Abstract

Understanding the solid-phase speciation of arsenic in soils and sediments is important in evaluations of the potential mobility of arsenic and of its bio-availability in the environment. This is especially true in mine-influenced environments, where arsenic commonly is present at concentrations two and three orders of magnitude above quality criteria for soils and sediments. Arsenicbearing particulates dispersed through hydraulic transport or aerosol emissions can represent a persistent source of contamination in sediments and soils adjacent to past mining and metallurgical operations. The stability and mobility of arsenic associated with these phases depend on the chemical form and oxidation state of the arsenic and the interaction with post-depositional geochemical conditions. The Giant mine in Yellowknife, Northwest Territories, roasted arsenic-bearing gold ore from 1949 to 1999. The roasting process decomposed arsenic-bearing sulfides (pyrite and arsenopyrite) to produce a calcine containing fine (generally <50 μm) arsenic-bearing iron oxides. We have applied synchrotron As K-edge micro X-ray Absorption Near-Edge Structure (μXANES) and μXRD as part of a grain-by-grain mineralogical approach for the direct determination of the host mineralogy and oxidation state of As in these roaster-derived iron oxides. The grain-scale approach has resolved potential ambiguities that would have existed had only bulk XANES and XRD methods been applied. Using combined optical microscopy, electron microprobe and μXRD, we have determined that the roaster-iron oxides are nanocrystalline grains of maghemite containing <0.5 to 7 wt.% As. Some of these arsenic-bearing nanocrystalline grains are a mixture of maghemite and hematite. All roaster iron oxides, including those present in 50-year-old tailings, contain mixtures of As5+ and As3+. The persistence of As3+ in roaster-derived maghemite in shallow subareal (oxidized) shoreline tailings for over 50 years suggests that the arsenic is relatively stable under these conditions, even though As3+ is a reduced form of arsenic, and maghemite is normally considered a metastable phase.

Abstract

Une connaissance de la spéciation des phases solides contenant l’arsenic dans les sols et les sédiments s’avère importante dans l’évaluation de la mobilité potentielle de l’arsenic et sa biodisponibilité dans l’environnement. Ceci s’applique en particulier aux milieux voisins des exploitations minières, où l’arsenic est généralement présent à des concentrations deux ou trois fois supérieures aux indices de qualité des sols et des sédiments. Les particules porteuses d’arsenic dispersées par transport hydraulique ou aéroportées peuvent représenter une cause persistante de contamination des sédiments et des sols près des installations minières et métallurgiques. La stabilité et la mobilité de l’arsenic associé à ces phases seraient régies par la forme chimique et le taux d’oxydation de l’arsenic et le rôle des conditions géochimiques suite à la déposition. A la mine Giant, Territoires du Nord- Ouest, le minerai aurifère a été grillé de 1949 à 1999. Le processus de grillage a mené à la décomposition des sulfures porteurs d’arsenic (pyrite et arsénopyrite) pour produire un calcinat contenant des oxydes de fer arsenifères à granulométrie fine (<50 μm). Nous nous sommes servis de la micro-absorption des rayons X près du seuil K (rayonnement synchrotron; μXANES) et de la microdiffraction X pour effectuer une étude minéralogique grain par grain afin de déterminer la minéralogie de l’hôte et le taux d’oxydation de l’arsenic dans ces oxydes de fer produits au cours du grillage. Cette approche détaillée nous a permis de résoudre les ambiguïtés potentielles si seules les méthodes XANES et diffraction X appliquées aux échantillons globaux étaient disponibles. En utilisant une combinaison de microscopie optique, microsonde électronique et microdiffraction, nous avons déterminé que les oxydes de fer issus du grillage contiennent des grains nanocristallins de maghémite avec entre <0.5 et 7% d’arsenic (poids). Dans certains cas, les grains arsenifères nanocristallins sont un mélange de maghémite et d’hématite. Tous les oxydes de fer issus du grillage, y inclus ceux qui constituent les rejets miniers vieux de cinquante ans, contiennent un mélange de As5+ et As3+. D’après la persistance de l’As3+ dans la maghémite issue du grillage dans les rejets oxydés le long de la rive et exposés à l’atmosphère depuis cinquante ans, l’arsenic serait relativement stable sous ces conditions, malgré la forme réduite de l’arsenic et la métastabilité acceptée de la maghémite.

(Traduit par la Rédaction)

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