AIR

RAIN

ESTUARINE WATER

SEA WATERRIVER WATER

OCEANIC SEDIMENTSOIL

ESTUARINE SEDIMENTFLUVIAL SEDIMENT

Movement of trace metals in the hydrological cycle (Salomons, Förstner, 1984)

INGEOMINAS - G. Prieto, 1998

VEGETATIONMAN

SUSPENDEDMATTER

INTERSTITIALWATERSEDIMENT

GROUNDWATER

SOIL

BIOTA

SURFACEWATER

TERRESTRIALSTUDIES

AQUATIC STUDIES

Schematic presentation of metal reservoirs and their interaction in aquatic andterrestrial systems (Salomon, Förstner, 1984)

INGEOMINAS - G. Prieto, 1998

•Ions or inorganic/organiccompounds in solution•Exchangeable ions inorganic or inorganicexchange complexes (e.g. Humic mayerialsand clay perticles)•Complexes or chelateswith organic materials

•Precipitated insolublecompounds andcoprecipitated on solids

•Incorporated in solidbiological materials

•Incorporated in thecrystalline structuresof primary and/orsecondary minerals

Pasive/active bondingto the cell walls/surfaces, translocationinside cell/body

Ingestion as “food”,passage throughoutdigestive system,adsorption andincorporation intotissues/organs

Easily available

Avalaible

Less available

Available onlyaltered chemicalconditions

Available onlyafter decomposition

Available onlyafter weathering

Metal pool Aquatic organismsExcretion of metal formsboth in the liquidand solid forms

Excretion of complexantsLeaching and decay

Feed-back mechanisms

Availability of metal forms for biological uptake (Solomons, Förstner, 1984) (After Baudo 1982, reproduced with permission of the Author)

INGEOMINAS - G. Prieto, 1998

Factors Influencing the Toxicity of Heavy Metals in Solution (Bryan, 1976)

Form of metal in water

Inorganic organic

soluble

particulate

Ion

complex ion chelate ion molecule

Colloidal precipitated adsorbed

Presence of other metals or poisons

Joint action no interaction antagonism

More-than-additiveadditiveless-than-additive

Factors influencing physiology of organisms and possibly form of metal in water

Temperature pH

dissolved oxygen light salinity

Condition of organism

Behavioral response

Stage in life history (egg, larva, etc.)changes in life cycle (e.g. Moulting reproduction)age and size sexstarvation activityadditional protection (e.g. shell)adaptation to metals

Altered behavior

INGEOMINAS, G.Prieto, 1998

Minerals of natural rock debris e.g. heavy minerals

Heavy metal• hydroxides• carbonates • sulfides

Hydroxides and oxides of Fe/Mn

Bitumen, lipids Humic substances Residual organics

Calcium carbonate

Metal bonding predominantly in inert positions

Precipitation as a result of exceeding the solubility product in the area of the water course

Physico-sorption

Chemical sorption (exchange of H+ in fixed positions) Coprecipitation as a result of exceeding solubility product

Physico-sorption

Chemical sorption (exchange of H+ in COOH-, OH- groups) Complexes

Physico-sorption

Pseudomorphosis (dependent on supply and time)

Coprecipitation (incorporation by exceeding the solubility product)

INGEOMINAS, G.Prieto, 1988)

Carrier Substances and Mechanisms of Heavy Metal Bonding (Forstner & Patchineelam,1976)

pH - dependant

pH - dependant

pH - dependant

SorptionSorption Sorption SorptionCoatings

SedimentationResuspension

DEPOSITED SEDIMENTS

Ageing effects, redistribution of trace metals over sedimentary phasesRelease of components to the interstitial waters

IRONMANGANESE

HIGH MOLECUALR WEIGHTORGANICS

INORGANIC LIGANDSLOW MOLECULAR WEIGHT

ORGANIC LIGANDS

METALS n+

METALCOLOID

COMPLEXES

METAL(IN)ORGANICCOMPLEXES

SUSPENDED MATTER(particulate metal speciation)

Summary of major processes and mechanisms in the interactions between

disolved an solid metals species in surface waters (Salomons, Förstner, 1984)

INGEOMINAS - G. Prieto, 1998

AIRincinerationsmeltgingexhaust

OCEAN

TERRESTRIAL SYSTEMS

FRESH WATER

ESTUARIES

land aplication of sewage sludge

fallout

Leaks effluents

dumping

evapotranspiration wind erotion

biota fluxirrigation

leaching erosion

river flow

biota flux

mixing Biota flux

dre

dg

ing

Routes of metals pollutants into the environment (Nisbet and Sarofin in Goldberg 19769)

INGEOMINAS, G. Prieto, 1998

Geochemical EngineeringGeochemical Engineering

Atmosphere

Water

Sediment/Soil

Mineral Ore

Magma/Rock

Atmosphere

Water

Sediment/Soil

Mineral Ore

Magma/Rock

EnvironmentalGeochemistry

MineralExploration

EnvironmentalGeochemistry

MineralExploration

Waste Materials

Products

Production

Raw Materials

Waste Materials

Products

Production

Raw Materials

Geochemistry Applied Technology Geochemistry Economics

Geochemistry Applied Technology Geochemistry Economics

New Developments in Environmental Geochemistry(Salomons, Förstner. Mader, 1995)

INGEOMINAS - G. Prieto, 1998

Trituração Primária

Trituração SecundáriaMoenda

Concentração

Gravimetría

Rejeitos de Moenda Médios Concentrados

Rejeitos Sólidos Separar Bateia Remoenda

Ouro Livre Lavagem com águaEliminação sais

e óxidos

Adição de CaOpH>10.5

Rejeitos Cianetação AlcalinaSólidos 15g NaCN:10K solução

Solução Residual

Recuperação de Au e Ag Precipitação com Zn Processo Merril Crowe

TostaçãoCalcinação

Solução residual RejeitosEsgotada Sólidos

RefinaçãoFundição

DM1Drenagem mineração Zona Alta

pH 3.2T°C 25Cond.µScm-1(ions solução) 5383CN- mgl-1(cianeto total) 0.13COT ppm(CN- y orgânicos) 4.3DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 8.93ST (mat.suspensão) 10648

E1Efluente processo Zona Alta

pH 6.1T°C 25.1Cond.µScm-1(íons solução) 115CN- mgl-1(cianeto total) 1.21COT ppm(CN- y orgânicos) 7.7DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 42.33ST (mat.suspensão) 13405

DM2Drenagem mineração Zona BaixapH 4.4T°C 25.6Cond.µScm-1(ions solução) 2820CN- mgl-1(cianeto total) 0.39COT ppm(CN- y orgânicos) 2.7DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) <0.1ST (mat.suspensão) 3571

E2Efluente processo Zona Baixa

pH 7.2T°C 26.8Cond.µScm-1(íons solução) 2920CN- mgl-1(cianeto total) 3.82COT ppm(CN- y orgânicos) 17.9DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 177.9ST (mat.suspensão) 81010

AGUAS CLARASNatural e antropogênico doméstico

Água apta para consumopH 7.5T°C 21.6Cond.µScm-1(íons solução) 250CN- mgl-1(cianeto total) 0.29COT ppm(CN- y orgânicos) 11.5DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 7.16ST (mat.suspensão) 199Caudal m3s-1 0.0053

CASCABELMineração Zona Alta

Água não apta para consumopH 5.1T°C 23.4Cond.µScm-1(íons solução) 1707CN- mgl-1(cianeto total) 0.29COT ppm(CN- y orgânicos) 2.8DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 33.1ST (mat.suspensão) 9422Caudal m3s-1 0.0253

PANTANOSMineração Zona Baixa

Água não apta para consumopH 6.3T°C 26.6Cond.µScm-1(íons solução) 2505CN- mgl-1(cianeto total) 1.56COT ppm(CN- y orgânicos)DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 22.96ST (mat.suspensão) 39952Caudal m3s-1 0.0300

MARMATOZona mineira Alta e Baixa

Água não apta para consumo humano, vida aquática, agricultura,industria

pH 6.7T°C 24.9Cond.µScm-1(íons solução) 1950CN- mgl-1(cianeto total) 0.33COT ppm(CN- y orgânicos) 2.5DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 54.94ST (mat.suspensão) 26099Caudal m3s-1 0.0796

MARMATOZona mineira Alta e Baixa

Água não apta para consumo humano, vidaaquática, agricultura, industria

pH 6.7T°C 24.9Cond.µScm-1(íons solução) 1950CN- mgl-1(cianeto total) 0.33COT ppm(CN- y orgânicos) 2.5DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 54.94ST (mat.suspensão) 26099Caudal m3s-1 0.0796

ARQUIAZona mineira

Água não apta para consumo

pH 7.5T°C 24.4Cond.µScm-1(íons solução) 152CN- mgl-1(cianeto total) 0.31COT ppm(CN- y orgânicos) 4.1DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 15.2ST (mat.suspensão) 873Caudal m3s-1 0.669

CHIRAPOTOnatural e antrópogênico doméstico

Água apta para consumo

pH 7.9T°C 25.3Cond.µScm-1(íons solução) 221CN- mgl-1(cianeto total) 0.25COT ppm(CN- y orgânicos) 1.6DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) <0.5ST (mat.suspensão) 163Caudal m3s-1 0.0375

RCaMA montante de Marmato

pH 7.2T°C 26.9Cond.µScm-1(íons solução) 196CN- mgl-1(cianeto total) 0.27COT ppm(CN- y orgânicos) 2.5DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 8.32ST (mat.suspensão) 219Caudal m3s-1 605.3

RCdMA jusante de Marmato

pH 3.2T°C 25Cond.µScm-1(iones solução) 5383CN- mgl-1(cianeto total) 0.13COT ppm(CN- y orgânicos) 4.3DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 8.93ST (mat.suspensão) 10648

RCdChi (inverno)A jusante de Chirapotó

pH 3.2T°C 25Cond.µScm-1(íons solução) 5383CN- mgl-1(cianeto total) 0.13COT ppm(CN- y orgânicos) 4.3DQO mg/lO2(CN- y oxidáveis) 8.93ST (mat.suspensão) 10648Caudal m3s-1 641.8

RIO CAUCAÁgua apta para consumo humano, vida aquática, agricultura e industria

DM1Drenagem de mineração Zona Alta

Solução (verão) Zn,Cu,AsSolução (inverno) Zn,Cd,Cu,As,Hg,Pb,AgSedimento (total) Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,Au,HgMóvel (sedimento) Cd,Zn,Ag,Cu,Bi,As,PbMat.suspensão Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,HgMóvel (suspensão) Zn,Ag,Bi,As,Cu,Pb

E1Efluente processo Zona Alta

Solução (verão) Cu,ZnAsSolução (inverno)Sedimento (total) Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Bi,SbAu,HgMóvel (sedimento) Pb,Bi,Cd,Zn,Ag,Cu,AsMat.suspensão Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,Au,HgMóvil (suspensão) Bi,Pb,Ag,Zn,Cd,Cu,As

DM2Drenagem de mineração Zona Baixa

Solução (verão) Zn,Cu,AsSolução (inverno)Sedimento (total) Zn,As,Pb,Cu,Cd,Sb,Ag,Bi,Hg,AuMóvel (sedimento) Ag,Zn,Cd,Cu,Bi,Pb,AsMat.suspensãoMóvel (suspensão)

E2Efluente processo Zona Baixa

Solução (verão) Cu,Zn,Pb,Cd,SbSolução (inverno) Cu,Pb,Zn,Cd,SbSedimento (total) Pb,Zn,As,Cu,Bi,Ag,Cd,Sb,Au,HgMóvel (sedimento) Pb,Zn,Cd,Bi,As,Ag,CuMat.suspensão Zn,As,Pb,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,Au,HgMóvel (suspensão) Bi,Pb,Zn,Cd,Ag,Cu,As

AGUAS CLARASNatural e antropogênico doméstico

Valores base local MarmatoSolução (verão) Zn,Cu,AsSolução (inverno) Zn,Cd,Cu,As,Hg,Pb,AgSedimento (total) Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,Au,HgMóvel (sedimento) Cd,Zn,Ag,Cu,Bi,As,PbMat.suspensão Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,HgMóvel (suspensão) Zn,Ag,Bi,As,Cu,Pb

CASCABELMineração Zona Alta

Mineralização (sulfetos), rejeitos de processo, estéreisSolução (verão) Zn,Cu,AsSolução (inverno) Zn,Cd,Cu,As,Hg,Pb,AgSedimento (total) Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,Au,HgMóvel (sedimento) Cd,Zn,Ag,Cu,Bi,As,PbMat.suspensão Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,HgMóvil (suspensão) Zn,Ag,Bi,As,Cu,Pb

PANTANOSMineração Zona Baixa

Mineralização (sulfetos), rejeitos de processo, estéreisSolução (verão) Zn,Cu,AsSolução (inverno) Zn,Cd,Cu,As,Hg,Pb,AgSedimento (total) Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,Au,HgMóvel (sedimento) Cd,Zn,Ag,Cu,Bi,As,PbMat.suspensão Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,HgMóvel (suspensão) Zn,Ag,Bi,As,Cu,Pb

MARMATOzona mineira Alta e Baixa

Mineralização (sulfetos), rejeitos de processo, estéreis, antrópogênicodoméstico

Solução (verão) Zn,Cu,AsSolução (inverno) Zn,Cd,Cu,As,Hg,Pb,AgSedimento (total) Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,Au,HgMóvel (sedimento) Cd,Zn,Ag,Cu,Bi,As,PbMat.suspensão Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,HgMóvel (suspensão) Zn,Ag,Bi,As,Cu,Pb

MARMATOAltamente enriquecida em metais

Mineralização (sulfetos), rejeitos de processo, estéreis,antropegênico doméstico

Solução (verão) Zn,Cu,AsSolução(inverno) Zn,Cd,Cu,As,Hg,Pb,AgSedimento(total) Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,Au,HgMóvel(sedimento) Cd,Zn,Ag,Cu,Bi,As,PbMat.suspensão Zn,Pb,As,Cu,Cd,Ag,Sb,Bi,HgMóvel(suspensão) Zn,Ag,Bi,As,Cu,Pb

ARQUIAEnriquecida em metais

Mineralização (sulfetos), rejeitos de processo, estéreis,antrópogênico doméstico

Solução (verão) Cu,CdSolução(inverno)Sedimento(total) Zn,As,Pb,Cu,Sb,Cd,Bi,Ag,Au,HgMóvel(sedimento) Ag,Cd,Zn,Cu,Pb,,AsMat.suspensão Zn,As,Pb,Cu,Sb,Cd,Bi,Ag,Hg,AuMóvel(suspensão) Ag,Cd,Zn,Cu,Pb,As

CHIRAPOTOnatural e antropegênico doméstico

Valores base regionalSolução (verão) CuSolução(inverno)Sedimento(total) Zn,Cu,Pb,As,Bi,Sb,Cd,Au,HgMóvel(sedimento) Ag,Cd,Pb,Cu,ZnMat.suspensãoMóvel(suspensão)

RCaMA montante de Marmato

Solução (verão) Zn,Cu,CdSolução(inverno) Pb,Cu,CdSedimento(total) Zn,Cu,Pb,As,Sb,Cd,HgMóvel(sedimento) Cu,ZnMat.suspensãoMóvel(suspensão)

RCdMA jusante de Marmato

Solução (verão) Cu,Cd,SbSolução (inverno) Zn,Pb,Cd,CuSedimento(total) Zn,As,Pb,Cu,Cd,Sb,Ag,Bi,Au,HgMóvel(sedimento) Pb,Zn,Ag,Cu,As,CdMat.suspensãoMóvel(suspensão)

RCaArm (inverno)28.5 Km A jusante de Marmato

Solução (verão)Solução(inverno)Sedimento(total) Zn,Cu,As,Pb,Cd,Bi,Sb,Hg,AuMóvel(sedimento) Pbn,Cu,ZnMat.suspensãoMóvel(suspensão)

RIO CAUCAAntropogênico doméstico, agricultura, industria, estrada, zonas mineiras Não enriquecido em metais

pesados

MARMATO - SedimentHighly enriched in metals

Mineralization (sulfides), tailings, barren rocks,anthropic domestic

Fraction Mobility ElementF1(exchangeables) High Cd,Zn,Bi,PbF2(Carbonates) High Sb,Bi,Pb,Cd,ZnF3(reducibles) Medium Bi,Pb,Zn,Cd,Cu,SbF4(sulfides, organics) Low Zn,Cd,Sb,Bi,Cu,PbF5(residuals) Very low

baixaCu,Cd,Sb,Zn,Pb,Bi

MARMATO –Suspended matterHigh enrichment in metals

Mineralization (sulfides), tailings, barren rock, anthropic domesticFraction Bioavailability ElementF1(exchangeables) Available Cd,Pb,ZnF2(Carbonates) Available Sb,Bi,Cd,Pb,ZnF3(reducibles) Changing chemical conditions Pb,Bi,Zn,Cd,Sb,CuF4(sulfides, organics) Changing chemical conditions Zn,Cd,Cu,PbF5(residuals) Available by metheorization Cu,Sb,Pb,Cd,Bi,Zn

ARQUIAEnriched in metals

Mineralization (sulfides), tailings, barren rock,anthropic domestic

Fraction ElementF1(exchangeables) Cd,Zn,PbF2(Carbonates) Bi,Cd,Sb,ZnF3(reducibles) Zn,Cu,Bi,Pb,CdF4(sulfides, organics) Cd,Zn,Cu,PbF5(residuals) Pb,Sb,Cu,Zn,Cd,Bi

RCaMUpstream Marmato

Fraction ElementF1(exchangeables) Cd,Cu,Pb,ZnF2(Carbonates) Zn,CuF3(reducibles) Pb,Bi,Zn,CuF4(sulfides, organics) Cu,Zn,Cd,PbF5(residuals) Sb,Cd,Cu,Zn,Bi

RCdMDownstream Marmato

Fraction ElementF1(exchangeables) PbF2(Carbonates) Bi,Zn,Cd,SbF3(reducibles) Pb,Zn,Cu,CdF4(sulfides, organics) Zn,Cu,PbF5(residuals) Sb,Cd,Bi,Cu,Zn

RCaArm (winter)28.5 Km downstream Marmato

Fraction ElementF1(exchangeables) PbF2(Carbonates) Bi,Sb,ZnF3(reducibles) Pb,Zn,Cu,BiF4(sulfides, organics) Cu,Zn,PbF5(residuals) Cd,Sb,Cu,Zn,Bi

CAUCA RIVERAntrhopogenic domestic, agriculture, industry, roads, mining zone Not enriched in heavy metals

pesados

RCdMDownstream Marmato

Fraction ElementF1(exchangeables) Cd,PbF2(Carbonates) Bi,Sb,Zn,CdF3(reducibles) Pb,Zn,Cu,Bi,CdF4(sulfides, organics) Zn,Cu,PbF5(residuals) Cd,Sb,Cu,Zn,Bi

AGUAS CLARAS Natural enrichment in metals

Fraction ElementF1(exchangeables) Cd,Zn,Cu,Bi,PbF2(Carbonates) Sb,Bi,Cu,Cd,Zn,PbF3(reducibles) Bi,Pb,Zn,Cu,Cd,SbF4(sulfides, organics) Zn,Cd,Cu,PbF5(residuals) Pb,Cu,Sb,Cd,Zn,Bi

E2 –Suspended matterProcessing effluent - Low zone

Fraction ElementF1(exchangeables) Cd,Bi,Zn,PbF2(Carbonates) Bi,Sb,Cd,Zn,PbF3(reducibles) Pb,Bi,Cu,Zn,Cd,SbF4(sulfides, organics) Zn,Cd,Cu,PbF5(residuals) Cu,Sb,Cd,Pb,Zn,Bi

Mine drenage High and Low MarmatoMain source Mineralization- sulfidesWaters Not suitable for domestic useMetals Solution

Enriched in sedimentsEnriqched in sispended matter

Processing effluents High and Low ZoneMain source Mineralization - sulfidesos

TailingsWaters Not suitable for domestic useMetals Solution

Enriched in sedimentsEnriched in suspended matter

AGUAS CLARASNatural and anthropogenic domestic

Local base values in MarmatoMain source Natural - mineralization –sulfidesWaters Suitable for domestic useMetals Solution

Sediments

CASCABEL - PANTANOSMining High and Low Marmato

Mineralization (sulfides), tailings, barren rocksMain source Mineralization - sulfides

TailingsBarren rock

Waters Not suitable for domestic useMetals Solution

Eniched in sedimentsEnriched in suspended matter

MARMATOHigh and Low Mining zone

Mineralization (sulfides), rwastes (tailings, raw rocks), anthropogenicdomestic

Main source Mineralization- sulfidesTailingsBarren rockDomestic

Waters Not suitable for domestic useMetals Solution

High enrichement en sedimentsAltamente enrriquecidos en mat. suspensión

CAUCA RIVERAporte Anthropogenic

Domestic, Agriculture, industry, roads, mining zonesMetals Waters, sediments, Suspended matter

System NOT enriched in heavy metals

ARQUIAEnriched in metals

Mineralization (sulfides), tailings, barren rocks,anthropogenic domestic

Main source Mineralization - sulfidesTailingsBarren rocks

waters Not suitable for domestic useMetals Solution

Enriched in sedimentsEnriched in suspended matter

CHIRAPOTONatural and anthropogenic domestic

Base regional valuesMain source Natural - mineralization - sulfidesWaters Suitable for domestic useMetals Solution

Sediments