Pyrite Weathering in Reclaimed Shale Overburden at an Oil Sands Mine near Fort McMurray, Canada

Abstract

Saline-sodic shale overburden associated with oil sand mining is a potential source of salt release to surface water and groundwater and can lead to salinization and/or sodification of reclamation covers. Weathering of shale overburden due to oxidation of sulphide minerals within the shale leads to sulphate (SO₄ ²⁻) production and increased salinity. The controls on the rates of weathering of a shale overburden dump in the oil sands region of northern Alberta were determined from soil chemistry sampling and in situ monitoring of pore gases (O₂, CO₂, CH₄) in three shallow profiles (1.9–4.45 m deep) and one deep (25 m deep) profile under reclamation covers of varying thickness. Oxidation, defined by the depth over which O₂ concentrations were depleted, reached depths of approximately 1.1 m under the reclamation soil covers over a 6 year period after dump placement. Calculations of SO₄ ²⁻ production rates and weathering depths were consistent with numerical simulations of the diffusion and subsequent consumption of atmospheric O₂ in the overburden. The rate of SO₄ ²⁻ production during the 6 year weathering period estimated from direct measurements of solids chemistry ranged from 0.70 to 8.3 g m⁻² day⁻¹. The rates calculated from the oxygen diffusion models were within that same range, between 1.6 and 4.1 g m⁻² day⁻¹.

抽象

油砂岩开采遗弃的盐沼相页岩顶板矸石为地表水和地下水潜在盐类释放源,会引起复垦盖层盐渍化。页岩内硫化物氧化风化将释放硫酸盐和增大盐度。通过分析加拿大北Alberta地区土壤样品化学成分、现场监测复垦层下浅层剖面(三个,深1.9-4.45m)和深层剖面(1个,深25m)孔隙气体(O2、CO2和CH4)变化,寻找控制复垦油页岩矸石风化速度的因素。依据复垦矸石堆内氧气浓度确定氧化反应深度。复垦处理六年之后,油页岩矸石氧化深度1.1m。计算的硫酸盐生成速度和风化深度与覆盖层中氧气扩散和消耗模拟结果一致。基于固体化学成分测量结果估算的硫酸盐生成速度为0.7-8.3 g•m-2•d-1。依据氧气扩散模型预测的硫酸盐生成速度与之一致,在1.6-4.1 g•m-2•d-1之间。

Zusammenfassung

Der salzhaltige Abraum aus dem Schiefer Abraum der Ölsandförderung ist eine potentielle Quelle der Versalzung von Oberflächen- und Grundwasser und kann zu einer Versalzungen der Rekultivierungsschicht führen. Verwitterung von Schiefer Abraumhalden aufgrund von Oxidation der Sulfidminerale innerhalb des Schiefergesteins führt zu Sulfat (SO₄ ²⁻) und erhöhtem Salzgehalt. Die Kontrolle der Verwitterungsraten der Schiefer Abraumhalden in den Ölsandregionen im nördlichen Alberta wurde mittels chemischer Bodenproben und InSitu Monitoring von Poren Gas (O₂, CO₂, CH₄) ermittelt. Dies wurde an drei Oberflächenbohrungen (1,9 m-4,5 m Tiefe) und einer Tiefbohrung (25 m) in den Rekultivierungsschichten unterschiedlicher Dicke durchgeführt. Die Oxidation, gemessen an der Reduzierung des O₂ Gehaltes im Verlauf der Teufe, erreichte eine Tiefe von ca. 1,1 m unter der Rekultivierungsschicht nach einer Zeitspanne von 6 Jahren nach Auftrag der Abraumschicht. Berechnungen zur SO₄ ²⁻ Bildung und zur Verwitterungstiefe stimmten mit der numerischen Simulation der Diffusion und des O₂ Verbrauches im Abraum überein. Der Grad der Bildung von SO₄ ²⁻ während der sechsjährigen Verwitterungsperiode wurde durch direkte Messungen der Chemie des Festgesteins ermittelt und erreichte 0,70 bis 8,3 g/m₂/d. Der Grad der Bildung von SO₄, berechnet aus dem Sauerstoff Diffusionsmodell, erreichte ähnliche Beträge in Höhe von 1,6 bis 4,1 g/m₂/d.

Resumen

Una escombrera de esquisto salino-sódico asociado con la minería de arenas petrolíferas es una fuente potencial de liberación de sal hacia aguas superficiales y subterráneas que puede alcalinizar y/o sodificar las coberturas de recuperación. La erosión del esquisto de la escombrera debido a la oxidación de minerales sulfurados dentro del esquisto lleva a la producción de sulfato (SO₄ ²⁻) y al incremento de la salinidad. Los controles sobre las velocidades de erosión de la escombrera ubicada en la región norte de Alberta fueron determinados a partir de muestreo del suelo y el monitoreo in situ de los gases (O₂, CO₂, CH₄) en los poros de tres perfiles superficiales (1,9 − 4,45 m de profundidad) y en un perfil profundo (25 m de profundidad) debajo de la cobertura de recuperación de espesor variable. La oxidación, definida a partir de la profundidad a la cual las concentraciones de O₂ eran insignificantes, alcanzó profundidades de 1,1 m bajo la cobertura de tierra de recuperación sobre un período de 6 años después de la ubicación del vertedero. Los cálculos de las velocidades de producción de SO₄ ²⁻ y las produndidades de erosión fueron consistentes con las simulaciones numéricas de la difusión y el consumo subsecuente de O₂ atmosférico en la escombrera. La velocidad de producción de SO₄ ²⁻ durante el período de 6 años (estimado a partir de medidas directas de la química de los sólidos) estuvo comprendida entre 0,70 y 8,3 g m^-2 d^-1. Las velocidades calculadas a partir de los modelos de difusión de oxígeno estuvieron dentro del mismo rango, entre 1,6 y 4,1 g m^-2 d^-1.