Experimental Metalloid Mobilisation from a New Zealand Orogenic Gold Deposit

Abstract

Elevated dissolved antimony (Sb) and arsenic (As) are common environmental issues around orogenic gold mines. The metalloids occur principally in stibnite (Sb₂S₃) and arsenopyrite (FeAsS), and are typically accompanied by pyrite (FeS₂). Samples of arsenopyrite-rich (≈2.5 wt% As) and stibnite-rich (≈10 wt% Sb) ore were collected from the Globe-Progress mine in the Reefton goldfield, New Zealand. Crushed samples (<5 mm particles) were placed in kinetic leach columns and monitored for a year. Leachate was collected and analysed monthly. After 12 months, only a small portion (<1 %) of the total As and Sb had leached from the ore samples. Over the course of each month, the pH of all leachates decreased from ≈7 to ≈3 due to pyrite oxidation. Dissolution of Ca–Fe–Mg carbonates in the host rock was insufficient to neutralize the leachate. Dissolved As concentrations from the arsenopyrite-rich ore sample were initially 16 mg/L, but decreased to ≈2 mg/L over 12 months. Dissolved Sb concentrations from the stibnite-rich ore were >7 mg/L throughout the experimental period, with maxima of 12 mg/L. SEM analysis after 6 months showed secondary arsenolite (As₂O₃) and Ca–Al–Mg sulphates on arsenopyrite-rich ore surfaces, but an absence of secondary minerals, including Sb oxides, on stibnite-rich ore surfaces. These experiments document geochemical and mineralogical processes associated with short-term (days to weeks) water–rock interactions that yield relatively high concentrations of dissolved metalloids (>5 mg/L) where localised (1–10 m) acidification and limited oxidation occur in sulphide-rich rocks.

Zusammenfassung

Erhöhte Antimon- und Arsengehalte im Umfeld von orogenetisch gebildeten Goldlagerstätten sind im Normalfall bekannt. Die Halbmetalle kommen prinzipiell als Stibnit (Sb₂S₃) und Arsenopyrit (FeAsS) vor und sind typischerweise vergesellschaftet mit Pyrit (FeS₂). Für die Experimente wurden Arsenopyrit-reiche (≈2.5 Gew. % As) und Stibnit-reiche (≈10 Gew. % Sb) Erze aus dem Globe-Progress Bergwerk im Reefton Goldbezirk, Neuseeland, verwendet. Gemahlene Proben (Korngröße < 5 mm) wurden in kinetischen Säulenversuchen ein Jahr lang untersucht. Die Lösungsanalytik fand monatlich statt. Nach 12 Monaten war erst ein geringer Anteil (< 1 %) des totalen As- bzw. Sb-Gehalts aus den Erzproben gelöst worden. Bedingt durch die Pyritoxidation sank der pH-Wert der Lösungen im Beobachtungszeitraum von ≈7 auf ≈3. Die Freisetzung von Ca-Fe-Mg-Karbonaten aus dem Ausgangsgestein war nicht ausreichend, um die Lösungen zu neutralisieren. Die anfänglich gelöste As-Konzentration von 16 mg/L aus den pyritreichen Erzproben gingen nach 12 Monaten auf Werte von ≈2 mg/L zurück. Die gelöste Sb-Konzentration der Stibnit-reichen Erzproben betrug > 7 mg/L, mit Maximalkonzentrationen von 12 mg/L. SEM-Analysen nach sechs Monaten zeigt die Bildung von sekundärem Arsenolith (As₂O₃) und von Ca-Al-Mg-Sulfat auf den Arsenopyrit-reichen Erzoberflächen. Auf den Stibnit-reichen Erzoberflächen wurde kein Sekundärmineral (auch kein Sb-Oxid) gefunden. Die Experimente dokumentieren geochemische und mineralogische Prozesse, welche durch kurzfristig wirksame Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen (Tage/Wochen) hohe Austräge von gelösten Halbmetallen (> 5 mg/L) aus lokalen Versauerungsbereichen (1 - 10 m) begrenzen und Oxidationsprozesse in sulfidreichen Gesteinen limitieren.

Resumen

Elevadas disoluciones de antimonio (Sb) y arsénico (As) son problemas ambientales comunes asociados a las minas de oro orogénicas. Los metaloides se encuentran principalmente como estibnita (Sb2S3) y arsenopirita (FeAsS) y están usualmente acompañadas por pirita (FeS2). Muestras de minerales ricas en arsenopirita (≈2,5 % p/p As) y en estibnita (≈10 % p/p Sb) fueron colectadas en la mina Globe-Progress en la región minera Reefton, Nueva Zelanda. Muestras molidas (partículas <5 mm) se colocaron en columnas de lixiviación y fueron monitoreadas por un año. Los lixiviados fueron colectados y analizados mensualmente. Después de 12 meses, sólo una pequeña porción (<1%) del total de As y Sb había sido lixiviado desde las muestras. En el curso de cada mes, el pH de todos los lixiviados decreció desde ≈7 a ≈3 debido a la oxidación de pirita. La disolución de carbonatos de Ca-Fe-Mg fue insuficiente para neutralizar el lixiviado. La concentración de As disuelto desde la muestra rica en arsenopirita fue inicialmente 16 mg/L, pero decreció hasta ≈2 mg/L a los 12 meses. La concentración de Sb disuelto desde la muestra rica en estibnita fue >7 mg/L a lo largo del experimento con un valor máximo de 12 mg/L. El análisis SEM después de seis meses mostró arsenolita (As2O3) y sulfatos de Ca-Al-Mg sobre las superficies ricas en arsenopirita pero una ausencia de minerales secundarios, incluyendo óxidos de Sb, sobre las muestras ricas en estibnita. Estos experimentos documentan los procesos geoquímicos y mineralógicos asociados con las interacciones de corto plazo (días a semanas) entre roca y agua que dan relativamente altas concentraciones de metaloides disueltos (>5 mg/L) donde localizada (1-10 m) acidificación y limitada oxidación ocurren en rocas ricas en sulfuros.

摘要

溶解态锑(Sb)和砷(As)浓度的升高是造山带型金矿附近最常见的水环境问题。准金属主要赋存于辉锑矿(Sb₂S₃)和砷黄铁矿(FeAsS)中,并为黄铁矿(FeS₂)所伴生。富含砷黄铁矿(As的质量分数为2.5%)和辉锑矿(Sb的质量分数为10%)矿石样品取自新西兰雷夫顿金矿带(Reefton goldfield)的Globe-Progres矿。矿石被粉碎后(颗径<5mm)放置于淋滤柱中进行为期一年的动态淋滤实验。每月集取并分析淋滤液一次。在试验12个月之后,仅有一小部分(<1%)的砷(As)和锑(Sb)被淋滤出来。在淋滤过程中,黄铁矿的氧化作用使淋滤液的pH值由7左右降到了3左右。淋滤试验母岩中Ca-Fe-Mg碳酸盐溶液不足以中和淋滤液的酸性。富砷黄铁矿样品淋滤液中砷(As)浓度最初为16mg/L,在12个月后降到约2mg/L。富辉锑矿样品淋滤液的锑(Sb)浓度在实验期间均大于7mg/L,最大浓度曾达12mg/L。淋滤试验六个月之后的电子显微镜扫描(SEM)显示,富砷黄铁矿矿石表面有次生砷华(As₂O₃)和Ca-Al-Mg硫酸盐生成,但富辉锑矿矿石表面却未见锑(Sb)氧化物等次生矿物。实验记录了矿石样品水-岩之间的短期(数日至数周)地球化学和矿物学过程,证明由于富含硫化物岩石表面的局部(1-10m)酸化及氧化作用产生了高浓度的溶解态类金属(>5 mg/L)。