Das Verständnis von Schadstoffen in Bergbauabfällen

Sowohl historische als auch moderne Metallbergbaugebiete enthalten sehr oft erhebliche Mengen an toxischen Schwermetallen und Metalloiden in Abfallmaterial, das nach der Gewinnung und Verarbeitung der abgebauten Erze zurückgeblieben ist. Dieses Abfallmaterial stellt eine der wichtigsten latenten Gefahren für Gewässer, Böden, Artenvielfalt und die Nahrungskette dar. Untersuchungen der meist mikroskopisch kleinen Schwermetall-haltigen Mineralien und von Fällungsreaktionen in Abfallmaterial der Bergbaue geben einen Einblick in komplexe Verwitterungs- prozesse solchen Materials und damit Quellen von Metallkonzentrationen in den Sickerwässern. Das Ziel des Projekts UMWELt - Das Verständnis von Schadstoffen in Bergbauabfällen der Lagerstätten Lojane (AsSbCr) und Alsar (AsSbTlAu), ehemalige jugoslawische Republik Mazedonien, ist eine detaillierte Charakterisierung der Arsen (As), Antimon (Sb), Thallium (Tl) und Chrom (Cr) enthaltenden Phasen (primäre und sekundäre Mineralien) und ihrer Entstehungsprozesse. Die Phasen, welche toxischen Elemente enthalten, sind oft sehr feinkörnig und werden daher mit einer Kombination von ausgewählten mineralogischen Methoden (Röntgenbeugung, Spektroskopie, Elektronenmikroskopie) untersucht. Darüber hinaus werden wir die Verteilung der As-, Sb-, Tl- und Cr-Verunreinigungen in den Bergbauabfällen quantifizieren und die geochemischen Kontrollen des gelösten As, Sb, Tl und Cr im Abfallmaterial definieren. Dies wird durch die Analyse von abgetasteten Porenwässern und durch die Durchführung selektiver Extraktionen auf festen Proben erreicht. Abschließend werden wir die Ergebnisse aus detaillierten mineralogischen Studien, selektiven Extraktionen und Messungen von Porenwässern kombinieren, um die Entwicklung von Porenwässern in den untersuchten Standorten zu modellieren und das Potenzial dieser Standorte zu beurteilen, um die lokalen Umgebungen zu kontaminieren. Der Forschungszweck dieses Projektes liegt an der Schnittmenge von Mineralogie, Geochemie und Umweltchemie. Die Ergebnisse des Projekts können auf alle diese Felder übertragen werden. Wir konzentrieren uns nicht auf die spezifischen örtlichen Gegebenheiten der zwei zu untersuchenden Lagerstätten. Obwohl sie als ausgezeichnete natürliche Laboratorien ausgewählt wurden, ist die zentrale Frage des Projekts das Umweltverhalten der ausgewählten toxischen Elemente (As, Sb, Cr und Tl). Die Ergebnisse dieses Projektes können verwendet werden, um die Entwicklung der Belastung bzw. Kontamination an jedem Standort der Welt vorauszusagen und zu verstehen. Darüber hinaus können die Resultate der Projektarbeiten die Voraussetzungen schaffen für weitere Untersuchungen an ähnlich belasteten Standorten in Bezug auf die Löslichkeit und Mobilität der toxischen Elemente. Damit wird auch das Verständnis über Verwitterungsphasen im Kreislauf dieser toxischen Elemente in der Umwelt verbessert.

Sekundärmineralien sind wirksame Fänger von toxischen Arsen (As), Antimon (Sb) und Thallium (Tl). In den Gebieten kontaminierten durch Bergbau sind diese Elemente sowohl in sauren Minenwässer als auch in karbonatgepufferten Umgebungen reichlich vorhanden. In unserem Projekt "UMWELt" haben wir das Verhalten von As, Sb, Tl und teilweise Chrom (Cr) und Nickel (Ni) während der Verwitterung in Bergwerkshalden, Tailings und dazugehörigen Böden aus zwei stillgelegten Minen in Nordmazedonien (Lojane As-Sb-Cr-Mine und der Allchar As-Sb-Tl-Au-Mine) untersucht. Die Charakterisierung von As-, Sb- und Tl-haltigen Sekundärminerale durch mehrere analytischen Methoden verbessert unser Verständnis von ihrer Rolle bei der Immobilisierung von As, Sb und Tl in Entwässerungssystemen von Säureminen, wodurch ihre Ausbreitung in die Umwelt vorübergehend vermieden wird. Das Hauptergebnis unserer Untersuchungen im Zusammenhang mit dem Bergbauabfallmaterial der Lagerstätte Lojane ist, dass die Verwitterung von primär As- und Sb-haltigen Sulfiden in den Bergbauabfällen und Flotationsrückständen von Lojane unter überwiegend oxidierenden, sauren und zeitweilig feuchten Bedingungen stattfand. Stark saure Bedingungen auf der Oberfläche des Konzentratkörpers beziehen die Auflösung von Arsenolith (As2O3) und Skorodit (FeAsO4H2O) ein, was zu einer Kontamination der Umgebung und einer hohen Mobilität von As führt. Unter den vorhandenen Bedingungen sind die erwiesenen Sekundärminerale keine ultimativen Senken. Insbesondere As und in geringerem Maße Sb und Ni könnten wieder in die Umwelt freigesetzt werden. Die Bergbauabfalldeponien und besonders realgarreiche Abraumhalden sind von größter Bedeutung. Die Schadstoffe werden durch Wind, Oberflächenwasser und Grundwasser verteilt. Auf diesen Wegen verschmutzen sie Trinkwasserquellen, landwirtschaftliche Böden und gelangen in die Nahrungskette von Menschen und anderen Lebewesen. Um eine Schadstoffverteilung durch anthropogene Quellen in Zukunft zu vermeiden, ist ein umfassendes Sanierungskonzept für alle Bergbauhalden von Lojane erforderlich. In der Lagerstätte Allchar im Süden des Landes, haben wir neben der Nachweise der Tl-Speicherung in mehreren bereits bekannten Sekundärphasen den Beweis der Tl-Aufnahme durch mehrere bisher unbekannte Thalliumphasen erbracht (hauptsächlich Tl-Arsenate mit Tl:As-Verhältnissen 2 und 4 sowie Tl -Sb- und Tl-Mn-Oxide). Die neue Phasen wurden in Karbonat-gepufferten (nahezu pH-neutralen) As- und Tl-reichen Technosolen und Abfallhalden gefunden. Da die Behandlung stark As-, Sb- und Tl-kontaminierter Böden vom Charakter der As-, Sb- und Tl-haltigen Phasen abhängt, ist es notwendig, die As-, Sb- und Tl-Retention durch Sekundärminerale vollständig zu charakterisieren, um eine nachhaltige Grundlage für eine erfolgreiche Sanierung und ein besseres Umweltmanagement von As- und Tl-kontaminierten Böden zu schaffen. Diese Ergebnisse weisen auf die Notwendigkeit weiterer Studien zur Tl-Speziation in extrem As-, Sb- und Tl-reichen Umgebungen hin.