velikost textu

Geochemical model of arsenic at the Mokrsko gold deposit

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Geochemical model of arsenic at the Mokrsko gold deposit
Název v češtině:
Geochemický model arzenu na ložisku zlata Mokrsko
Typ:
Disertační práce
Autor:
doc. Mgr. Petr Drahota, Ph.D.
Školitel:
prof. RNDr. Zdeněk Pertold, CSc.
Oponenti:
doc. Ing. Jiřina Száková, CSc.
doc. RNDr. Josef Zeman, CSc.
Konzultant:
doc. RNDr. Tomáš Pačes, DrSc.
Id práce:
112581
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Ústav geochemie, mineralogie a nerostných zdrojů (31-430)
Program studia:
Geologie (P1201)
Obor studia:
Geologie se zaměřeními (XGEOLV)
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
17. 6. 2008
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
Geochemical model of arsenic at the Mokrsko gold deposit Dissertation of Petr Drahota Abstrakt Tato disertace je příspěvkem k poznání chování As na přirozeně kontaminované lokalitě zlatonosného ložiska Mokrsko ve středních Čechách. Cílem práce bylo doplnit některé chybějící poznatky tak, aby byl získán celkový obraz chování As v systému hornina-podzemní voda-půda-povrchová voda na studované lokalitě. První část disertace shrnuje a stručně zhodnocuje ostatní práce, které se zabývaly problematikou As na této lokalitě. Tyto práce zahrnují (i) studie o rozsahu a míře kontaminace As v horninách a půdách na ložisku a v jeho blízkém okolí, (ii) studie o kontaminaci As v podzemní vodě, (iii) studie o primární mineralogii As v hornině a mineralogické vazbě As v půdách, (iv) studie o chemické vazbě As v půdách a (v) loužící experimenty s rudou. Druhá část disertace popisuje procesy, které vedou k uvolnění As do roztoků a regulují jeho koncentraci v různých oxidačně-redukčních podmínkách. Za tímto účelem byla studována mineralogická a geochemická vazba As v půdách, potočních a rybničních sedimentech a koncentrace anorganických forem As ve vodách na lokalitě Mokrsko. Nejvyšší koncentrace rozpuštěného As byly nalezeny v podzemní vodě (více než 1000 µg L-1), která obvykle reprezentuje přechodnou oxidačně-redukční zónu s termodynamicky nestabilními sulfidy i Fe oxyhydroxidy. Změny redoxního potenciálu v této zóně, které jsou vyvolány oscilací hladiny podzemní vody a/nebo změnami mikrobiální aktivity, způsobují redukční rozpuštění Fe oxyhydroxidů a krystalických arzeničnanů a následné uvolnění As do podzemních vod. V místech s vysokým obsahem organické hmoty a velmi nízkým redoxním potenciálem v okolí ložiska dochází ke srážení Fe(II) sulfidů s adsorbovaným a/nebo spolusraženým As. Koncentrace rozpuštěného As v rovnováze se sulfidy v těchto prostředích nepřesahuje 100 µg L-1. Oxidační prostředí povrchových vod je charakterizováno koncentracemi 300 až 450 µg L-1 As. Hlavním zdrojem rozpuštěného As je zde rozpouštění krystalických arzeničnanů, které jsou vůči prostředí povrchových vod silně nenasyceny. Navržený biogeochemický model As na studovaném ložisku ukazuje na komplexní chování As na rozhraní pevná fáze-roztok v kontaminovaných půdách, které je ovlivňováno řadou biologických a geochemickým procesů. V třetí části disertace byl studován vliv hydrologických a biogeochemických procesů na změny rozpuštěných koncentrací As a jiných prvků (Zn, Pb, Cu, Mo, Sb) v potoční vodě během klimatických změn v roce. Pro tento účel byla využita fyzikálně-chemická data z dvouletého monitoringu na dvou malých povodích, detailní mineralogicko-geochemické charakteristika potočních sedimentů a termodynamické modelování speciace a saturačních indexů. Koncentrace kovů tvořící kationty (Zn, Pb, Cu) se během období zima-jaro zvýšily o 150% až 330% oproti létu a podzimu. Naopak, pH a teplota spolu s koncentracemi prvků tvořící oxyanionty (As, Mo, Sb) vykazovaly synchronní, leč opačné trendy s nejvyššími hodnotami v létě a na podzim. Výsledky studia ukazují, že změny koncentrací As, Mo a Sb jsou způsobeny mikrobiálně řízenými oxidačně-redukčními reakcemi Mn a Fe oxyhydroxidů v potočních sedimentech. Změny koncentrací Zn, Pb a Cu jsou spíše regulovány pH a teplotou řízenými adsorpčními procesy na anorganické materiály, které zejména zahrnují hojné Mn a Fe oxyhydroxidy v potočních 1 Geochemical model of arsenic at the Mokrsko gold deposit Dissertation of Petr Drahota sedimentech obou povodí. Výsledky jednoduchých extrakcí potvrzují významnou vazbu studovaných prvků na redukční frakci se snižujícím pořadí významnosti: As>Cu>Sb>Zn>Mo≈Pb. Čtvrtá část disertace obsahuje hmotnostní bilanci As a rychlosti zvětrávání horniny, které byly odvozeny z ročního monitoringu toků prvků ve dvou malých povodích situovaných ve studovaném rudním revíru. Toky chemického zvětrávání As byly vypočteny z měsíčních odtoků povrchové a podzemní vody, které byly upraveny o hodnoty vstupů z atmosférické depozice, z antropogenních vlivů a o hodnoty výstupů v podobě akumulace prvků v biomase. Vstup As z celkového zvětrávání byl odhadnut na 1369 g ha-1rok-1 v povodí Mokrsko (MW) a 81 g ha-1rok-1 v povodí Čelina (CW). Tyto hodnoty reprezentují více než 95% z celkového vstupu As do půd v celkové bilance As v obou povodích. Rychlosti akumulace As v půdách byly odhadnuty na 311 g ha-1rok-1 v MW a 69 g ha-1rok-1 v CW. Výsledky hmotnostní bilance As v obou povodích ukazují, že zvětrávání může být nejvýznamnějším procesem v kvantitativním biogeochemickém cyklu As v oblastech se zvýšeným obsahem As v hornině. Ačkoli je použitá metoda příliš jednoduchá pro přesné kvantitativní zhodnocení dynamiky As v systému hornina-voda-půda-biomasa, může však úspěšně posloužit v odhadu hmotnostní bilance As v půdě, která je regulovaná přirozenými i antropogenními vstupy a výstupy As. 2
Abstract v angličtině:
Geochemical model of arsenic at the Mokrsko gold deposit Dissertation of Petr Drahota Abstract The dissertation contributes to the As mobility at the naturally contaminated site of Mokrsko gold deposit in Central Czech Republic. The primary goal of the dissertation is to fill some gaps in previous research carried out at the study site in order to contribute to the quantitative biogeochemical model of As in the bedrock-groundwater-soil-surface water system. In the first part, the previous research related to As environmental issues at the study site has been reviewed, discussed and evaluated. These include detail information on (i) the extent of natural As contamination in bedrock and soil, (ii) the extent of As contamination in groundwater, (iii) the primary and secondary As mineralogy in bedrock and soil, (iv) the chemical speciation of As in soil and (v) the leaching experiments of the gold ore. In the second part, the mineralogical and chemical speciation of As in soil, in stream and fishpond sediments and dissolved As concentrations in waters have been studied to determine the processes that lead to release of As into solution and control its concentration under different redox conditions at the Mokrsko gold deposit. The highest dissolved As was found in groundwater (more than 1000 µg L-1), which mostly represents a redox transition zone where both sulphide minerals and Fe oxyhydroxides are not stable. The groundwater level elevation and/or variations of microbial activity are responsible for the variations of redox potential in this zone, which is related to reductive dissolution of host Fe oxyhydroxides and secondary arsenate minerals, followed by release of soluble As. Some shallow subsurface environments with high organic matter around the gold deposit are characterized by very reduced conditions that evidenced formation of Fe(II) sulphides with adsorbed and/or coprecipitated As. Dissolved As concentration at equilibrium with sulphide under the reduced conditions is lower than those in transition zone, and is less than 100 µg L-1. Under oxic conditions, arsenate minerals are undersaturated and release As into the solution which is characterized by As concentration from 300 to 450 µg L-1 in the stream and fishpond waters. A general biogeochemical model of As derived from our field observations and analytical data shows complicated behaviour of As at the solid phase-solution interface in contaminated soils and sediments, affected by a number of biological and geochemical processes. In the third part, monthly monitoring of stream waters for the period of two years was combined with thermodynamic modelling and detailed mineralogical-geochemical observation of stream sediments. Hydrobiogeochemical processes regulating seasonal variation of dissolved As and other elements (Zn, Pb, Cu, Mo, Sb) were identified in two stream waters within the Čelina-Mokrsko gold district. Concentrations of metal cations (Zn, Pb, Cu) increased between 150% and 330% from summer-autumn minimum values to maximum values at winter-spring as pH and temperature decreased. In contrast, concentrations of metal and metalloid oxyanions (As, Mo, Sb) revealed opposite seasonal pattern with increase between 120% and 190% at summer-autumn. While the seasonal variations of As, Mo and Sb are the result of microbially mediated Mn and/or Fe redox reactions, seasonal variation of Zn, Pb and Cu are rather controlled by pH- and/or temperature-driven adsorption processes on inorganic substances such as Fe and Mn oxyhydroxides that are abundant in both streams. The results of single extractions indicate that 1 Geochemical model of arsenic at the Mokrsko gold deposit Dissertation of Petr Drahota majority of elements, with the decreasing order of abundance As>Cu>Sb>Zn>Mo≈Pb, were bonded to reducible phases, which is consistent with mineralogical and geochemical observations in stream sediments. In the fourth part, weathering mass balance of As and rates of weathering in regolith have been evaluated from monitored inputs and outputs in two small watersheds located within the Čelina-Mokrsko gold district. Annual chemical weathering fluxes of As have been calculated from the monthly weighted means of stream water and groundwater, and were corrected for atmospheric precipitation, agrochemical inputs and biological uptake. The input of As due to total weathering of bedrock was estimated to be 1369 g ha-1yr-1 in the Mokrsko watershed (MW) and 81 g ha-1yr-1 in the Čelina watershed (CW). These results indicate that the annual weathering rate of As in the watersheds represents more than 95% of the total As input to the regolith. Accumulation rate of As in the soil was estimated at 311 g ha-1yr-1 in MW and 69 g ha-1yr-1 in CW. The results of mass balance method in both watersheds suggest that weathering could be the most important process in the biogeochemical cycle of As in the areas with elevated As content in the bedrock. While the method presented is too simple to provide exact quantitative values of As mobility in the bedrock-water-soil-biomass system, our results indicate that it is highly promising in evaluation and estimation of the mass balance of As in regolith with both natural and anthropogenic inputs and outputs of As. 2
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce doc. Mgr. Petr Drahota, Ph.D. 1.75 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce doc. Mgr. Petr Drahota, Ph.D. 99 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky doc. Mgr. Petr Drahota, Ph.D. 96 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce doc. Mgr. Petr Drahota, Ph.D. 202 kB
Stáhnout Posudek oponenta doc. Ing. Jiřina Száková, CSc. 2.22 MB
Stáhnout Posudek oponenta doc. RNDr. Josef Zeman, CSc. 107 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 201 kB