremian and in the Late Albian-Early Cenomanian times. - The preservation of the remnants of the Rhodope margin, as well as the absence of metamorphism in the lower plate suggest a strong strike-slip component during the emplacements. - All the previous events are (at least) partly obliterated by the Tertiary extensional regime.<br/><br/>Le géologue est comme un «historien» de la Terre, qui porte un intérêt particulier à l?étude du passé de notre planète; ce dernier, très ancien, se mesure en dizaines ou centaines de millions d?années (Ma). Or le visage de la terre a constamment évolué au cours des ces millions d?années écoulés, car les plaques (continentales et océaniques) qui composent son enveloppe superficielle ne restent pas immobiles, mais se déplacent continuellement à sa surface, à une vitesse de l?ordre du cm/an (théorie de la tectonique des plaques); c?est ainsi, par exemple, que des océans naissent, grandissent, puis finissent par se refermer. On appelle sutures océaniques, les zones, aujourd?hui sur la terre ferme, où l?on retrouve les restes d?océans disparus. Ces sutures sont caractérisées par deux associations distinctes de roches, que l?on appelle les mélanges et les ophiolites; ces mélanges et ophiolites sont donc les témoins de l?activité passée d?un océan aujourd?hui refermé. L?équipe de recherche dans laquelle ce travail à été réalisé s?intéresse à un vaste domaine océanique fossile: l?océan Néotéthys. Cet océan, de plusieurs milliers de kilomètres de large, séparait alors l?Europe et l?Asie au nord, de l?Afrique, l?Inde et l?Australie au sud. De cet océan, il n?en subsiste aujourd?hui qu?une infime partie, qui se confond avec notre mer Méditerranée actuelle. Or, tout comme l?océan Pacifique est bordé de mers plus étroites (Mer de Chine, du Japon, etc?), l?océan Néotéthys était bordé au nord de mers marginales. C?est dans ce cadre que s?est inscrit mon travail de thèse, puisqu?il a consisté en l?étude d?une suture océanique (mélange plus ophiolite), témoin d?une des mers qui bordait l?océan Néotéthys sur sa marge nord. L?objectif était de préciser de quelle suture il s?agissait, puis de déterminer quand et comment elle avait fonctionné (i.e son évolution géologique). Les roches qui composent cette suture affleurent aujourd?hui en Turquie nord occidentale dans la Péninsule de Biga. Au nord et au sud de la péninsule se trouvent les zones géologique du mélange de Çetmi, et à l?ouest, le Groupe d?Ezine et l?ophiolite susjacente, dite ophiolite de Denizgören. Une étude complète et détaillée de terrain (cartographie, échantillonnage), suivie de diverses analyses en laboratoire (détermination de leur âge, de leur condition de formation, etc?), ont permis d?aboutir aux principaux résultats suivants : - Mise en évidence dans le mélange de Çetmi des témoins (1) de l?océan Lycien disparu (ancienne mer marginale de la Néotéthys), et (2) de la marge continentale qui le bordait au nord. - Fin de l?activité du mélange de Çetmi il y a environ 105 Ma (Albien). - Le mélange de Çetmi est difficilement corrélable dans le temps avec les unités semblables affleurant dans la région d?étude (unicité du mélange), ce qui implique des conditions particulière de formation. - L?ophiolite de Denizgören est un morceau d?océan Lycien posé sur un reste préservé de sa marge continentale nord. - Cette dernière est représentée sur le terrain par une succession de roches caractéristiques, le Groupe d?Ezine. Celui-ci est lui-même un témoin de l?ouverture d?un océan marginal de la Néotethys antérieur au Lycien, l?océan Maliac, qui s?est ouvert il y a 245 Ma (Permien-Trias). - La mise en place de l?ophiolite de Denizgören sur le Groupe d?Ezine (125 Ma, Barrémien) est antérieure à la mise en place du mélange de Çetmi. - Il apparaît que ces deux mises en place sont contemporaines de la formation de la chaîne des Balkans, terminée avant le Cénomanien (100 Ma). - L?évolution dans le temps des objets précédents (océans, marges continentales) montre de grands mouvements latéraux est-ouest entre ces objets (translation). Ce qui implique que les roches que l?on retrouve aujourd?hui sur un transect nord-sud ne l?étaient pas nécessairement auparavant. - Enfin, il s?avère que le mélange de Çetmi, l?ophiolite de Denizgören, et le Groupe d?Ezine ont subi par la suite des déformations extensives importantes qui ont considérablement perturbé le schéma post-mise en place.