Assessment of Acid Mining Drainage (AMD) Formation in the Ore Stock and Waste Dam Reservoir Areas: An example of Gümüşhane

Abstract

The mining activities, one of the most important uses of natural resources, which causes environmental degradation and different effects depending on the mining operation type and size. At the beginning of these effects is acid mine drainage (AMD), which creates serious ecological risks on the environment both during operation and years after the mine is closed. AMD describes the formation of acid when sulphide-bearing (especially pyrite, pyrrhotite and chalcopyrite) mine wastes are exposed to oxidising conditions, typically in the presence of air (oxygen) and water, due to groundwater, rain and run-off. In this study, processes have been carried out to determine the occurrence of AMD in the ore stock and waste storage areas of the Gümüştaş Mining. The potential of AMD development and measures to be taken have been determined in case of possible occurrence of AMD. The mine operation area was located on the Eocene aged Alibaba Formation, which consists of andesite, basalt, and pyroclastics. The pH values in all samples indicate that they are class I. continental water resources quality and also the paste pH and sulphide (S^-2) values suggest that there is no AMD potential in the mine operation area. This is supported by low mobility of major and trace element contents. In all samples, Net Neutralization Potential (NNP) and (Neutralization Potential Ratio) NPR values higher than 20 kgCaCO₃/tone and 2 respectively, this indicate that the acid mining drainage don't formation in the area. Besides, AMD is not likely to occur in a short-term period according to very low S^-2 values. In addition, compacted clay (50 cm thick) was laid in order to make impermeable in the stock area, and the resulting vertical profile was modeled in the finite element network system and water discharges determined. Consequently, all studies in the mining operation area show that the acid mining drainage formation was not expected in a short time period. However, in the area, environmental pollution caused by possible AMD for a long time will be prevented by measures to be taken.

Keywords

• Acid Mining Drainage (AMD),Ecological Risks,Environmental Pollution,Gümüşhane,Numerical Analysis

Atık Barajı Rezervuarı ve Cevher Stok Alanlarında Asit Maden Drenajı (AMD) Oluşumunun Değerlendirilmesi: Gümüşhane Örneği

Abstract

Doğal kaynakların kullanımı ile ilgili işlemlerin başında gelen madencilik faaliyetleri, işletmenin türüne ve büyüklüğüne bağlı olarak farklı boyutlarda gelişen çevresel etkilere ve bozulmalara neden olmaktadır. Bu etkilerin başında, madencilik faaliyetleri sırasında ve sonrasında ciddi ekolojik riskler oluşturan Asit Maden Drenajı (AMD) gelmektedir. AMD, sülfür içeren (özellikle pirit, pirotin ve kalkopirit) cevher atıkların, tipik olarak hava (oksijen) ve su içeren ortamlarda, yeraltı suyu, yağmur ve akıntı nedeniyle oksitleyici koşullara maruz kalması sonucu meydana gelen asit oluşumunu ifade etmektedir. Bu çalışmada, Gümüştaş Madenciliğe ait işletme sahası, cevher stok ve atık depolama alanlarında AMD oluşumunu belirlemeye yönelik işlemler yapılmış ve AMD gelişme potansiyeli ile muhtemel AMD gelişmesi durumunda alınacak tedbirler ortaya konmuştur. Maden işletme alanı, Eosen yaşlı andezit ve bazalt ile bu kayaçların piroklastitlerinden oluşan Alibaba Formasyonu içerisinde yer almaktadır. Yapılan çalışmalarda pH değerleri tüm örneklerin I. sınıf kıta içi kaynak suyu özelliğinde olduğunu, macun pH ve sülfid (S^-2) değerleri ise maden işletme sahasında AMD potansiyelinin bulunmadığına işaret etmektedir. Ana ve iz elementlerin düşük mobiliteye sahip olması ise bu durumu destekler niteliktedir. Tüm örneklerde Net Nötralizasyon Potansiyeli (NNP) değerlerinin 20 kg CaCO₃/ton’dan ve Nötralizasyon Potansiyel Oranı (NPO) değerlerinin 2’den büyük olması da potansiyel asit üretmeyen karakterde olduğunu göstermektedir. S^-2 değerlerinin çok düşük olması, söz konusu alanda kısa dönem içerisinde asit kaya drenajı potansiyeli gerçekleşmeyeceğini işaret etmektedir. Buna ek olarak, stok sahasını geçirimsiz hale getirmek için 50 cm kalınlığında geçirimsiz kil serilerek sıkıştırılmış, oluşan düşey profil sonlu eleman ağ sisteminde modellenerek su deşarjları belirlenmiştir. Yapılan tüm çalışmalar neticesinde maden işletme sahasında kısa sürede AMD oluşumu beklenmediği sonucuna varılmıştır. Ancak, maden işletme alanında, uzun sürelerde muhtemel AMD oluşumundan kaynaklanacak çevre kirliliği, yapılan çalışma kapsamında alınacak tedbirlerle önlenmiş olacaktır.

Keywords

• Asit Maden Drenajı (AMD),Ekolojik Riskler,Çevre Kirliliği,Gümüşhane,Sayısal Analiz

References

1. Akaryalı E., (2010), Arzular (Gümüşhane KD-Türkiye) Altın Yatağının Jeolojik, Mineralojik, Jeokimyasal ve Kökensel İncelenmesi, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon.
2. Akaryalı E., (2016), Geochemical, fluid inclusion and isotopic (O, H and S) constraints on the origin of Pb–Zn ± Au vein-type mineralizations in the Eastern Pontides Orogenic Belt (NE Turkey), Ore Geology Reviews, 74, 1-14.
3. Akaryalı E., Tüysüz N., (2013), The genesis of the slab window-related Arzular lowsulfidation epithermal gold mineralization (Eastern Pontides, NE Turkey), Geoscience Frontiers, 4, 409-421.
4. Akaryali E., Akbulut K., (2016), Constraints of C–O–S isotope compositions and the origin of the Ünlüpınar volcanic-hosted epithermal Pb–Zn±Au deposit, Gümüşhane, NE Turkey, Journal of Asian Earth Sciences, 117, 119-134.
5. Akçil A., Koldaş S., (2006), Acid Mine Drainage (AMD): Causes, Treatment and Case Studies, Journal of Cleaner Production, 14(12-13), 1139-1145.
6. Alemdag S., (2015), Assessment of bearing capacity and permeability of foundation rocks at the Gumustas waste dam site, (Turkey) using empirical and numerical analysis, Arabian Journal of Geosciences, 8, 1099-1110.
7. Alemdag S., Akgun A., Kaya A., Gokceoglu C., (2014), A large and rapid planar failure: causes, mechanism and consequences (Mordut, Gumushane, Turkey), Arabian Journal of Geosciences,7(3), 205-1221.
8. Alemdağ S., Cinoğlu A., Gacener E., (2017), The importance of amount of settlement in determining the bearing capacity of soils, Bulletin of The Mineral Research and Exploration, 154, 169-180.

9. Alemdag S., Gurocak Z., Solanki P., Zaman M., (2008), Estimation of bearing capacity of basalts at Atasu dam site, Turkey, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 67, 1, 79-85.
10. Alemdag S., Kaya A., Karadag M., Gurocak Z., Bulut F., (2015), Utilization of the limit equilibrium and finite element methods for the stability analysis of the slope debris: an example of the Kalebaşı district (NE Turkey), Journal of African Earth Sciences, 106, 134–146.
11. Anıl M., (2014), Parajenezlerinde Sülfürlü Mineraller İçeren Maden Yataklarında Oluşabilecek Asit Kaya (Maden) Drenajlarının Çevresel Etkileri, Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 29(1), 1-26.
12. Arslan M., Aliyazıcıoğlu İ., (2001), Geochemical and Petrological Characteristics of the Kale (Gümüshane) volcanic rocks: Implications for the Eocene evolution of Eastern Pontide arc volcanism, Northeast Turkey, International Geology Review, 43, 595-610.
13. Arslan M., Şen C., Aliyazıcıoğlu İ., Kaygusuz A., Aslan Z., (2000), Comparative geology, mineralogy and petrology of Eocene (?) volcanics in Trabzon and Gümüşhane areas (NE, Turkey), Earth Science and Mining Conference, Journal of Conference Book 1, 39-53.
14. Arslan M., Tüysüz N., Korkmaz S., Kurt H., (1997), Geochemistry and Petrogenesis of the Eastern Pontide Volcanic Rocks, Northeast Turkey, Chemie der Erde Geochem., 57, 157-187.
15. Aslan Z., (2010), U–Pb zircon SHRIMP age, geochemical and petrographical characteristics of tuffs within calc-alkaline Eocene volcanics around Gümüșhane (NE Turkey), Eastern Pontides, Neues Jahrbuch für Mineralogie – Abhandlungen, 187/3, 329–346.
16. ASTM D 422-63, (2003), Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils, In:Annual Book of ASTM Standards, Volume 04.08, Philadelphia, PA, pp. 93-99.
17. ASTM D 4318-00, (2003), Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils. In: Annual Book of ASTM Standards, American Society For Testing and Materials, West Conshohocken, PA, vol. 04.08, pp. 582–595.
18. ASTM Standard D5856, (2007), Standard Test Method for Measurement of Hydraulic Conductivity of Porous Material Using a Rigid-Wall, Compaction-Mold Permeameter. ASTM International. West Conshohocken, PA.
19. Balcı N., Thomas D.B., Wayne C.S., Mikael M., Kevin W.M., (2006), Iron Isotope Fractionation During Microbially Stimulated Fe(II) Oxidation and Fe(III) Precipitation. Geochimica et Cosmochimica Acta, 3, 622-629.
20. Balcı N., Wayne C.S., Bernhard M., Kevin W.M., (2012), Oxygen and Sulphur Isotope Systematics of Sulfate Produced During Abiotic and Bacterial Oxidation of Sphalerite and Elemental Sulphur, Geochimica et Cosmochimica Acta, 77, 335-351.
21. BCAMDTF, (1989), Draft Acid Rock Drainage Technical Guide - Volume 1, Prepared by Steffen Robertson and Kirsten (SRK), British Columbia Acid Mine Drainage Task Force Vancouver, BC.
22. Bostanci H.T., Alemdag S., Gurocak Z., Gokceoglu C., (2018), Combination of discontinuity characteristics and GIS for regional assessment of natural rock slopes in a mountainous area (NE Turkey), CATENA, 165, 487-502.
23. Çiftçi H., Akçıl A., (2006), Asidik Maden Drenajının (AMD) Giderilmesinde Uygulanan Biyolojik Yöntemler, Madencilik, 45(1), 35-45.
24. Delibalta M.S., Uzal N., Lermi A., (2016), Ilgın Linyit İşletmeleri Göletlerinde Asit Maden Drenajı ve Rehabilitasyonu, Niğde Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 5, 1, 73-82.
25. Demir Y., (2005), Istala ve Köstere (Zigana/Gümüşhane) Cu-Pb-Zn Madenleri ve Yan Kayaçlarının Mineralojisi ve Dokusal Özelliklerinin Karşılaştırılmalı İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon.
26. Demir Y., Uysal İ., Sadıklar M.B., (2013), Mineral Chemical Investigation on Sulfide Mineralization of the Istala Deposit, Gümüşhane, NE-Turkey, Ore Geology Reviews, 53, 306-317.
27. Demir Y., Uysal İ., Sadiklar M.B., Sipahi F., (2008), Mineralogy, Mineral Chemistry, and Fluid Inclusion Investigation of Köstere Hydrothermal Vein-Type Deposit (Gümüşhane, NE-Turkey), Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen, 185, 2, 215-232.
28. EPA, (1994a), Innovative Methods of Managing Environmental Releases at Mine Sites, USEPA, Office of Solid Waste, Special Wastes Branch (Washington DC), April, OSW Doc. 530-R-94-012.
29. EPA, (1994b), Acid Mine Drainage Prediction, USEPA, Office of Solid Waste, Special Wastes Branch (Washington DC), December, EPA 530-R-94-036.
30. Eyuboğlu Y., Santosh M., Dudas O.F., Akaryalı E., Chung S.L., Akdağ K., Bektaş O., (2013), The nature of transition from adakitic to non-adakitic magmatism in a slab window setting: A synthesis from the Eastern Pontides, NE Turkey, Geoscience Frontiers, 4, 353-375.
31. Gücer M.A., Aydınçakır E., Yücel C., Akaryalı, E., (2017), Tersiyer Yaşlı Altınpınar Hornblendli Andezitlerinin (Torul-Gümüşhane) Petrografisi, Mineral Kimyası ve P-T Kristalleşme Koşulları, Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 7(2), 236-267.
32. Gurocak Z., (2011), Analyses of stability and support design for a diversion tunnel at the Kapikaya dam site, Turkey, Bull Eng Geol Environ, 70(1), 41–52.
33. Gurocak Z., Alemdag S., (2012), Assessment of permeability and injection depth at the Atasu dam site (Turkey) based on experimental and numerical analyses, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 71, 221-229.
34. Gurocak Z., Alemdag S., Bostanci H.T., Gokceoglu C., (2017), Discontinuity controlled slope failure zoning for a granitoid complex: A fuzzy approach, Rock Mechanics and Engineering, Volume 5: Surface and Underground Projects, CRC Press Taylor & Francis Group, eBook ISBN: 978-1-317-48188-1, ss.1–25.
35. Gurocak Z., Alemdag S., Zaman M., (2008), Rock slope stability and excavatability assessment of rocks at the Kapikaya Dam site, Eastern Turkey, Engineering Geology, 96(1-2), 17-27.
36. Güven İ.H., (1993), Doğu Karadeniz Bölgesi’nin 1/25.000 ölçekli jeolojisi ve komplikasyonu, MTA (Ankara), (yayınlanmamış).
37. Kanık M., (2009), Ayvalı (Olur-Erzurum) Baraj Yerindeki Andezitlerin Jeoteknik Özelliklerinin Araştırılması, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon.
38. Kanik M., Gurocak Z., Alemdag S., (2015), A comparison of support systems obtained from the RMR89 and RMR14 by numerical analyses: Macka Tunnel project, NE Turkey, Journal of African Earth Sciences, 109, 224–238.
39. Kanik M., Gurocak Z., (2018), Importance of numerical analyses for determining support systems in tunneling: A comparative study from the trabzon-gumushane tunnel, Turkey, Journal of African Earth Sciences, 143, 253-265.
40. Karadeniz M., (2005), Asit Maden (Kaya) Drenajında Aktif ve Pasif Çözüm Yöntemleri, Madencilik ve Çevre Sempozyumu, Bildiriler kitabı, ss.91-97.
41. Karadeniz M., (2008), Asit maden drenajı ve çözümü, TMMOB Maden Mühendisleri Odası Yayını, Oda Yayın No: 146, 231.
42. Karadeniz M., (2011), Balıkesir-Balya Kurşun Çinko Madeni Flotasyon Atıklarının Asit Maden Drenajı Oluşum Potansiyelinin Derinlikle Değişiminin Araştırılması, Doktora Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Ankara.
43. Karakaş G., Brookland I., Boehrer B., (2003), Physical Characterisitic of Acid Mining Lake, Aquatic Science, 65, 297-307.
44. Karapınar N., Kalyoncu Ergüler G., (2012), Asit/Nötralizasyon Potansiyelinin Belirlenmesi ve Asit Maden Drenajı (AMD) Kimyasının Tahmin Edilmesinde MTA Genel Müdürlüğü İmkanları, 65.Türkiye Jeoloji Kurultayı, Bildiri Özleri, ss.128-129.
45. Kaya A., (2017), Geotechnical assessment of a slope stability problem in the Citlakkale residential area (Giresun, NE Turkey), Bull Eng. Geol. Environ, 76, 875–889.
46. Kaya A., Alemdağ S., Dağ S., Gürocak Z., (2016), Stability assessment of high-steep cut slope debris on a landslide (Gumushane, NE Turkey), Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 75(1), 89-99.
47. Kaya A., Bulut F., Alemdağ S., Sayın A., (2011), Analysis of Support Requirements for a Tunnel Portal in Weak Rock: A Case Study in Turkey, Scientific Research and Essays, 6(31), 6566-6583.
48. Lermi A., (2003), Midi (Karamustafa/Gümüşhane, KD Türkiye) Zn-Pb Yatağının Jeolojik, Mineralojik, Jeokimyasal ve Kökensel İncelemesi, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon.
49. Lottermoser B.G., (2010), Mine Wastes: Characterization, Treatment, and Environmental Impacts, 3rd Edition, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg.
50. Lugeon M., (1933), Barrages et Geologie, vol. 1, Librairie de l'Université. F. Rouge & Cie, S.A., Lausanne, 138ss.
51. Maden N., Akaryalı E., (2015), Gamma ray spectrometry for recognition of hydrothermal alteration zones related to a low sulfidation epithermal gold mineralization eastern Pontides NE Türkiye, Journal of Applied Geophysics, 122, 74-85.
52. Mills C., (1995), An AMD/ARD Dedicated Blog Based on The Text of a Presentation Given Mills to British Columbia High School Science Teachers. Seminar; Acid Rock Drainage at the Cordilleran Roundup, Hotel Vancouver, Vancouver, BC.
53. Nonveiller E., (1989), Grouting, Theory and Practice, Elsevier, Amsterdam, 250ss.
54. Özçelik G.A., (2007), Prediction Techniques of Acid Mine Drainage: A Case Study of a New Poly- Metallic Mine Development in Erzincan-Iliç, Turkey, Doktora Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara.
55. RG (Resmi Gazete) 28483 (değişik ibare: RG-15/4/2015-29327) (2012), Yerüstü Su Kalitesi Yönetimi Yönetmeliği, Orman ve Su İşleri Bakanlığın, Ankara.
56. Rocscience, (2007), Phase2 6.0 finite element groundwater seepage, Geomech Software and Res. Rocsci, Toronto.
57. Sipahi F., (2011), Formation of Skarns at Gümüşhane (Northeastern Turkey), Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen, 188, 2, 169-190.
58. Sipahi F., Kaygusuz A., Saydam Eker Ç., Vural A., Akpınar İ., (2018), Late Cretaceous arc igneous activity: the Eğrikar Monzogranite example, International Geology Review, 60, 3, 382-400.
59. Smith K.S., Huyck H.L.O., (1999), An Overview of the Abundance, Relative Mobility, Bioavailability, and Human Toxicity of Metals. In G.S. Plumlee and M.J. Logsdon (Eds.), The Environmental Chemistry of Mineral Deposits, Reviews in Economic Geology, 6A, 29-70.
60. Şahin K., Kaygusuz A., (2016), Mescitli (Torul/Gümüşhane) ve Çevresindeki Eosen Yaşlı Volkanik Kayaçların Petrografik, Jeokimyasal ve Petrolojik Özellikleri, Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 6(2), 89-116.
61. Şanlıyüksel Yücel D., (2013), Asidik Su Kaynaklarının Karakteristikleri, Oluşumunu Sağlayan Faktörler ve Hidrojeokimyasal Özellikleri (Çan-Bayramiç; Biga Yarımadası Örneği), Doktora Tezi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Çanakkale.
62. Şanlıyüksel Yücel D., Baba A., (2013), Türkiye’de Asit Maden Göllerine Çan (Çanakkale) Havzası’ndan Güncel Birkaç Örnek, Mavi Gezegen, 18, 1-6.
63. Tüysüz N., (1995), Lahanos (Espiye-Giresun) Masif Sülfit Yatağına Ait Cevher Mineralleri ve Dokularının Cevher Oluşumu Açısından İncelenmesi, Geosound, 26, 79-92.
64. Tüysüz N., (2000), Geology, Lithogeochemistry and Genesis of the Murgul Massive Sulfide Deposit, NE Turkey, Chemie der Erde, 60, 231-250.
65. Tüysüz N., Özdoğan K., Er M., Yılmaz Z., Ağanoğlu A., (1994), Pontid Adayayında Carlin Tipi Kaletaş (Gümüşhane) Altın Zuhuru, Türkiye Jeoloji Bülteni, 37, 41-46.
66. Van der Merwe D.H., (1964), The prediction of Heave from the Plasticity Index and the Clay Fraction, Transactions of the South African Institution of Civil Engineers, 6, 103-107.
67. Yörükoğlu A., Karadeniz M., (2003), Asit Maden Drenajı Kestirim Yöntemlerinin Karşılaştırılması, Türkiye 18. Uluslararası Madencilik Kongresi ve Sergisi, Antalya, 125-131.