title: Mineralogy and geochemistry of the major mining waste dump of the former As-Sb-Cr mine in Lojane, North Macedonia
Creators: name: Uiblein, Stefan Huascar
Publisher: name: :none
Year: 2021

description: Die As-Sb-Cr Mine nahe Lojane, Nordmazedonien war von 1923 bis 1979 in Betrieb. Trotz der hohen Konzentration an toxischen Schadstoffen (As, Sb) und Kontaminanten (Ni, Cr) wurden die Bergbauabfälle ohne Sicherungsmaßnahmen zurückgelassen. Diese Masterarbeit präsentiert die Ergebnisse von den mineralogischen und geochemischen Untersuchungen eines vertikalen Profils (1,50 m Tiefe), welches im Zentrum der größten Abraumhalde aufgenommen wurde. Die absolute chemische Zusammensetzung (Röntgenfluoreszenzanalyse, XRF) entlang des Profils (sechs Proben, Entnahme alle 20 cm) ist relativ konstant für Cr (1.770-2.990 ppm) und Ni (1.720-2.960 ppm). Dagegen sind die Werte von As (10.130-48.520 ppm) und Sb (4.660-12.380 ppm) variabler. Die absoluten Konzentrationen von As, Sb und Ni korrelieren positiv miteinander. Bei Betrachtung der sehr mobilen Fraktionen und der Fraktionen, die an Sekundärmineralen gebunden sind, ist keine gegenseitige Korrelation erkennbar. Die dominanten Minerale sind Quarz, Karbonate (Dolomit, Magnesit), Serpentinminerale (Lizardit) und Schichtsilikate. Die wichtigsten Erzminerale sind Realgar, AsS, Antimonit, Sb2S3, und Mg-reicher Chromit, Fe2+Cr23+O4. Mit geringerer Häufigkeit konnten Greigit, Fe2+Fe23+S4, Pyrit, FeS2, Vaesit, NiS2, Violarit, Ni2+Fe23+S4, und Gersdorffit, NiAsS bestimmt werden. Die pH-Werte der Profilproben sind aufgrund des Puffervermögens der Karbonate neutral (6,5-7,7) und senken das Potential für die Entstehung von sauren Sickerwässen (acid mine drainage). Die Resultate zeigen, dass die Mobilität von Arsen mit dem pH-Wert ansteigt, während bei Antimon und Nickel Gegenteiliges der Fall ist. Die chemischen Extraktionen mit 1 M HCl zeigen, dass 20-90% As, 10-30% Sb, 40-60% Ni und &lt;5% Cr an Sekundärphasen gebunden sind. Die Werte der mobilen Fraktionen sind deutlich geringer (&lt;1,6% Sb, &lt;0,8% As, &lt;0,4% Ni und &lt;0,002% Cr) und bestätigen die hohe Immobilität von Cr. Überraschenderweise ist eine größere Fraktion an Sb im Vergleich zu As sehr mobil. Die PXRD (Pulverröntgendiffraktometrie)-, SEM-EDX (Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie)-Messungen und Raman-Spektroskopie zeigten, dass Gips, mehrere Arsenate, Fe-Oxide, Fe-Oxy-Hydroxide (FOH) und Roméit-Gruppen-Antimonate (RGA) die wichtigsten Sekundärphasen sind. Diese sind meist feinkörnig, eher schlecht kristallisiert und heterogen. Die FOH führen bedeutende Mengen As (bis zu 11 At.%), Sb (bis zu 1,5 At.%) und Ni (bis zu 1,2 At.%). Das wichtigste Arsenat ist Skorodit, FeAsO4∙2H2O, gefolgt von Hörnesit, Mg3(AsO4)2∙8H2O, und Annabergit, Ni3(AsO4)2∙8H2O. Die RGA führen und immobilisieren damit Sb (bis zu 19 At.%) und As (bis zu 7 At.%). Die weder oxidierenden noch reduzierenden Bedingungen in der Abraumhalde limitieren die Sulfidverwitterung. Unter den derzeitigen Bedingungen ist keines der bestätigten Sekundärminerale ein Immobilisator der Schadstoffe oder Kontaminanten. Insbesonders As und in geringerem Ausmaß Sb sowie Ni könnten daher durch Auflösung der Sekundärminerale wieder in die Umwelt freigesetzt werden. Aufgrund der absoluten Konzentrationen, der erhöhten Mobilität und dem Fehlen von stabilen Sekundärmineralen als Immobilisatoren, sind Arsen und Antimon als Schadstoffe in der Region um Lojane zu betrachten. Nickel und Chrom sind wegen ihrer geringeren absoluten Konzentration und Mobilität bei den derzeit vorherrschenden geochemischen Bedingungen „nur“ als Kontaminanten einzustufen. Die Abraumhalde sowie die weiteren Bergbauabfälle vor Ort stellen eine Gefahrenquelle dar. Die Schadstoffe und Kontaminanten werden durch Wind, Oberflächenwässer (Fluss Suva) und Grundwasser transportiert. Auf diesem Wege werden Trinkwasser und Ackerböden verseucht. Anschließend wird auch die Nahrungskette von Mensch und Tier erreicht. Um in der Zukunft weitere Kontamination durch anthropogene Quellen zu vermeiden, wird ein umfassendes Sanierungskonzept der größten Abraumhalde in Lojane benötigt.
description: The As-Sb-Cr mine near Lojane, North Macedonia, operated from 1923 to 1979. Despite a high concentration of toxic pollutants (As, Sb) and contaminants (Ni, Cr), the mine wastes were abandoned without taking any precautions. This master thesis presents the results of the mineralogical and geochemical investigations of a vertical profile (depth 1.50 m) in the center of the major waste dump. Along with the sampled profile (six samples extracted at every 20 cm), the total chemical composition (XRF analyses) is relatively constant for Cr (1,770-2,920 ppm) and Ni (1,720-2,960 ppm). For As (10,130-48,520 ppm) and Sb (4,660-12,380 ppm), the variations are considerably larger. The total concentrations of As, Sb, and Ni show a positive correlation with each other, but not the highly mobile fractions and the fractions bound to secondary minerals. The mineralogy is dominated by quartz, carbonates (dolomite, magnesite), serpentine minerals (lizardite), and layer silicates. The main primary minerals are realgar, AsS, stibnite, Sb2S3, and Mg-rich chromite, Fe2+Cr23+O4. Minor greigite, Fe2+Fe23+S4, pyrite, FeS2, vaesite, NiS2, violarite, Ni2+Fe23+S4, and gersdorffite, NiAsS, have also been confirmed. The pH of mine waste samples is neutral (6.5-7.7) due to the carbonate buffering. Because of that, the acid mine drainage potential in Lojane is low. The results indicate increased mobility of arsenic with increasing pH, while it is the opposite for antimony and nickel. Chemical extractions in 1 M HCl showed that 20-90% of As, 10-30% of Sb, 40-60% of Ni, and &lt;5% of Cr were recovered from secondary phases. Mobile fractions are significantly lower (&lt;1.6% of Sb, &lt;0.8% of As, &lt;0.4% of Ni, and &lt;0.002% of Cr), confirming that Cr is almost immobile. Surprisingly, a larger fraction of Sb is highly mobile compared to As. PXRD-, SEM-EDX-measurements and Raman spectroscopy showed that the most abundant secondary phases are gypsum, various arsenates, Fe-oxides, Fe-oxy-hydroxides (FOH), and roméite-group antimonates (RGA). Most of them are fine-grained, more or less poorly crystalline, and inhomogeneous. The FOH contain significant amounts of As (up to 11 at.%), Sb (up to 1.5 at.%), and Ni (up to 1.2 at.%). The major arsenate is scorodite, FeAsO4∙2H2O, followed by hörnesite, Mg3(AsO4)2∙8H2O, and annabergite, Ni3(AsO4)2∙8H2O. The RGA are sinks of Sb (up to 19 at.%) and As (up to 7 at.%). The sulfide weathering is limited because of the neither oxidizing nor reducing conditions in the waste dump. Under the present conditions, the confirmed secondary minerals are not ultimate sinks. In particular, As and to a lesser extent, Sb and Ni could be re-released into the environment. Because of the total concentration, high mobility, and lack of ultimate sinks, arsenic and antimony are pollutants in Lojane. Nickel and chromium are “only” contaminants due to their lower total concentrations and reduced mobility under the present geochemical conditions. The mining waste dump and the other mine wastes on-site are of the most serious concern. The pollutants and contaminants are distributed by wind, surface water (Suva river), and groundwater. By these pathways, they pollute sources of drinking water, agricultural soils and reach the food chain of humans and other organisms. Hence, a comprehensive remediation concept for the largest mining waste dump of Lojane is required to avoid distributing pollutants by anthropogenic sources in the future.