Estudo da suscetibilidade magnética em solos contaminados pela extração mineira de São Pedro da Cova

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1 Versão online: Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial II, IX CNG/2º CoGePLiP, Porto 2014 ISSN: X; e-issn: X Estudo da suscetibilidade magnética em solos contaminados pela extração mineira de São Pedro da Cova Studies of Magnetic Susceptibility in soils affected by mining contamination of S. Pedro da Cova P. C. Santos 1*, H. Sant Ovaia 1, J. Espinha Marques LNEG Laboratório Nacional de Geologia e Energia IP Artigo Curto Short Article Resumo: Este estudo tem como objetivo caraterizar solos afetados por efluentes com origem na mina de S. Pedro da Cova (Gondomar). Foram consideradas 21 amostras de solos contaminados e não contaminados, segundo o tipo de solo e a localização relativamente à fonte contaminante. As amostras foram recolhidas em julho de 2012 e janeiro de 2013 a jusante e a montante das três galerias da mina. Determinou-se a Suscetibilidade Magnética (SM), o ph e a Condutividade Elétrica (CE) do solo. A SM média variou entre 38,63x10-8 m 3 kg -1 (A6) e 4057,24x10-8 m 3 kg -1 (A7). Os solos florestais localizados fora da influência dos efluentes mineiros (A2, S2, A4, A5, A8, T2 e M1) obtiveram valores de SM intermédios e valores baixos de ph e CE. Os solos florestais localizados junto dos canais de escoamento atualmente com drenagem (A1, A6 e S6), apresentam valores de SM baixos e ph e CE elevados. No geral os solos agrícolas obtiveram valores mais elevados de SM devido à homogeneização do solo e à rega com água dos efluentes mineiros. Os solos de aterros mineiros obtiveram valores de SM, ph e CE semelhantes. A amostra A8 teve um valor elevado de SM que pode resultar da ocorrência de fogos florestais nos últimos anos. A amostra T2 teve um valor de SM alto que poderá dever-se à influência do tráfego rodoviário. Não foram registados valores negativos, o que indica a ausência de partículas diamagnéticas. Os solos apresentam partículas ferromagnéticas e paramagnéticas. As técnicas de magnetismo ambiental revelaram-se um importante instrumento de avaliação em solos em combinação com medições de ph e CE. Palavras-chave: Solo, Contaminação mineira, Suscetibilidade magnética, ph, Condutividade elétrica. Abstract: The objective of this work was to determine criteria of identifying contaminated soils related with mining activity from São Pedro da Cova, Gondomar (north of Portugal). There were considered 21 samples, from contaminated soil and uncontaminated soil, taking into account the type of soil and distance to the contaminant source. The samples were collected in July 2012 and January 2013, upstream and downstream of the three galleries of the mine. The magnetic susceptibility (MS), ph and Electric Conductivity (EC) were measured in all the samples. The MS ranged between 38.63x10-8 m 3 kg -1 (A6) and x10-8 m 3 kg -1 (A7), near gallery 3 without active drainage. Forest soils located outside the influence of mining effluents (A2, S2, A4, A5, A8, M1 and T2) obtained intermediate values of MS and low ph and EC. Forest soils located along the drainage channels currently with drainage (A1, A6 and S6), present low values of MS and high values of ph and EC. Generally, agricultural soils had higher values of MS due to the homogenization of soil and irrigation with water from mining effluents. The soils of mining landfills obtained similar values of MS, ph and EC. The A8 sample had a high value of MS that may result from the occurrence of forest fires in recent years. The T2 sample had a high value of MS that may be due to the influence of road traffic. There were no negative MS values, indicating the absence of diamagnetic particles. The soils exhibit ferromagnetic and paramagnetic particles. The techniques of environmental magnetism proved to be an important assessment tool in soils when combining with ph and EC measurements. Keywords: Soil, Mining contamination, Magnetic susceptibility, ph, Electric conductivity. 1 Departamento de Geociências, Ambiente e Ordenamento do Território, Centro de Geologia da Universidade do Porto, Faculdade de Ciências, Rua do Campo Alegre, Porto, Portugal. * Autor correspondente / Corresponding author: laurindacristina@hotmail.com 1. Introdução Os estudos de magnetismo ambiental baseiam-se na análise das propriedades magnéticas de rochas, sedimentos, solos, poeiras, tecidos orgânicos, turfas, cinzas volantes e material biológico variado. A análise das propriedades magnéticas, por ser uma técnica não destrutiva, rápida e com alta sensibilidade, permite identificar a origem das partículas e a deteção de pequenas quantidades de material magnético (e.g. Dekkers, 1997). O estudo do magnetismo ambiental tem produzido importantes resultados no âmbito da análise do impacto antrópico no ambiente (e.g. Evans & Heller, 2003). As aplicações deste método incluem, ainda, a identificação de fontes de poluição de solos, (e.g. Hoffmann et al., 1999), bem como a monitorização de solos à superfície e em profundidade. Em Portugal esta técnica tem sido usada em vários estudos, como por exemplo: na caracterização magnética, geoquímica e pedológica de perfis de solo entre Coimbra e Montemor-o-Velho (Lourenço, 2012; Lourenço et al., 2014); ou no estudo de magnetismo ambiental de poluição por partículas utilizando biocoletores no norte de Portugal (Sant'Ovaia et al., 2012). O presente estudo teve os seguintes objetivos: (i) avaliar a suscetibilidade magnética do solo (SM); (ii)

2 1068 P. C. Santos et al. / Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial II, estudar a variação da SM, do ph e da condutividade elétrica (CE) do solo, relacionando estes parâmetros com a contaminação mineira. A mina de carvão de São Pedro da Cova (Fig. 1) situa-se no concelho de Gondomar e no distrito do Porto. 2. Material e métodos A área do estudo enquadra-se na Zona Centro Ibérica do Maciço Ibérico (Ribeiro et al., 2007). A estrutura geológica que marca a geomorfologia da região, segundo Rebelo (1975), é o anticlinal de Valongo, que se alonga numa extensão superior a 50 km, de Valongo até Castro Daire, (e.g. Couto, 1993; Pinto de Jesus, 2001). A mina de São Pedro da Cova insere-se na Bacia Carbonífera do Norte (BCD), correspondente a uma extensa mancha do Carbonífero com orientação NNW-SSE, desde S. Pedro Fins (concelho da Maia), até à Lomba (concelho de Gondomar) (Fig. 1). A amostragem foi realizada em julho de 2012 e em janeiro de A amostragem foi realizada tendo em conta a existência de diferentes usos do solo, tendo sido considerados três tipos: (i) florestal; (ii) agrícola; (iii) aterro mineiro (Tabela 1). As amostras A1 a A8, M1, T2, S2 e S6 correspondem a solo florestal. O solo agrícola inclui as amostras C1 a C6. Ao aterro mineiro (o qual é constituído pelo material da escavação das galerias de drenagem da mina) correspondem as amostras T1 e T3. A amostra C5 foi subdividida em C5s (camada superficial) e C5c (camada profunda). A amostra M1 foi considerada como referência por se localizar na encosta oriental, oposta à fonte contaminante, correspondendo a solo não contaminado. A amostragem foi levada a cabo de forma a ser representativa da distribuição espacial dos solos não contaminados e potencialmente contaminados. Foram recolhidas amostras perturbadas correspondentes aos 30 cm mais superficiais do solo mineral. As amostras foram previamente pesadas na balança analítica Mettler AE 240 e depois a SM foi medida no equipamento Kappabridge KLY-4S (AGICO). A SM por massa foi calculada pelo software Sumean e expressa em unidades de massa (m 3 kg -1 ). A SM média corresponde a uma média de três medições efetuadas no equipamento. O ph e a CE do solo foram determinados através de um equipamento da marca Hanna Instruments (modelo HI 99121), numa suspensão de duas partes de água para uma parte de solo, segundo o método proposto por Jones (2001). Tabela 1. Classificação das amostras tendo em conta a localização à fonte contaminante, contaminação, SM, ph, CE e tipo de solo. Ah Amostra do horizonte Ah; Bw Amostra do horizonte Bw; G1 Galeria de mina 1; G2 Galeria de mina 2; G3 Galeria de mina 3; M1 - Amostra de referência; Max Valor máximo; Min Valor mínimo. Table 1. Sample classification by location to the contaminant source, contamination, MS, ph, EC and soil type. Ah - Ah horizon sample; Bw - Bw horizon Sample; G1 Mine gallery 1; G2 - Mine gallery 2; G3 - Mine gallery 3; M1 - Reference sample; Max - Maximum value; Min - Minimum value.

3 Suscetibilidade Magnética de solos contaminados 1069 Fig. 1. Enquadramento geológico da Bacia Carbonífera do Douro (modificado de Pinto de Jesus, 2001). Fig. 1. Geologic framework of the Bacia Carbonífera do Douro Bacia Douro (modified from Pinto de Jesus, 2001). 3. Resultados Os valores de SM média estão compreendidos entre 38,63 x 10-8 m 3 kg -1 (A6) e 4057,24 x 10-8 m 3 kg -1 (A7), ambos os valores obtidos em solo florestal. Em solo agrícola, a SM média variou entre 206,99 x 10-8 m 3 kg -1 (C1) e 623,75 x 10-8 m 3 kg -1 (C3). Em solos de aterro mineiro a SM variou entre 61,39 x 10-8 m 3 kg -1 (T3) e 67,63 x 10-8 m 3 kg -1 (T1) (Tabela 1). Relativamente à CE, os valores variaram entre 14,3 μs cm -1 (S2) e 517 μs cm -1 (A1), ambos em solo florestal. Nos solos agrícolas, a CE variou entre 20,4 μs cm -1 (C1) e 132,2 μs cm -1 (C5s). Em solos de aterro variou entre 24,9 μs cm -1 (T3) e 30,6 μs cm -1 (T1), (Tabela 1). Os valores de ph no total da amostragem tiveram um valor mínimo de 4,17 (A5) e um valor máximo de 6,61 (A6), ambos tendencialmente ácidos. Foi feita a análise da relação entre os parâmetros de ph e SM (Fig. 2) e da CE e a SM (Fig. 3). Através da análise da figura 2, verifica-se que os resultados se distribuem por dois grupos. O grupo I é constituído por 7 amostras com valores de ph superiores a 5, as quais correspondem a 3 solos florestais (A1, A3, A6), a um solo agrícola (C5s e C5c) e aos dois solos de aterro (T1 e T3). O grupo II, no qual se integram as demais amostras, em que os valores de ph são inferiores a 5, incluindo a amostra M1. Ambos os grupos registaram valores de SM inferiores a m 3 kg -1. A amostra A7 constitui um caso particular, apresentando SM superior a m 3 kg -1 e ph próximo de 6. Da análise da figura 3 verifica-se que a maioria das amostras se concentra num único grupo com SM inferior a m 3 kg -1 e CE inferior a 132,2 μs cm -1. As exceções a este grupo correspondem às amostras S6, A6, A1 e A7, em solo florestal. S6, A6 e A1 possuem SM inferior m 3 kg -1 e registaram CE entre 200 e 500 μs cm -1. A amostra A7 está, mais uma vez, isolada devido ao elevado valor de SM. 4. Discussão Dado que os valores, mínimo e máximo de SM foram, ambos, medidos em amostras de solos contaminados, esta propriedade, por si só, não pôde ser utilizada como critério para caracterizar a distribuição espacial da contaminação pelos efluentes da mina. Por este motivo, procurou-se analisar, conjuntamente, a SM, o ph e a CE do solo (ver Tabela 1 e Figs 2 e 3). A figura 4 apresenta a distribuição espacial dos valores medidos de SM. No que respeita às amostras dos solos florestais, verificou-se que os solos localizados junto dos canais de escoamento atualmente com drenagem (A1, A6 e S6), cuja maior parte do volume é constituída por material de origem muito recente, apresentam valores de SM baixos e ph e condutividade elétrica elevados. Estas amostras apresentam aspeto ferruginoso cor 5YR7/8 (escala de Munsell). No entanto, a amostra A7, recolhida num local diretamente afetado pela galeria G3, sem drenagem desde há várias décadas, apresenta o maior valor de suscetibilidade observado neste estudo, juntamente com valores intermédios de ph e CE. Este solo tem aspeto, igualmente, ferruginoso, mas com cor mais escura (5YR4/6) que poderá resultar de uma diferente composição mineralógica respeitante aos óxidos de ferro. Por seu lado, a amostra A3 localiza-se numa depressão que recebe, simultaneamente, material proveniente de solo contaminado e não contaminado. Nos solos florestais localizados fora da influência dos efluentes mineiros (A2, S2, A4, A5, A8, T2 e M1) observa-se ausência de aspeto ferruginoso, valores de SM que variam num intervalo relativamente amplo (o qual poderá resultar da presença de diferentes materiais geológicos originais) e valores baixos de ph e CE. O valor relativamente elevado da amostra A8 poderá resultar, em parte, da ocorrência de diversos fogos florestais nos últimos anos. De notar, ainda, que o valor de SM da amostra T2 é cerca do dobro da de M1, o que poderá dever-se à influência do tráfego rodoviário. Os solos agrícolas refletem o efeito das

4 1070 P. C. Santos et al. / Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial II, operações de mobilização (que tendem a homogeneizar o solo) assim como o efeito da rega com água superficial contaminada pelos efluentes mineiros (resultando daqui valores relativamente elevados de SM). Os valores de ph e de condutividade elétrica são de difícil interpretação devido à influência simultânea de factores naturais e antrópicos (em particular, a rega com água contaminada e a aplicação de agroquímicos). Os solos provenientes dos aterros mineiros, ambos situados ao abrigo da influência dos efluentes, são muito semelhantes entre si no que respeita à SM, ph e CE. Relativamente ao conjunto das amostras, distinguem-se por apresentarem valores reduzidos de SM e CE e intermédios de ph. É, ainda, de salientar que não foram registados valores negativos de SM, o que indica a ausência de partículas diamagnéticas. Fig. 2. Variação da SM média com o ph. I A1, A3, A6, C5s, C5c, T1, T3. II A2, A4, A5, A8, C1, C2m C3, C4, C6, T2, M1, S2, S6. Fig. 2. Variation of MS with ph. I - A1, A3, A6, C5S, C5C, T1, T3. II - A2, A4, A5, A8, C1 C2M C3, C4, C6, T2, M1, S2, S6. Fig. 3. Variação da SM com a CE. I Grupo que inclui os restantes solos, incluindo M1. Fig. 3. Sediment and alluvium heavy metal (As, Cd, Pb and Zn) concentration. Comparison with U.S EPA sediment guidelines. Fig. 4. Variação espacial da SM média. Fig. 4. MS spatial distribution.

5 Suscetibilidade Magnética de solos contaminados Conclusão Os dados sugerem que os solos possuem partículas ferromagnéticas provenientes dos efluentes da mina. O método utilizado forneceu dados importantes que confirmam a contaminação mineira nos solos afetados pelos efluentes mineiros. Os resultados obtidos apontam para a necessidade de monitorização da região, para a comparação dos parâmetros magnéticos com a concentração dos elementos químicos no solo e na água. Por outro lado, os resultados corroboram a ideia de que atividades antrópicas, como as práticas agrícolas, podem estar a potenciar a contaminação existente por processos de oxidação/redução. Do mesmo modo, os fogos florestais podem promover alterações da constituição mineral tornando-os contaminantes. As técnicas de magnetismo ambiental, em associação com as medições de ph e CE, revelaram-se um importante instrumento de avaliação da contaminação em solos. Referências Couto, H.M., As mineralizações de Sb-Au da região Dúrico Beirã. Tese de doutoramento, Universidade do Porto (não publicada), 607 p. Dekkers, M.J., Environmental magnetism. Geologie en Mijnbouw, 76, Evans, M.E., Heller, F., Environmental magnetism. Principles and applications of enviromagnetics. Academic Press, Elsevier. 299 p. Hoffmann, V., Knab, M., Appel, E., Magnetic susceptibility mapping of road side pollution. Journal of Geochemical Exploration, 66, Jones, J.B., Laboratory guide for conducting soil tests and plant analysis. CRC Press LLC, Florida. 2, Pinto de Jesus, A.D., Génese e Evolução da Bacia Carbonífera do Douro (Estefaniano C inferior), NW de Portugal: Um Modelo. Tese de doutoramento, Universidade do Porto (não publicada), 232 p. Lourenço, A.M., 2012.Caraterizaçao dos solos entre Coimbra e Montemoro-o-Velho, Portugal Central. Tese de doutoramento, Universidade de Coimbra (não publicada), 228 p. Lourenço, A.M., Sequeira, E., Sant Ovaia, H., Gomes., C.R., Magnetic, geochemical and pedological characterisation of soil profiles from different environments and geological backgrounds near Coimbra, Portugal. Geoderma, 213, Rebelo, F., Serras de Valongo. Estudo de geomorfologia. Estudo de Geomorfologia, Suplemento de Biblos, nº 9, Universidade de Coimbra. 195 p. Ribeiro, A., Munhá, J., Dias, R., Mateus, A., Pereira, E., Ribeiro, L., Fonseca, P.E., Araújo, A., Oliveira, J.T., Romão, J., Chaminé, H., Coke, C., Pedro, J., Geodynamic evolution of the SW Europe Variscides. Tectonics, 26, Sant Ovaia, H., Lacerda, M.J., Gomes, C.R., Particle pollution An environmental magnetism study using biocollectors located in northern Portugal. Atmospheric Environment, 61,