Environmentally Hazardous Boron in Gold Mine Tailings, Timmins, Ontario, Canada

Abstract

Traditionally, cyanide, mercury, and acid mine drainage are considered critical environmental hazards associated with gold mining. To our knowledge, this is the first study of hazardous concentrations of soluble boron (B) in a gold mine impoundment tailings dam. We suggest that the B anomaly is a consequence of disposal of gold pyrometallurgical waste (slag). Borax is a common flux used during fire assaying and refining of precious metals. Vast amounts of B-rich slag may have been discarded by mining operations and precious metal refineries worldwide, but the extent and effects of B contamination have not yet been addressed. Anomalous concentrations of soluble B found in the McIntyre mine tailings, Timmins, Ontario highly exceed recommended thresholds for groundwater, freshwater, and soil leachates, and cannot be explained by natural sources alone. Boron is distributed heterogeneously within the tailings dam and correlates positively with the percentage of ≤38 μm grain-size fraction, indicating that adsorption onto silt–clay particles results in B build-up. Ephemeral, efflorescent Mg-borate found along the dam embankment suggests an outflow of B along paths of high permeability. Leachability tests indicate that slags from gold-ore refineries and fire assaying labs release ≤12 wt% soluble B in only 24 h. This high leachability suggests that slag discarded on the tailings dam is the dominant source of observed B anomalies. Altered metabasalts with <3,000 mg/kg B may be a minor B source. Gangue minerals such as tourmaline, anhydrite, calcite, and siderite cannot account for the amount of soluble B found in the tailings.

Zusammenfassung

Üblicherweise werden Zyanid, Quecksilber und saures Grubenwasser als kritische Umweltgefahren des Goldbergbaus angesehen. Unseres Wissens ist dies die erste Studie über gefährliche Konzentrationen von löslichem Bor (B) in Freiwasser von Aufbereitungsrückständen des Goldbergbaus. Es ist naheliegend, dass die B-Anomalie aus der Ablagerung pyrometallurgischer Abfälle (Schlacke) der Goldaufbereitung stammt, da Borax üblicherweise als Flussmittel während des Probierens und der Raffination von Edelmetallen verwendet wird. Weltweit sind vermutlich große Mengen B-reicher Schlacken aus dem Bergbau und der Raffination von Edelmetallen abgelagert worden, aber das Ausmaß und die Auswirkungen der B-Kontamination wurden bislang nicht betrachtet. Anomale Konzentrationen von löslichem B in den Aufbereitungsrückständen des Bergwerks McIntyre in Timmins, Ontario überschreiten deutlich die empfohlenen Grenzwerte für das Grundwasser, Trinkwasser und Bodensickerwasser, und lassen sich nicht alleine durch natürliche Quellen erklären. Bor ist heterogen innerhalb des Damms verteilt und korreliert positiv mit dem prozentualen Anteil der ≤ 38 µm Kornfraktion. Dies zeigt, dass die Anreicherung von B durch die Adsorption an Schlamm-Ton-Partikel hervorgerufen wird. Gelegentlich auftretende Verwitterungsprodukte von Mg-Borat entlang der Dammböschung lassen vermuten, dass B über Bereiche mit hoher Permeabilität transportiert wird. Laugungstests zeigen, dass Schlacken aus den Raffinerien des Golderzes und den Probierlabors in nur 24 Stunden bis zu 12 Gew% lösliches B freisetzen. Diese hohe Auslaugbarkeit legt nahe, dass die mit den Aufbereitungsrückständen abgelagerte Schlacke die dominierende Quelle der beobachteten B-Anomalien ist. Verwitterte Metabasalte mit bis zu 3.000 mg/kg B können eine kleinere B-Quelle sein. Gangmineralien wie Turmalin, Anhydrit, Calcit und Siderit sind nicht für die gefundenen Mengen löslichen Bors in den Aufbereitungsrückständen verantwortlich.

Resumen

Tradicionalmente, cianuro, mercurio y drenajes ácidos de minas son considerados los riesgos ambientales críticos asociados a la minería del oro. De acuerdo a nuestro conocimiento, este es el primer estudio sobre concentraciones de riesgo de boro (B) soluble en los diques de colas de una minera de oro. Sugerimos que los niveles anormales de B son una consecuencia de la disposición de residuos pirometalúrgicos (slag). El bórax es el medio utilizado comúnmente en los ensayos al fuego y en la refinería de metales preciosos. Grandes cantidades de slag ricos en B pueden haber sido descargados por operaciones mineras y por las refinerías de metales preciosos en todo el mundo, pero la extensión y los efectos de la contaminación con B aun no han sido considerados. Concentraciones anómalas de B soluble fueron encontradas en las colas de la mina McIntyre, Timmins, Ontario; las mismas exceden en mucho los niveles recomendados para aguas subterráneas, aguas dulces y lixiviados de suelo y no pueden ser explicados sólo a partir de fuentes naturales. El boro está distribuido heterogéneamente dentro del dique de colas y correlaciona positivamente con el porcentaje de la fracción de tamaño de grano ≤38 μm indicando que la adsorción en las partículas de limo-arcilla produce un incremento del B. Los boratos de magnesio eflorescentes encontradas a lo largo del terraplén del dique de colas sugiere un afloramiento de B a lo largo de zonas de alta permeabilidad. Los ensayos de lixiviación indican que los slags provenientes de las refinerías de mineral de oro y de los ensayos al fuego liberan ≤12 % en peso de B soluble en solo 24 h. Esta alta capacidad de ser lixiviados sugiere que los slag dispuestos en las colas son la fuente dominante de las anomalías de B observadas. Metabasaltos alterados con <3,000 mg/kg B podrían ser una fuente menor de B. Los minerales presentes en la ganga como turmalina, anhidrita, calcita y siderita no pueden justificar la cantidad de B soluble encontrada en las colas.

摘要

氰化物、汞和酸性废水是金矿开采和冶炼过程产生的主要污染物。本文第一次研究了金矿尾矿坝中可溶态硼的环境污染。金矿矿石高温冶金过程产生的废渣是引起尾矿坝硼浓度异常的主要污染物。硼砂是许多贵重金属火试金分离试验与精炼工艺常用的助溶剂和造渣剂。虽然贵重金属的采矿和冶炼每年在全球范围内遗弃大量富含硼的矿渣,但是硼污染的范围和程度问题仍未解决。加拿大安大略省(Ontario) 蒂明斯市(Timmins) McIntyre金矿尾矿中可溶态硼浓度异常,已经远超过地下水、淡水和土壤液的允许阈值。硼不均匀地分布于尾矿坝中,浓度与粒径小于38μm尾矿的含量成正比,粉粒~粘粒尾矿颗粒的吸附作用是硼累积的重要原因。微风化的硼酸镁沿尾矿坝坝堤分布的特征说明可溶态硼是沿高渗透性路径向外运移、释放的。同时,溶滤试验表明金矿矿矿石精煤厂和火试金分离试验室排放的矿渣能够在24小时内释放12%的可溶态硼,该矿渣是造成硼浓度异常的主要污染源。变玄武岩(硼含量为<3,000 mg/kg)只能是产生硼的次要污染源。废矿石中电气石、硬石膏、方解石和菱铁矿的存在不是尾矿产生大量可溶态硼的原因。

Appendices

Appendix 1

See Table 2.

Table 2 Boron concentration in tailings leachates and ground water samples from McIntyre Dam 5

Appendix 2

See Table 3.

Table 3 Timmins mine tailings–wet sieve data sheet