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.

Fluid-rock interaction during late stages of the Alpine exhumation

Résumé de la thèseLa fracturation des roches au cours de phases compressives ou extensives est un souvent évoquée pour expliquer la circulation de fluide au sein des roches cristallines. Dans le cadre de cette thèse, la circulation des fluides lors de l'exhumation tardive des Alpes a été étudiée en utilisant deux approches différentes: analyses structurales de la déformation fragile d'une part et analyses géochimiques des roches et des minéraux (isotopes stables, datations U/Pb, thermochronologie (U-Th)/He) d'autre part. Cette approche combinée a permis de mieux comprendre l'interaction existante entre les fluides métamorphiques et les fluides météoriques, ainsi que leur interaction avec les roches encaissantes. Le travail a été effectué dans la zone Pennique du Valais suisse.La première partie était focalisée sur la déformation fragile, le but étant de définir les différents types de déformations existantes et de déterminer l'âge relatif des différentes familles de failles. Dans la région d'étude, quatre domaines ont été distingués. Chacun d'eux comportent deux types de structures fragiles, certaines sont minéralisées alors que d'autre non. Au sein de chaque domaine, la direction principale des structures minéralisées correspond à l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région (Aosta- Ranzola Line au Sud, Rhône Line au Nord et Simplon Fault Zone à l'Est), alors que les structures non- minéralisées montrent des orientations plus variables. Ainsi, le premier type de structure est interprété comme résultant d'une dislocation tectonique alors que le deuxième type de structure résulterait d'une dislocation gravitaire locale. Il n'est néanmoins pas possible de classer chronologiquement la formation de ces deux types de structure ni d'attribuer un âge relatif aux changements d'orientation des contraintes majeures.La deuxième étude a été effectuée dans la région de la zone de faille du Simplon. Dans cette zone, la composition isotopique des minéraux ayant cristallisé à l'intérieur des fractures tardives permet de distinguer différents types de circulation de fluide. Les valeurs δ180 du quartz de la roche encaissante ainsi que ceux des veines tardives du bloque inférieur de la faille sont comparables. Ces valeurs indiquent un rééquilibrage et un tamponnage isotopique des fluides tardifs au contact de la roche encaissante lors de la fracturation de cette dernière et de la cristallisation des veines tardives. La même situation est observée dans la partie nord du bloque supérieur ainsi que dans sa partie sud. Ceci n'est néanmoins pas le cas pour la partie centrale du bloque supérieur où les valeurs isotopiques des minéraux dans les veines tardives sont approximativement 3 %o plus basses (avec des valeurs extrêmes négatifs), indiquant une contribution d'eau météorique aux fluides circulant dans les veines. Ces données suggèrent qu'une infiltration d'eau météorique a pu avoir lieu dans le bloque supérieur, où la fracturation des roches est plus intensive car le déplacement relatif le long de la faille y fut plus important, et la température maximale du métamorphisme plus basse. La troisième contribution traite de la géo-thermochronologie de la zone de contact entre la klippe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. De petits zircons euhédraux ont été trouvés dans un plan de faille minéralisé (parallèle à la Faille du Rhône, voir première partie de l'étude), riche en hématite et quartz, de la zone d'étude. Les analyses U/Pb donnent des âges radiométriques autour de 270 - 280 Ma aux zircons extraits de la minéralisation ainsi que ceux extraits de la roche encaissante, ce qui correspond à l'âge de la nappe de la Dent Blanche et non celui de la nappe du Tsaté qui est elle-même classiquement interprétée comme une ophiolite Jurassique de l'Océan Liguro-Piémontais. Ces données suggèrent que les zircons contenus dans la veine ont été hérités de la roche encaissante. Les résultats (U-Th)/He indiquent un âge de refroidissement différent pour la roche encaissante (25.5 ± 2.0 Ma) que celui de la minéralisation (17.7 ±1.4 Ma). Le thermomètre isotopique quartz-hématite indique une température d'équilibre, et donc de mise en place de la minéralisation, d'environ 170 °C, température très proche de la température de -180 °C de fermeture du zircon pour le système (U-Th)/He. Ceci suggère que l'âge de refroidissement des zircons de la minéralisation correspond aussi à l'âge de formation de la faille.Thesis abstractFluid circulation in fractured rocks is a common process in geology, and it is generally the consequence of faulting and fracturing during both tectonic compression and extension. This thesis is focused on fluid circulation during late stages of the Alpine exhumation. After a structural analysis of the late brittle deformation of the studied samples, several analytical methods (stable isotope investigations, U/Pb radiometric dating, (U-Th)/He thermochronology) have been applied to understand the interaction of metamorphic and meteoric fluids with one another as well as with the host rock. This thesis is articulated around three study directions. All studies were conducted in the Penninic Zone of the Valais, Switzerland. The first study deals with late, brittle deformation and focuses on the different deformation styles and on the relative age of the different families of fractures. In order to do this, late brittle structures observed in four different domains have been subdivided as a function of the existence (or not) and type of mineralization. Comparisons between mineralized and non-mineralized strike directions for all four domains show that mineralized structures follow the strike orientation of major tectonic movements indicated in the Penninic Zone of the Valais (Aosta-Ranzola Line to the S, Rhône Line to the Ν and Simplon Fault Zone to the E), whereas non-mineralized fractures have a more variable strike orientation. This difference could be interpreted as indicative of tectonic-related faulting (mineralized structures) vs. local, collapse-related faulting (non-mineralized fractures), but it is not strong enough to indicate a relative age of the late brittle structures, and/or a change in the orientation of the strain field in post-Miocene times. The second studied area is focused on the Simplon Fault Zone (SFZ). Stable isotope analyses of minerals filling these late fractures indicate that there are two different fluid circulation systems in the footwall and hanging wall of the SFZ. In the footwall, δ180 values of quartz from both the host rock and the late veins range from +10 %o to +12 %o. This is consistent with buffering of circulating fluids by the host rock during fracturing and vein precipitation. In the hanging wall, δΙ80 values for quartz crystals from the host rock and the late veins are similar in both the northern and southern parts of the detachment that are both affected by the same degree of metamorphism (greenschist to the Ν and amphibolite to the S). This is not the case in the central part of the SFZ, where there is a jump from amphibolite facies in the footwall to greenschist facies in the hanging wall. δ,80 values for quartz from the hanging wall late veins are approximately 3.0 %o lower (down to negative values in some cases) than the values observed in the footwall These data suggest that infiltration of meteoric water may have occurred in the most fractured parts of the hanging wall, where relative displacement on the SFZ was the greatest and the peak temperature lower. In the less fractured footwall the δ180 values reflect a host rock-buffered system.The third study is focused on geo-thermochronology at the contact between the Dent Blanche nappe and the Tsaté nappe where small, euhedral zircons were found in a hematite- and quartz-rich mineralization on a late normal fault plane parallel to the Rhône Line (see first part of the study). U/Pb analysis indicates that the zircons - both in the late mineralization and in the host rock - have absolute radiometric ages clustering around 270 - 280 Ma, which is the accepted age for intrusive rocks from the Austroalpine Dent Blanche units but not for the Tsaté nappe. The latter is classically interpreted as an ophiolitic remnant of the Jurassic Liguro-Piemontais Ocean. U/Pb analyses suggest that zircons in late mineralization are all inherited from the host rock; however, results of (U-Th)/He analyses indicate that cooling ages for the host rocks are different to the cooling ages for the zircons in late mineralization. Indeed, the calculated cooling age for the Arolla gneiss is 25.5 ± 2.0 Ma, whilst the cooling age for the associated mineralized fault plane is 17.7 ±1.4 Ma. Oxygen stable isotope fractionation between quartz and hematite in the same late mineralization corresponds to temperatures of about 170 °C. The proximity of the calculated emplacement temperature for the mineralization and the lower accepted closure temperature for zircon in the (U-Th)/He system (-180 °C) imply that the age of 17.7 ± 1.4 Ma can also be interpreted as the formation age of this late brittle fault.Résumé grand publicLa circulation des fluides dans les roches fracturées est typique de nombreux processus géologiques, et très souvent est la conséquence de la fracturation des roches. Cette thèse aborde la question de la circulation des fluides pendant les dernières phases du soulèvement des Alpes. Après une analyse structurale de la fracturation directement sur le terrain, plusieurs méthodes géochimiques ont été appliquées pour comprendre l'interaction entre les différents fluides circulants, et avec leur propre roche mère. L'étude, concentrée sur trois directions principales, a été conduite dans la zone Pennique du Valais suisse. La première partie traite de la déformation cassante dans le secteur cité. L'analyse détaillée des fractures a permis de les subdiviser en structures minéralisées et non-minéralisées, sur quatre domaines différents. La comparaison entre les directions des structures minéralisées et non-minéralisées a permis de montrer que les premières suivent l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région, alors que les structures non- minéralisées ont une orientation plus variable. Cette différence pourrait être interprétée comme indication d'une dislocation tectonique (structures minéralisées) contre une dislocation gravitaire locale (structures non-minéralisées), mais elle n'est pas assez forte pour indiquer un âge relatif des structures tardives et/ou un changement de l'orientation des contraintes après -20 Ma vers le présent.A partir de ces observations, la deuxième étude est concentrée dans la région de la faille du Simplon. Les analyses géochimiques sur les minéraux remplissant les structures tardives indiquent qu'il y a deux différents systèmes de circulation des fluides dans les deux parties (toit et mur) de la faille. Dans le mur, les valeurs isotopiques des minéraux cristallisés à partir d'un fluide tardif sont les mêmes de ceux de la roche mère, donc il y a eu rééquilibration chimique entre fluide et roche pendant la fracturation de cette dernière et la précipitation des minéraux. Dans le toit, les valeurs isotopiques dans la roche mère et dans les minéraux des veines tardives sont comparables dans les parties Ν et S de la faille, où les roches du toit et du mur ont atteint une température maximale - pendant phase prograde de la formation des Alpes - comparable. Au contraire, dans la partie centrale, où le mur a atteint des températures maximales plus élevées par rapport au toit, les valeurs géochimiques des minéralisations tardives du toit sont parfois plus basses que les valeurs observées dans le mur. Ces données suggèrent que l'infiltration de l'eau de surface aurait pu se produire dans la partie plus fracturée du toit, où le déplacement relatif le long de la faille était majeur et les températures maximales mineures. Au contraire, les données géochimiques du mur de la partie centrale indiquent un système isotopique équilibré par la roche mère.La troisième partie de ce travail se base sur l'étude géochimique intégrée des isotopes stables d'Oxygène et radioactifs du Plomb, Uranium, Thorium et Hélium, auprès d'une faille normale minéralisée et des roches de la région à cheval entre deux nappes, la nappe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. Ici, des petits zircons ont été trouvés dans la minéralisation citée, riche en hématite et quartz. L'analyse radiométrique Uranium/Plomb a montré que les zircons dans la minéralisation et dans les roches autour ont des âges comparables (autour 280 Ma). Cela signifie que les zircons dans la minéralisation tardive ont été hérités de la roche mère pendant la fracturation et la circulation des fluides tardives. De l'autre coté, les résultats des analyses Uranium-Thorium/Hélium indiquent que les âges de refroidissement pour les roches mères sont différents comparés aux âges de refroidissement pour les zircons dans la minéralisation tardive: ces derniers sont plus jeunes d'environ 8 Ma (autour 25 Ma et autour 17 Ma respectivement). Les analyses des isotopes de l'oxygène sur quartz et hématite dans la même minéralisation donnent une température de mise en place de cette dernière d'environ 170° C. La température de fermeture du système chimique des zircons dans le système (Uranium-Thorium)/Hélium est d'environ 180 °C: la proximité de ces deux températures implique que l'âge de refroidissement de la minéralisation tardive peut également être interprété comme âge de formation de la faille.

Finite element modeling of fluid-rock interaction problems in pore-fluid saturated hydrothermal/sedimentary basins

In order to use the finite element method for solving fluid-rock interaction problems in pore-fluid saturated hydrothermal/sedimentary basins effectively and efficiently, we have presented, in this paper, the new concept and numerical algorithms to deal with the fundamental issues associated with the fluid-rock interaction problems. These fundamental issues are often overlooked by some purely numerical modelers. (1) Since the fluid-rock interaction problem involves heterogeneous chemical reactions between reactive aqueous chemical species in the pore-fluid and solid minerals in the rock masses, it is necessary to develop the new concept of the generalized concentration of a solid mineral, so that two types of reactive mass transport equations, namely, the conventional mass transport equation for the aqueous chemical species in the pore-fluid and the degenerated mass transport equation for the solid minerals in the rock mass, can be solved simultaneously in computation. (2) Since the reaction area between the pore-fluid and mineral surfaces is basically a function of the generalized concentration of the solid mineral, there is a definite need to appropriately consider the dependence of the dissolution rate of a dissolving mineral on its generalized concentration in the numerical analysis. (3) Considering the direct consequence of the porosity evolution with time in the transient analysis of fluid-rock interaction problems; we have proposed the term splitting algorithm and the concept of the equivalent source/sink terms in mass transport equations so that the problem of variable mesh Peclet number and Courant number has been successfully converted into the problem of constant mesh Peclet and Courant numbers. The numerical results from an application example have demonstrated the usefulness of the proposed concepts and the robustness of the proposed numerical algorithms in dealing with fluid-rock interaction problems in pore-fluid saturated hydrothermal/sedimentary basins. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

A laboratory study of the transfer of U-234 and U-238 during water-rock interactions in the Carnmenellis granite (Cornwall, England) and implications for the interpretation of field data

Laboratory time-scale experiments were conducted on gravels from the Carnmenellis granite, Cornwall, England, with the purpose of evaluating the release of natural uranium isotopes to the water phase. The implications of these results for the production of enhanced U-234/U-238 activity ratios in Cornish groundwaters are discussed. It is suggested that the U-234/U-238 lab data can be used to interpret activity ratios from Cornwall, even when the observed inverse relationship between dissolved U and U-234/U-238 in leachates/etchates is taken into account. (C) 2001 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Dissolved radioelements in (oil) water wells in Parana basin, Brazil

This paper describes the results of a study on groundwaters from Tubarao Group at the Parana sedimentary basin, São Paulo State, Brazil. The purpose of this study was to integrate chemical and U-isotopes data in order to evaluate the models for quantifying different relative volumes of mixing waters in a resultant water. Despite it was possible to generate a typical triangle involving U-238 and its daughter U-234, the U-isotopes model failed to interpret the major hydrochemical facies observed in the studied localities.

Dating brittle tectonic movements with cleft monazite: Fluid-rock interaction and formation of REE minerals

[1] Two millimeter-sized hydrothermal monazites from an open fissure (cleft) that developed late during a dextral transpressional deformation event in the Aar Massif, Switzerland, have been investigated using electron microprobe and ion probe. The monazites are characterized by high Th/U ratios typical of other hydrothermal monazites. Deformation events in the area have been subdivided into three phases: (D1) main thrusting including formation of a new schistosity, (D2) dextral transpression, and (D3) local crenulation including development of a new schistosity. The two younger deformational structures are related to a subvertically oriented intermediate stress axis, which is characteristic for strike slip deformation. The inferred stress environment is consistent with observed kinematics and the opening of such clefts. Therefore, the investigated monazite-bearing cleft formed at the end of D2 and/or D3, and during dextral movements along NNW dipping planes. Interaction of cleft-filling hydrothermal fluid with wall rock results in rare earth element (REE) mineral formation and alteration of the wall rock. The main newly formed REE minerals are Y-Si, Y-Nb-Ti minerals, and monazite. Despite these mineralogical changes, the bulk chemistry of the system remains constant and thus these mineralogical changes require redistribution of elements via a fluid over short distances (centimeter). Low-grade alteration enables local redistribution of REE, related to the stability of the accessory phases. This allows high precision isotope dating of cleft monazite. 232Th/208Pb ages are not affected by excess Pb and yield growth domain ages between 8.03 ± 0.22 and 6.25 ± 0.60 Ma. Monazite crystallization in brittle structures is coeval or younger than 8 Ma zircon fission track data and hence occurred below 280°C.

Water chemistry at Hontomín-Huermeces (Burgos, Spain): insights for a pre-, intra- and post-CO2 injection geochemical monitoring.

In this study, the very first geochemical and isotopic data related to surface and spring waters and dissolved gases in the area of Hontomín-Huermeces (Burgos, Spain) are presented and discussed. Hontomín-Huermeces was selected as a pilot site for the injection of pure (>99 %) CO2. Injection and monitoring wells are planned to be drilled close to 6 oil wells completed in the 1980’s. Stratigraphical logs indicate the presence of a confined saline aquifer at the depth of about 1,500 m into which less than 100,000 tons of liquid CO2 will be injected, possibly starting in 2013. The chemical and isotopic features of the spring waters suggest the occurrence of a shallow aquifer having a Ca2+(Mg2+)-HCO3- composition, relatively low salinity (Total Dissolved Solids _800 mg/L) and a meteoric isotopic signature. Some spring waters close to the oil wells are characterized by relatively high concentrations of NO3- (up to 123 mg/L), unequivocally indicating anthropogenic contamination that adds to the main water-rock interaction processes. The latter can be referred to Ca-Mg-carbonate and, at a minor extent, Al-silicate dissolution, being the outcropping sedimentary rocks characterized by Palaeozoic to Quaternary rocks. Anomalous concentrations of Cl-, SO42-, As, B and Ba were measured in two springs discharging a few hundreds meters from the oil wells and in the Rio Ubierna, possibly indicative of mixing processes, although at very low extent, between deep and shallow aquifers. Gases dissolved in spring waters show relatively high concentrations of atmospheric species, such as N2, O2 and Ar, and isotopically negative CO2 (<-17.7 h V-PDB), likely related to a biogenic source, possibly masking any contribution related to a deep source. The geochemical and isotopic data of this study are of particular importance when a monitoring program will be established to verify whether CO2 leakages, induced by the injection of this greenhouse gas, may affect the quality of the waters of the shallow Hontomín-Huermeces hydrological circuit. In this respect, carbonate chemistry, the isotopic carbon of dissolved CO2 and TDIC (Total Dissolved Inorganic Carbon) and selected trace elements can be considered as useful parameters to trace the migration of the injected CO2 into near-surface environments.

Agricultural land use water quality interaction : problem abatement, project monitoring, and monitoring strategies /

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