Geochemical, mineralogical and microbial modelling of an IOCG tailings deposit (El Buitre, Chile): implications for environmental safety and economic potential

Abstract

Los tranques de relaves se han convertido en un foco de interés como posibles fuentes alternativas de materias primas para mitigar parcialmente la escasez de elementos críticos estratégicos impuesta por la creciente demanda de aplicaciones tecnológicas y energías verdes. Además, se han convertido en un grave problema ambiental para los ecosistemas que rodean estos depósitos artificiales. Este trabajo reporta los resultados de un estudio de caracterización mineral, geoquímica, microbiana y modelamiento geoestadístico y conceptual de un yacimiento de Óxidos de Hierro-Cobre-Oro con pH neutro, en un clima árido. Se realizó un total de 28 sondajes con perforación sónica, que permitieron recolectar 755 muestras. De la totalidad de las muestras, se seleccionaron 98 para la caracterización de las comunidades microbianas. El tranque de relaves El Buitre presenta una mineralogía primaria caracterizada por un bajo contenido de pirita y calcopirita y un contenido relativamente alto de magnetita y hematita. La ganga está dominada por cuarzo, clorita, feldespato alcalino, plagioclasa y calcita. Las condiciones climáticas limitan la disponibilidad de agua y restringen la movilidad de los metales en el agua intersticial a pH neutro, inhibiendo el desarrollo de frentes de oxidación extensos y zonas de enriquecimiento mineral, y la precipitación de sales eflorescentes en la superficie de los relaves. Por lo tanto, la distribución de la mineralogía y sus elementos asociados están controlados principalmente por la composición mineral del depósito de origen, la tecnología de procesamiento mineral, los procesos de segregación gravitacional y la geometría del depósito. Además, la historia deposicional de los relaves tuvo una gran influencia en la distribución vertical y horizontal de pirita. Sin embargo, las leyes de elementos de interés económico como Fe, Cu y Co se distribuyen de manera relativamente homogénea, lo que podría facilitar la aplicación de tecnologías de reprocesamiento de relaves y podría permitir ajustar el número de pozos requeridos para su evaluación económica. Por otro lado, la estructura y diversidad de las comunidades microbianas estuvo determinada por las ligeras variaciones en la composición química a lo largo del perfil de profundidad y por el establecimiento de una zona oxidada y primaria (no-oxidada) dentro del depósito de relaves. Sin embargo, la biomasa y la riqueza de especies se mantuvo prácticamente constante con la profundidad. Las especies claves en el microbioma del depósito comprenden los phylum Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Nitrospirae y Deinoccocus-Thermus. Estos microorganismos parecen tener una actividad mutualista, incluso con algunas bacterias no cultivables pertenecientes al phylum Actinobacteria. La funcionalidad de las bacterias presentó ligeras variaciones asociadas a la estratificación de la composición química y refleja un alto potencial para la revalorización y restauración de estos ecosistemas. Adicionalmente, las bacterias sulfato reductoras, fueron utilizadas como bioindicadores de las condiciones redox a lo largo del perfil de profundidad del depósito de relaves.

Tailings dams have become a focus of interest as possible alternative sources of raw materials to partially mitigate the shortages on many critical raw elements imposed by the always growing demand of technological applications and green energies. Additionally, they have become a serious environmental problem for the ecosystems that surround these artificial deposits. This work reports the results of a mineral, geochemical and microbial characterization study and geostatistical and conceptual modelling of an Iron Oxides Copper Gold deposit with neutral pH, in an arid climate. Twenty-eight boreholes allowed recovery of 755 samples for analysis. However, 98 were selected for the characterization of microbial communities. The El Buitre tailings dam presents a primary mineralogy characterized by low pyrite and chalcopyrite content with relatively high magnetite and hematite content. Gangue is dominated by quartz, chlorite, alkali-feldspar, plagioclase and calcite. Secondary sulfides such as chalcocite/digenite, enargite/tennantite and malachite/azurite can be considered negligeable. Climatic conditions limit the availability of water and restrict the mobility of metals under neutral pore water pHs, inhibit the development of extensive oxidation fronts and mineral enrichment zones and prevent the appearance of efflorescent salts precipitated on the tailings surface. Therefore, the distribution of the mineralogy and its associated elements are mainly controlled by the source deposit mineral composition, the mineral processing technology, gravitational deposition processes and the geometry of the tailings dam. Therefore, the low mobility of the polluting elements makes these deposits environmentally safe and with low contamination potential. Additionally, the depositional history of the tailings had a great influence on the vertical and horizontal distribution of pyrite. Nevertheless, the grades of economic interest elements such as Fe, Cu and Co are distributed in a relatively homogeneous way, which would facilitate the application of tailings reprocessing technologies and maximize the number of boreholes required for its economic evaluation. On the other hand, the structure and diversity of the microorganisms were determined by the slight variations in the chemical composition and the establishment of an oxidized and non-oxidized zone within the deposit of tailings. However, biomass and species richness remained practically constant with depth. The tailings core microbiome comprised the phylum Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Nitrospirae and Deinoccocus-Thermus. The networking analysis suggests a mutualistic activity between bacteria and highlights the importance of the microbial dark matter in these complex ecosystems. The predicted functional presented slight variations associated with the stratification of the chemical composition. Finally, based on the functionality, distribution and mutualistic activity among the microorganisms, capabilities can provide a direction for the management of the tailings dam and maximize their potential for revalorization. Additionally, sulfate-reducing bacteria were used as bioindicators of redox conditions throughout the depth profile of the tailings deposit