Presencia De Cromo, Níquel y Manganeso en Las Aguas Subterráneas Del Municipio De Moa (Noreste De Cuba): Discusión Sobre Su Origen

GROUNDWATER AND HUMAN DEVELOPMENT Bocanegra, E - Martínez, D - Massone, H (Eds.) 2002 - ISBN 987-544-063-9

PRESENCIA DE CROMO, NÍQUEL Y MANGANESO EN LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS DEL MUNICIPIO DE MOA (NORESTE DE CUBA): DISCUSIÓN SOBRE SU ORIGEN (1)

Roberto Rodríguez-Pacheco, (1)Lucila Candela, (2)Joaquín Proenza (3)Manuela Hidalgo y (3)Victoria Salvado Departamento de Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica. Universidad Politécnica de Cataluña (2) Departament de Cristal·lografia, Mineralogia i Dipòsits Minerals. Facultat de Geologia. Universitat de Barcelona (3) Departamento de Química Analítica. Facultad de Ciencias. Universidad de Gerona (1)

Abstract. Rock, soil, water and metallurgical waste samples were collected from the Moa area, Cuba, in order to evaluate groundwater composition and origin. The hydrogeology of the area includes two aquifers (ophiolitic rocks and alluvial deposits). All the samples were analysed by inductively coupled argon plasma emission spectrometry (ICP-AES) and ICP-MS. The elevate values obtained for Cr, Ni, Mn and Fe in groundwater in ultramafic rocks can be explained by the existence of ultrabasic rocks and nickeliferous lateritic deposits in which these metals are abundant. The high values of Cr, Ni, Mn, Fe, SO4 and Mg in alluvial aquifers are due to polluted recharge from metallurgical waste in the tailing dam. The hydrochemical behaviour and migration of selected heavy metals (Cr, Ni, Mn and Fe) present in ultramafic rocks, lateritic profiles and the metallurgical waste have been studied with Batch tests. These tests have revealed the potential capacity of ultramafic rocks, the lateric materials and metallurgical waste to transfer Cr, Ni, Mn and Fe to the water. These results are good indicators to identify the two sources of metals: natural and anthropogenic (by metallurgical activities). Keywords: Cuba, heavy metal, groundwater, batch tests, ultramafic rocks. Resumen. Con el objetivo de evaluar la composición química de las aguas subterráneas y su origen en el área de Moa, Cuba, se realizó un muestreo de las rocas, suelos, aguas y residuos. En el área de estudio existen dos acuíferos (rocas ofiolíticas y materiales aluviales). Todas las muestras fueron analizadas por ICPAES and ICP-MS. La elevada concentración de Cr, Ni, Mn y Fe puede explicarse debido a la existencia de las rocas ultramáficas y a los depósitos laterítico en los cuales estos metales son abundantes. Las concentraciones elevadas de Cr, Ni, Mn, Fe, SO4 y Mg en el acuífero aluvial son debidas a la recarga de la presa de residuos mineros. El comportamiento hidroquímico de los metales (Cr, Ni, Mn y Fe) presentes en las rocas ultramáficas, el corte laterítico y los residuos mineros se ha estudiado con los ensayos en Batch. Estos ensayos han revelado la capacidad de las rocas ultramáficas, materiales del corte laterítico y los residuos mineros para lixiviar Cr, Ni, Mn y Fe al agua. Estos resultados constituyen buenos indicadores para diferenciar las dos fuentes que aportan metales al agua: una de origen natural y la otra antropogénica ( actividades minerometalúrgicas). Palabras claves: Cuba, metales pesados, agua subterránea, ensayos batch, rocas ultramáficas.

considerados como una de las mayores reservas del mundo. La explotación de la masa mineral con un contenido medio entre el 1 y 2 % de níquel, se realiza por el método de minería a cielo abierto desde 1963 en el municipio Moa (Figura 1).

INTRODUCCIÓN El área de estudio se ubica en la cuenca hidrográfica del río Moa, al noreste de la Isla de Cuba, en el municipio minero de Moa, provincia de Holguín. El clima de la región es subtropical húmedo, presentando los siguientes valores medios anuales: temperatura de 24,5 oC, humedad relativa del aire igual al 85%, 2.000 mm de precipitación y 1.600 mm de evaporación (INRH, 1986) (Figura 1).

El proceso metalúrgico para la extracción de níquel y cobalto se realiza mediante dos metodologías: 1) lixiviación con carbonato amoniacal, de donde se obtiene óxido de níquel y cobalto y 2) lixiviación con ácido sulfúrico cuyo producto final es sulfuro de níquel y cobalto. Estos procesos generan una gran cantidad de residuos con un ritmo de 5.200 t/día. En la actualidad se han generado unos 80 millones de toneladas de residuos que se encuentran en tres balsas de residuos sobre

La región se caracteriza por una importante industria minera que explota los recursos minerales de la corteza laterítica desarrollada sobre las rocas ultramáficas del complejo ofiolítico de Cuba. Entre ellos sobresalen los yacimientos de Ni y Co,

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las terrazas del río Moa. En este trabajo se presenta la contaminación de las aguas subterráneas de un sector del acuífero aluvial, provocada por una de las tres escombreras correspondiente a los residuos del proceso de lixiviación con ácido sulfúrico y la concentración de los diferentes metales en las rocas ultramáficas.

determinando la concentración de Fe, Cr, Ni y Mn. Las muestras fueron ensayadas por triplicado, así como el uso de patrones y 4 blancos, para corregir posibles errores analíticos, los blancos y patrones sufrieron el mismo tratamiento que las muestras.

El objetivo del trabajo es delimitar las posibles fuentes de aporte de metales al medio hídrico subterráneo, teniendo en cuenta los materiales geológicos que conforman el área y los residuos de las actividades minero-metalúrgicas presentes.

El área de estudio, en sentido general, se caracteriza por la presencia de dos tipos de materiales geológicos: (1) rocas ultramáficas de afinidad ofiolítica, y (2) materiales sedimentarios de la denominada Formación Río Macio.

MARCO GEOLÓGICO

MATERIALES Las muestras de agua de la campaña realizada en noviembre de 1996 (Figura 2) fueron tomadas en los manantiales existentes en las rocas ultramáficas (puntos 15, 22, 25 y del 41 al 48) en la cuenca hidrográfica del Río Moa y pozos situados en el acuífero aluvial (puntos 1 al 17) del mismo río (Figura 2). Conjuntamente con el muestreo de las aguas se tomaron muestras representativas de los diferentes tipos litológicos presentes en la región. Dos muestras de laterita por niveles del corte, en los yacimiento Punta Gorda y Moa. Una muestra por tipo litológico que conforman el complejo ofiolítico (harzburgitas, cromitas, dunitas y gabros). Además, dos muestras de la formación Río Macio y dos muestras de los residuos sólidos y líquidos de las balsa del proceso metalúrgico de lixiviación con ácido sulfúrico.

Figura 1. Mapa geológico (INRH, 1986). Las rocas ultramáficas forman parte del macizo ofiolítico Moa-Baracoa, el cual se ha datado como Jurásico-Cretácico Inferior. Estas rocas ocupan más del 60% de la superficie del área de estudio, y tienen un espesor de hasta 1.000 m. Los tipos litológicos son mayoritariamente harzburgitas (más de 70%) y en menor medida dunitas. Todas ellas presentan un grado variable de serpentinización y en las zonas de cizallas y fracturas, puede llegar a ser mayor al 95% de la roca (típicas serpentinitas). Además, de estos tipos litológicos, se han descrito “peridotitas impregnadas” (con clinopiroxeno y plagioclasa), sills y diques de gabros, así como cuerpos de cromititas podiformes (Proenza et al., 1999a, 1999b).

MÉTODOS El análisis de los elementos mayoritarios en las aguas se realizó de acuerdo con metodologías ampliamente utilizadas (Buurman et al., 1996), la concentración total de metales pesados por ICPAES y espectometría de absorción atómica para los casos en que la concentración es muy inferior a 0,5 mg/L y el Cr(VI) mediante método colorimétrico. El estudio experimental de la transferencia química al medio hídrico se efectuó por medio de tests de lixiviación (batch) a relación de 1:10 de los residuos metalúrgicos y materiales geológicos secos. Las muestras fueron colocadas en contacto con agua Milli-Q, con pH=5.5 similar al agua de lluvia del área de estudio, manteniéndoles en agitación mecánica durante 24 horas a temperatura controlada en el laboratorio (22±2oC). La determinación de las concentraciones se efectuaron por AAS e ICP-AES,

Las harzburgitas presentan mayoritariamente texturas porfiroclásticas, y se componen de olivino (70 a 90%), ortopiroxenos (8 a 20%), cromitas accesorias (1 a 2 %) y clinopiroxenos (hasta un 1% modal). Por su parte, las dunitas presentan principalmente texturas granoblásticas y están

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formada predominantemente por olivino (entre un 96 y un 98 % modal), y menor medida por cromita accesoria (hasta un 3%), y ortopiroxenos (7. Manganeso: la concentración de manganeso en las rocas ultramáficas es del orden del 0,01% en peso, mientras que en los materiales de alteración que forman la corteza laterítica puede llegar al 0,12% en la parte superior del corte (Golightly, 1981). La existencia de manganeso en las aguas subterráneas de las rocas ultramáficas puede tener su origen en el manganeso amorfo presente en el corte laterítico desarrollado sobre las rocas ultramáficas de la región. La presencia de manganeso amorfo en las laterítas de la región de Moa ha sido reportada por diferentes investigadores (Rojas y Orozco, 1994, Almaguer, 1995, Barros et al., 2001).

En el caso de las muestras correspondientes a la corteza laterítica, las dos muestras analizadas liberan contenidos de Cr similares, siendo ligeramente superior en la muestra representativa de la zona limonítica. En la corteza laterítica, las cromitas también presentan un marcado grado de transformación a ferricromita (Friedrich et al., 1987), la cual constituye una fuente importante de liberación de Cr. Adicionalmente, estas muestras lateríticas se caracterizan mineralógicamente por presentar proporciones modales considerables de goethita (en la zona limonítica alcanza valores superiores al 60%), las cuales también potencialmente pueden liberar Cr al medio hidríco.

Hierro: en los materiales geológicos que conforman el medio de los dos acuíferos estudiados el Fe es uno de los elementos mas abundantes y su concentración es variable desde un 9% de Fe2O3 en la roca madre hasta un 77% en los materiales que forman la corteza laterítica (Rojas y Orozco, 1994, Almaguer, 1995). Su origen en acuíferos naturales de rocas ultramáficas esta asociado generalmente a la disolución de los silicatos férricos (Custodio,

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es: un 47% de Fe; 0,48% Mn; 0,08% Ni; 0,011% Co; 4,3% Al; 0,044% Mg; 0,042 Cu; 0,05% Zn; 1,65% Cr. El agua intersticial de los residuos que es la que se infiltra a través de la base de la presa presenta un pH medio de 4,1 con la siguiente concentración en sales disueltas: 4000-4500 mg/L SO4, 120 mg/L de Mn, 220 mg/L Mg, 530 mg/L de Ca, 36 mg/L de Na y 1,67 mg/L de Cr+6.

1983). Aunque en este caso es probable que parte de este hierro (Fe2+) se deba a la oxidación de los pequeñas concentraciones de sulfuros existentes en las rocas ultramáficas. La concentración de Fe detectada en las aguas subterráneas de las rocas ultramáficas es coherente con los resultados de Kudelasek y Zamarsky, (1971), Formell y Oro, (1980). En las aguas que circulan por las rocas ultramáficas de la región de Moa ha sido reportada la presencia de Fe2+ (0.1 mg/l) y Fe3+ (0,15-1,5 mg/l) para pH entre 7,1 y 7,4 (Formell y Oro, 1980).

El hecho de que los metales en el acuífero aluvial se encuentren en solución se debe a la existencia de un medio oxidante que facilita su movilidad y a la baja alcalinidad del medio. En la medida que aumenta la distancia del punto de muestreo a la presa, la contaminación de las aguas disminuye exponencialmente, hasta una distancia de 250 m, a partir de esta distancia la concentración de los metales es bastante uniforme indicativo de la existencia de un fondo natural relativamente alto en el acuífero aluvial (Figura 3).

Fuente antropogénica de Cr, Ni, Mn e Fe. En este caso el aporte antropogénico de los cuatro metales está relacionado con la infiltración de los lixiviados de la presa de residuos, que presentan un pH ácido. La fase sólida está compuesta por diferentes minerales entre los que se encuentran, hematita (69-75%), cromoespinelas (2,1-2,8%), gibbsita (1,4-6%) y yeso (2,5-5,6%). La concentración en peso de los elementos mayoritarios Masa lixiviada (mg/kg)

100.0

Cr

Ni

Mn

Fe

10.0

1.0

0.1 Dunita

Gabro

Harzburgitas

Cromitita

Saprolita

Limonita

Residuo (SAL)

Figura 6. Resultados de los ensayos en batch para los residuos, las rocas y las lateritas de la zona.

los elementos es un aspecto a tener en cuenta pues pequeños aportes de los elementos Cr y Ni debido a la actividad minerometalúrgica, pueden inhabilitar el agua para ser utilizada en el consumo humano.

CONCLUSIONES Considerando los resultados de los análisis de laboratorio, las características del medio geológico, las condiciones climáticas de la región y la de los residuos mineros es posible diferenciar la existencia de dos fuentes de aporte de metales al medio: de origen natural debido a los procesos de meteorización de las rocas ultramáficas que conforman el acuífero del complejo ofiolítico y una fuente antropogénica debido a la recarga de los lixiviados de la presa de residuos.

Como resultado de los ensayos en batch se obtuvo que la mayoría de las muestras de material geológico del territorio y los residuos metalúrgicos presentaban la capacidad de transferir al medio hídrico en presencia de agua diferentes proporciones de sales solubles, entre la que se encuentran proporciones importantes de los metales (Cr, Ni, Mn e Fe).

De acuerdo con la concentración de Cr, Ni, Mn e Fe en las aguas subterráneas de las rocas ultramáficas se puede concluir que el fondo geoquímico de la región es alto y que en el caso del Mn puede en algunos casos encontrarse en el valor limite admisible para agua potable. En el resto de

Conociendo que los procesos de movilidad de los diferentes metales en el medio poroso que conforma el acuífero aluvial son función de: las características de la fuente contaminante, de las propiedades hidrogeoquímicas del medio poroso y del tiempo de permanencia de los contaminantes en este medio, es

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previsible que la contaminación del acuífero aluvial continúe aumentando a lo largo del tiempo, pues las concentraciones de los diferentes contaminantes se incrementan de forma exponencial en la medida que disminuye la distancia del punto de muestreo a la presa de residuos. Esto es debido al incremento del volumen de residuos vertidos a la presa de residuos. Esto provoca un aumento de la recarga, al variar el gradiente de infiltración, mientras que las condiciones climáticas favorecen la infiltración de las aguas meteóricas.

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