INTRODUCCIÓN

Al inundar una mina se crea un acuífero subterráneo artificial allí donde no existía o bien se aumenta la capacidad de uno preexistente, las galerías aumentan la porosidad del macizo rocoso y los procesos de subsidencia producidos por el progresivo derrumbe de las galerías y antiguos talleres aumentan la fracturación, de esta manera se produce un aumento de la permeabilidad del “acuífero”, este proceso se desarrolla en todos los materiales donde se encontraban encajadas las capas de carbón y se prolonga desde las galerías mas profundas de la mina hasta la superficie del terreno que es ahora mas permeable para la infiltración de las aguas de lluvia.

La propia génesis de la formación de los yacimientos de antracita, hulla, lignito y turba está relacionado con ambientes sedimentarios y con procesos de reducción, muy favorables para el desarrollo de sulfuros de hierro, tanto en los niveles carbonosos explotables como en aquellos otros (carboneros) que son considerados como estériles, así como en la roca encajante. A consecuencia de la extracción de grandes cantidades de carbón en las minas de la Cuenca Central Asturiana (C.C.A) quedan expuestas al aire y al agua grandes superficies de rocas de diferente naturaleza y las capas de carbón que contienen entre otros minerales, sulfuros de hierro que se oxidan dando como resultado ácido sulfúrico y sulfatos metálicos solubles. Esta oxidación penetra profundamente en la roca, a través de las fracturas, y cuando la mina se inunda, los productos de oxidación acidifican y mineralizan el agua allí almacenada. El agua contenida en una mina abandonada se estratifica y en la parte inferior se sitúa el agua de peor calidad, como las vías preferenciales de drenaje suelen ser superficiales esto hace que el periodo con efluentes de mala calidad en los drenes de la mina se pueda prolongar mucho tiempo.

Estas aguas se caracterizan por presentar pH entre 3 y 5 normalmente, aunque se han descrito (Babij,T.et al. 1980) aguas de mina con pH de 1,8. Contenidos en sulfatos de varios cientos de mg/l, hierro entre 50 y 200 mg/l, así como metales pesados (Pb,Zn,Ni,etc).

La presencia de hidróxido de hierro nos anuncia este tipo de contaminación, que produce colores vivos en el agua, lechos de Fe(OH)3 entre amarillos y rojos, predominando los colores ocres cuya presencia es detectable a simple vista aún cuando la concentración no supere las 5 ppm.

Las consecuencias mas importantes es que el agua se hace fuertemente corrosiva con lo que el ecosistema fluvial, al que llegan estas aguas, se degrada hasta ser incapaz de mantener muchas formas de vida acuática, la solubilidad de metales pesados que aumenta con la acidez hace que el agua pueda ser tóxica.

Algunos casos bien descritos y documentados sobre contaminación de las aguas de mina abandonada muestran la importancia del problema:

- Dalquharran en Escocia es un caso de contaminación de un río por el efluente ácido de una mina abandonada subterránea de carbón.

En el año 1979 el efluente de la mina Dalquharran N°1, abandonada dos años antes, contamina el río Girvan, uno de los mejores ríos salmoneros de la zona. El caudal que la mina drenaba a través de una bocamina era de 23 l/seg, con un pH de 3, 1200 mg/l de Fe, cantidades apreciables de Al, Mn, y otras menores de Ni,Cu, y Zn. Se registraron grandes mortandades de peces y otros animales acuáticos y fue destruido el valor recreativo del río. El Departamento Científico de la División Escocesa del National Coal Board (N.C.B) ha publicado un breve informe sobre el caso y la solución finalmente adoptada. (N.C.B. 1984).

- La cuenca del río Susquehanna en Pennsylvania (EE.UU) está fuertemente deteriorada por las aguas que provienen de las minas abandonadas (Ladwig, et al. 1984). El carbón extraído (antracita) tiene un elevado contenido en Azufre. En la actualidad unos 4.000 Kms de ríos están fuertemente contaminados.

Dado que casi todas las minas estaban intercomunicadas entre si por galerías y túneles, tras el abandono se ha formado un reducido número de acumulaciones subterráneas de agua, cada una de ellas de enormes dimensiones. El agua se introdujo en las minas tanto a través de los afloramientos de las capas explotadas, como de las formaciones permeables, y de las fracturas del terreno, así como a través de multitud fe sondeos y pozos. Muchos arroyos del borde de la cuenca vieron reducido su caudal por infiltración.

Al embalsarse el agua en las galerías y talleres, desaguados durante años, se lixiviaron los productos de oxidación de los sulfuros. El agua se volvió ácida y se cargó de sulfatos y cationes metálicos. Cuando el nivel piezométrico alcanzó la superficie del terreno, se originaron surgencias ácidas que pasaron a contaminar los ríos.

Muchos países han adoptado medidas severas para preservar el medio de este tipo de contaminación y han adoptado medidas legales como la Federal Water Pollution Act de 1972 en los EE.UU., que establece que las calidades de las aguas que drenan de las minas abandonadas deben de tener pH comprendidos entre 6 y 9, el contenido medio de Fe debe ser de 3,5 ppm, el de Mn menor de 2 ppm, y el total de sólidos disueltos deberá ser inferior a 70 ppm. Esta normativa se aplica a las minas que sean abandonadas en el futuro. En el Reino Unido los vertidos de agua de mina están regulados por la Ley de Control de la Contaminación de 1974 y quedan regulados en función del total de sólidos disueltos, contenidos en Fe, pH, y Temperatura. Debido a ello en la minería de carbón en los EE.UU. se da el caso de tener que tratar enormes volúmenes de agua, del orden de 4000 m3 al día que suponen más de un millón de dólares diarios para tratar esas aguas ácidas. (Ackman y Kleinmann, 1985).

El trabajo que sigue es una propuesta que pretende abrir la discusión y sembrar la inquietud sobre las consecuencias previsibles que para los cursos fluviales y los acuíferos subterráneos pueden tener las aguas ácidas que se producen en el proceso de llenado de las minas de carbón cuando son abandonadas, una primera parte trata de dar una explicación sencilla y comprensible, para no especialistas, de las reacciones químicas previsibles en el interior de una mina abandonada cuando se produce la inundación por cese de bombeo y las causas que produce el agua ácida (oxidación de la pirita, influencia del Eh, cinética de las reacciones, etc) así como otros efectos no deseables producidos en ese mismo proceso (metales pesados), algunas propuestas metodológicas de como se deben desarrollar los trabajos de muestreo, tipos de análisis para cada una de las minas, conocimiento de los caudales de agua tanto de infiltración como de drenaje. La segunda parte, geológica, caracteriza los diferentes materiales y litologías de la Cuenca Central Asturiana, los componentes petrográficos mas importantes que se encuentran en la zona. El conocimiento de la serie litológica en cada pozo es importante por la importancia que tiene la estimación de la superficie de carbón que queda en contacto con el agua o con el aire, la superficie de rocas carbonatadas que contribuyen como un factor atenuante de la contaminación. El conocimiento en detalle de las labores mineras y la geología permiten definir un acuífero subterráneo artificial generado por la explotación minera y predecir su funcionamiento.

La problemática, aunque algo diferente, de la contaminación producida por tantas escombreras que se encuentran salpicando una gran parte de la geografía asturiana y que son producto de una intensa actividad minera pasada, también debería ser objeto de estudio. Estos han de ser individualizados ya que aunque el tipo de roca y el carbón sean similares en toda la C.C.A, el tipo de acuífero subterráneo al que el abandono de la actividad minera da lugar, es diferente. Los drenajes se producen por las galerías o fracturas de cota topográfica mas baja. En el caso de la C.C.A los pozos están intercomunicados entre si y deben de tenerse en cuenta estas particularidades en la definición del acuífero minero. También se debería de tener en cuenta la cantidad de material que ha sido abandonado en la mina y que puede contribuir a generar algún tipo de contaminación (cuadros de hierro, raíles, etc).


INTRODUCCIÓN ELEMENTAL A LA PROBLEMÁTICA DE LA ACIDEZ Y METALES TÓXICOS DEL AGUA DE MINA

La acidez de las aguas consiste en una presencia excesiva de iones H+ (átomos de hidrógeno que han perdido su electrón cortical)en el agua. La molécula de agua puede considerase que está “ionizada” (es decir separada en iones o partículas con carga).Como en el agua, los iones H+ y los grupos OH- (grupos que tienen un exceso de carga negativa total de 1 electrón) están siempre en una relación de concentraciones molares dada por la expresión :

[H+]·[OH-]=10-14 1.

Un incremento de H+ en el agua, por las razones que sea, se obtiene a costa de una disminución en la concentración de aniones (iones negativos) OH-. La presencia de estos dos iones marca las características que el agua presenta como elemento disolvente y como medio en el que transcurren las distintas reacciones. Por ello, es importante medir esas concentraciones y definir una magnitud cuya medida nos permita comparar las diferentes disoluciones. En lugar de medir las concentraciones como potencias de 10, se prefiere trabajar solamente con su exponente cambiado de signo. De esta forma, cuando nos estemos refiriendo a una concentración de H+ de 10-5mol/litro, lo haremos solamente indicando +5. El nombre técnico de la magnitud resultante es pH. Un pH mayor que 7 indica una predominancia de grupos OH- en el agua y, de acuerdo con la relación 1, que hay una concentración de H+ (llamados también protones) menor que la existente en el agua neutra (donde [H+]=10-7moles/litro. Por ello, este agua se denomina NO ÁCIDA o BÁSICA. Si ocurre el suceso contrario, pH menor de 7, el agua se denomina ÁCIDA y corresponde a una concentración de protones (H+) mayor de 10-7 moles / litro.

A la vista de esto, es necesario identificar los procesos que permiten incorporar al agua de la mina un exceso de iones H+ que después se transfiere a los cauces de descarga o a otros acuíferos. Antes de determinar cuáles son las reacciones a considerar, debemos indicar que no sólo es la acidez lo que hay que tener en cuenta, sino también la presencia en el agua de metales (como por ejemplo Pb,Ni,Cu,Zn,Mn,etc). Cómo estos metales, o sus iones, llegan a encontrarse en disolución en el agua es necesario aclararlo también.

Los procesos más significativos expuestos anteriormente se ven representados por las siguientes reacciones químicas :

a) Reacciones que producen H+ :
FeS2(sol)+7/2 O2+H2O — Fe2++2SO42-+2H+ 2

Además, si el Fe2+ que se obtiene como producto, reacciona aún con más oxígeno y se oxida a hierro con estado de oxidación 3 (Fe3+) O sea, el átomo de hierro en el cual se han perdido 3 electrones. Este ión puede reaccionar con el agua más o menos, dependiendo de las condiciones de pH que tenga la misma produciendo hidróxidos de hierro que precipitan. La reacción global considerando que esta precipitación efectivamente se produce es la indicada en la reacción 4. A pH bajos, el ión Fe3+ permanece en gran proporción sin precipitar. Este ión reacciona entonces fuertemente con la pirita oxidándola y creando acidez. Esta oxidación de la pirita es mucho más rápida que la que se produce abióticamente (sin mediación de bacterias)con oxígeno (2)

Fe2++1/4O2+H+—Fe3++1/2H2O 3

Fe2++1/4O2+5/2O2—Fe(OH)3(sol)+2H+ 4

FeS2+14Fe3++8H2O—15Fe2++2SO42-+16H+ 5

Las reacciones en las que se producen metales pesados y que, por tanto, es necesario controlar son éstas :

ZnS(sol)+2O2—Zn2++SO42-

PbS(sol)+2O2—Pb2++SO42-

NiS(sol)+2O2—Ni2++SO42-

CuS(sol)+2O2—Cu2++SO42-

CuFeS(sol)+4O2—Cu2++Fe2++2SO42-


ALGUNAS ESTIMACIONES SENCILLAS O PRIMEROS CÁLCULOS

Bajo ciertas hipótesis que especificaremos en el apartado siguiente pueden estimarse, a partir de unas medidas bastante sencillas los órdenes de magnitud de los tiempos de duración de la contaminación (tanto de H+ como de metales tóxicos). Para hacerlo se procede de la siguiente forma :

- 1) Determinar en la(s) zona(s) de interés el área afectada por la problemática, o sea, las labores afectadas por la inundación . Para la realización de la primera estimación podrían tomarse las características de volumen total, volumen minado y superficie expuesta.

- 2) Determinar la masa de carbón que se considera afectada por los procesos de reacción. Sin embargo, tampoco será exclusivamente superficial ya que existirá, en el mejor de los casos , una “banda de fracturación” por la cual circularán el agua y el aire. Los cálculos deberían, por tanto, realizarse teniendo en cuenta cierto rango.

- 3) Determinar la composición mineralógica del carbón o la presencia de minerales de los anteriormente citados. Estimar su masa total. Esto puede hacerse a partir del porcentaje volumétrico del total y de la densidad.
Llegados a este punto pueden obtenerse impresiones cualitativas de cuál sería la contaminación dominante en ese lugar. Por ejemplo, si la abundancia relativa de pirita es mucho menor que la de esfalerita (ZnS) resultará un agua no ácida, rica en metal de poca movilidad. Hay que tener en cuenta que la movilidad de los metales depende enormemente del “tipo de agua” en que se encuentran y, por ende, como antes mencionábamos, del pH. Además, poniendo como ejemplo el zinc del que estamos hablando ahora, pero teniendo en cuenta que es válido para otros metales, el Zn en disolución no tiene porqué estar todo como Zn2+. Este reacciona en cierta medida con el agua, generando lo que se denominan compuestos de hidrólisis que también están disueltos. Esto tiene dos consecuencias : Una, nos previene contra las excesivas simplificaciones ; Otra, al hablar de los metales disueltos, obliga a tener en cuenta que cada una de las distintas formas en las que este metal puede hacerlo tiene toxicidades diferentes y afectada de diferentes formas a los seres vivos.

Otro ejemplo consistiría en que se diese una abundancia de pirita y también de galena (PbS). Por la primera se producirá acidez, soltando la segunda iones Pb2+a la disolución que tendrán gran movilidad por tratarse de aguas ácidas. Estos iones (o los compuestos de su reacción con el agua que también sean solubles), por tanto, permanecerán en el agua que sale por las descargas a los cauces. Sin embargo, y esto ya sugiere una posible medida correctora, si se eleva el pH de la disolución en el momento y lugar adecuados, el agua pierde “capacidad” para mantenerlos en disolución produciéndose precipitados de estos iones y disminuyendo, por ende su concentración en el agua.

- 4) Identificar las salidas (descargas) del agua de inundación de la mina (del sistema). Esto presupone trabajo de dampo y la elaboración de un modelo conceptual de funcionamiento hidrogeológico del sistema. En esas salidas deben efectuarse análisis de concentración de metales, de oxígeno y pH, así como medir el caudal.

- 5) De las medidas anteriores se obtiene el ritmo de salida (unidades de masa/tiempo)de las sustancias (p.ej. metales) de interés. Teniendo en cuenta los pesos atómicos (o moleculares) correspondientes podemos expresarlos en unidades de moles/tiempo para cada especie. A través de las reacciones que representan la producción de cada uno de estas especies a partir de la mineralogía correspondiente-la presente en la zona-podemos determinar en moles/tiempo el ritmo de consumo de los minerales presentes-por ejemplo de la pirita. Convirtiendo a consumo de masa/tiempo empleando los pesos atómicos (resp.moleculares) se obtiene lo que podríamos denotar como una “velocidad de meteorización” de los minerales expuestos.

- 6) A partir de esa velocidad de meteorización (unidades de masa/tiempo) y teniendo en cuenta la masa total estimada para cada una de las especies minerales (calculada anteriormente) se tiene una estimación del tiempo durante el cual se seguirá produciendo la contaminación procedente de las fuentes presentes en las salidas muestreadas.

La validez de estas estimaciones descansa en un nº bastante amplio de hipótesis restrictivas. Por tanto sólo puede tomarse como punto de partida para tener una idea de los órdenes de magnitud . Esto es muy importante a la hora de diseñar soluciones al problema técnica y económicamente.

Algunas de las hipótesis que condicionan la interpretación del resultado anterior son las siguientes :

HIPÓTESIS

COMPROBACIÓN

Se conocen perfectamente todas las salidas y entradas del sistema (todas están controladas)

Realización de un balance hidrogeológico de entradas-salidas

Se admite el estado estacionario : O sea, que en cada punto del sistema nada cambia ya (concentaciones, pH, etc) con el paso del tiempo

Examinar existencia y amplitud de los cambios hidrogeológicos : variaciones estacionales, actividades mineras existentes aún. Comprobar midiendo la evolución temporal de los parámetros pertinentes

No hay sumideros internos de contaminantes (o sea que no se producen precipitaciones) y la medida es infalible (Todo lo que se produce sale por la salida y nuestro instrumento de medida lo detecta)

Realización de una modelización geoquímica para comprobar las condiciones de existencia y estabilidad de los elementos. Diseño adecuado de la campaña de medidas.

Se asume la distribución homogénea de minerales y que no hay caminos preferenciales, o sea, que pasa lo mismo en todas las partes del sistema.

Examinar sondeos, inventarios de composiciones mineralógicas, realización de ensayos de trazadores,etc..


OTRAS FUENTES DE PRODUCCIÓN DE ACIDEZ

Como hemos mencionado, la producción de acidez procede fundamentalmente de la oxidación de la pirita. En realidad lo que se oxida es el azufre de la pirita. Cuando el hierrro(Fe) y el azufre (S) están juntos formando la pirita (mineral) tienen un estricto intercambio electrónico. Cada átomo de hierro puede considerarse que cede dos electrones de su envoltura a dos átomos de azufre, cada uno de los cuales “se queda” con uno de ellos. Desde un punto de vista individual , el hierro tiene ahora exceso de cargas positivas en número de dos, mientras que cada uno de los átomos de azufre que entran en la fórmula de la pirita tiene un exceso de una carga negativa (un electrón de más).Esto se representa diciendo que el estado de oxidación del hierro en la pirita es +2 y el del azufre es -1.

Cuando la pirita reacciona con el oxígeno según la reacción anterior TODO el azufre de la misma pasa a encontrarse en el ión sulfato (SO42-), o sea combinado con el oxígeno. Mirado desde el punto de vista del azufre, éste ahora cede electrones al oxígeno, que los “atrae” con más fuerza que él. En concreto cada átomo de azufre cede ( en cierta forma pierde) 6 electrones quedando por lo tanto con un exceso de 6 cargas positivas. Su estado de oxidación es ahora de +6. Es decir, al átomo de azufre, mirado individualmente, el hecho de que la reacción se haya llevado a cabo le ha supuesto la pérdida de 7 electrones, ya que ha pasado de estado de oxidación -1 a +6. Este aumento de nº de oxidación (que consiste en una “pérdida” de electrones) es lo que se entiende por oxidación. El azufre se oxida porque pierde electrones.

Para que algún elemento se oxide (pierda electrones), debe haber algún otro que los capte. De este último se dice que se reduce*. El elemento que se reduce se llama oxidante, puesto que oxida al otro(le “quita” electrones con los que él mismo se queda). En esta reacción, el elemento oxidante es el oxígeno molecular (O2).Él se reduce a oxígeno que capta dos electrones (en el ión sulfato) y que por tanto tiene dos cargas negativas en exceso.

Si examinamos las reacciones de producción de iones de metales tóxicos, veremos que también son de este tipo. Se denominan reacciones REDOX. En ellas hay un trasiego real o aparente de electrones.

Explicado esto fijaremos nuestra atención en la pirita. Hay que ver que sustancias son capaces de oxidarla (oxidar el azufre) en las condiciones en las que se halla “in situ”, provocando la correspondiente acidez. Una forma de hacerlo es examinado los llamados “Potenciales de reducción” de los distintos compuestos minerales que están presentes, en las reacciones que experimenten.

En cualquier reacción REDOX se pueden distinguir, al menos teóricamente, dos partes :Una semirreacción de reducción, que expresa los cambios que sufre el elemento que se reduce. Otra semirreacción de oxidación que expresa los cambios que afectan al elemento que se oxida. Esas dos semirreacciones contienen todo el trasiego de electrones. Puede haber elementos que no cambién su número de oxidación en la reacción. Desde el punto de vista del trasiego electrónico estos elementos son “testigos pasivos” y no se tienen en cuenta en las semirreacciones. Sin otra indicación, localizadas y escritas las dos semirreacciones, resulta imposible saber en qué sentido se van a producir. O sea, se plantea la pregunta :Puestos juntos el azufre de la pirita y el oxígeno del aire ¿quién es el que va a oxidarse, al mismo tiempo que el otro se reduce ?¿Se reduce el azufre y se oxida el oxígeno ? ¿O quizás es al revés ?. Se trata de saber en qué sentido las reacciones transcurren espontáneamente en las condiciones dadas.

Para saberlo, los químicos termodinámicos han extraído una magnitud, que es medible experimentalmente y que indica, según su signo (+ ó -) y el valor absoluto que tenga, el sentido en el cual la reacción transcurre espontáneamente y permite comparar además la fuerza o tendencia con la que dicha reacción se produce. Esta magnitud se denomina Eh. Por convenio internacional, se refiere siempre a las reacciones escritas en el sentido de la reducción, o sea :

ESP. OXIDADA + ne- = ESPECIE REDUCIDA
Si el potencial de reducción es positivo (Eh mayor que cero) entonces la reacción se producirá espontáneamente tal y como está escrita. Si es negativo, se producirá espontáneamente la reacción contraria, (caso, naturalmente de que sea ella la única que se produce). Supongamos que consideramos dos semirreacciones posibles, la de reducción del azufre y la de reducción del oxígeno escritas en la forma anterior. Pues cada una tiene su Eh. Hay que comparar los dos. El que lo tenga mayor se reduce frente al otro.

Todo el que se reduzca frente a la pirita, acepta los electrones que ésta le da al oxidarse y por lo tanto contribuye a la acidez. Todo el que se oxide frente a la pirita, le dará a ella los electrones que él pierda contribuyendo a la “neutralización” de la acidez.

Supongamos que escribimos en columna, una debajo de otra las distintas semirreacciones de reducción con sus potenciales de reducción correspondientes, todos ellos en las mismas condiciones de P,T, pH,etc. Ponemos arriba del todo el que tenga el Eh mayor y ordenamos sucesivamente hacia abajo en orden decreciente de Eh. Tal como lo hemos organizado en la figura 1 para distintas especies que pueden estar presentes en el agua de mina, se ve que no sólo el O2 molecular, sino también el NO3 , el MnO2 ,y el Fe(OH)3 pueden producir la oxidación del azufre de la pirita en favor de una reducción del correspondiente metal. Esto amplía el campo de los posibles agentes provocadores de acidez no sólo a la presencia de O2 molecular sino también a de todos aquellos compuestos de la tabla anterior ( y otros que pudieran no estar incluidos en ella) que queden por encima de la pirita en la llamada serie electromotriz (o sea, que su semirreacción de reducción tenga un potencial más positivo).

Figura de los potenciales redox

El Eh es una magnitud que depende también del pH. En general, llegados al equilibrio termodinámico en las reacciones a considerar , el Eh depende linealmente del pH en un sentido tal que cuanto las aguas sean más ácidas (menor pH) mayor es el potencial de reducción de las reacciones consideradas.

En un medio determinado, pueden medirse el pH y las concentraciones de las diferentes especies. Con estos datos puede determinarse el Eh. Si lo que sale es superior a lo que está tabulado para una situación de equilibrio, significa que se producirá de forma espontánea la reducción de sulfato y por lo tanto la oxidación de la pirita.

Desarrollaremos ahora el concepto de Capacidad oxidante del agua de mina.

Conocidas unas condiciones dadas de concentración medida de los diferentes elementos, debemos remitirnos a las reacciones que involucren a las sustancias presentes que tengan mayor Eh que la semirreacción de reducción de la pirita y que por lo tanto sean capaces de reducirse con prioridad a la pirita, quitándole electrones y provocando su oxidación. También hay que contar aquellas sustancias presentes cuyas reacciones de reducción tengan, en las condiciones dadas un Eh inferior al de la reducción de la pirita en las mismas condiciones. Estas se oxidan en presencia de la pirita cediéndole electrones que ella utiliza para reducirse.

Se trata de determinar cuántos electrones favorecen a la oxidación y cuantos electrones favorecen a la reducción. El balance entre ambos me da los electrones realmente efectivos a la hora de provocar la oxidación de la pirita. Recurriendo a la estequiometría de las reacciones (que está disponible en tablas y que es, por tanto, dato) puedo calcular la acidez potencial que se produciría y otros factores como p.ej la producción de sulfatos teórica.

Como estas también las puedo medir,de la comparación de ambos resultados, el teórico y el experimental, es posible falsar la validez o límites de las hipótesis admitidas. Una muy importante es que aún no se ha tenido en cuenta la cinética de las reacciones. Otra es que se supone que todo mineral capaz teóricamente de sufrir una reacción de reducción está en situación real de hacerlo, o sea que todo el contenido mineralógico de la zona reacciona homogéneamente y en su totalidad.


LA CINÉTICA DE LOS PROCESOS

Si comenzamos a tener en cuenta el tiempo durante el cual transcurren los procesos las cosas se complican bastante. No obstante pueden extraerse, con relativamente pocos datos, informaciones orientativas sobre cuáles son los procesos limitantes en la generación de acidez en el agua de mina.

Para razonar sobre la posibilidad más obvia, supongamos que la oxidación de la pirita se produzca mediante la acción del oxígeno molecular. Este puede hallarse en el sistema de la mina abandonada merced a varios mecanismos de transporte. En primer lugar, el más evidente, la infiltración en el sistema subsuperficial de las aguas oxigenadas superficiales que lo alimentan. En segundo lugar podría ocurrir que hubiera una buena parte de lo que, habiendo sido galerías abiertas, no hayan resultado inundadas. El aire circularía por estas labores aportando un oxígeno que entraría en el agua a través de un proceso de difusión. Si la mina no está totalmente abandonada, el oxígeno debe obligatoriamente entrar en las zonas de trabajo,”percolándose” o difundiéndose hacia el agua de las otras zonas.

Analizando en cada caso las fuentes que pueden aportar el oxígeno, deben tomarse medidas espacialmente distribuidas, si se puede, de la concentración de oxígeno disuelto presente en el agua. La razón de hacerlo así es que una zona puede ser relativamente abundante en oxígeno y otra ( situada a otra profundidad o, sencillamente, en otro lado) resultar anóxica, porque, posiblemente se hayan llevada ya a cabo los procesos que han consumido su oxígeno.

Hablando de estos procesos, sobre uno de cuyos ejemplos-la oxidación de la pirita-estamos discutiendo, es necesario saber cuánto tiempo tarda dicha reacción en consumir el oxígeno. O dicho de otra forma, a qué ritmo tendríamos que aportarle oxígeno a la pirita para que pudiese continuar produciéndose. Posteriormente habría que identificar cuál de los diversos procesos de aporte de oxígeno que pueden darse (advección, difusión,etc) cumple con ese requisito.

Si al medir la concentración de oxígeno, hemos encontrado una cantidad apreciable, se deduce de ello-suponiendo naturalmente que la oxidación de la pirita está teniendo lugar-que al menos uno de los procesos de aporte de oxígeno está consiguiendo llevar el oxígeno a la zona de medida con más rapidez de la que éste es consumida por la reacción, razón por la cual hay un exceso de O2, que es lo que se mide.

Si al contrario, habiendo reacción no se midiera concentración apreciable de O2 concluiríamos que éste no es capaz de llegar a la zona a un ritmo suficiente para “alimentar” el proceso de oxidación. La pirita se lo “come” todo.

¿cómo determinar el ritmo de la reacción ?

Una compilación de datos de laboratorio dice que el ritmo de consumo de O2 es proporcional a su propia concentración instantánea. La expresión matemática de esto es :

d[O2]/dt=k’ [O2] 6

Donde k’ es un número que depende de la superficie disponible para la reacción con la pirita. Es lo que se llama una reacción de primer orden porque la concentración de la sustancia, en este caso el oxígeno, está elevada a la primera potencia. En este caso, si duplicásemos la concentración presente en un instante, en ese mismo momento desaparecería el doble de rápido.

El hecho de que la reacción sea de primer orden facilita los cálculos, pero lo esencial es disponer de una expresión como la anterior aunque la potencia sea mayor. A partir de esta expresión puede derivarse cómo evoluciona la concentración en el oxígeno del agua al pasar el tiempo. Intuitivamente podemos ver-admitiendo la expresión anterior como verdadera-que ésta nos dice que partiendo de una concentración inicial dada, al cabo de cierto tiempo, debido a la reacción tendremos menos concentración, o sea, en ese nuevo instante el segundo miembro será menor. Aplicando nuevamente la expresión a ese nuevo instante para calcular la rapidez con la que desaparece oxígeno, encontraremos que ésta es proporcional a la concentración de oxígeno presente, que es menor que al principio ; por lo tanto el ritmo de reacción es también menor.

Por lo tanto, la curva que representa la evolución de la concentración de oxígeno con el tiempo debe descender rápidamente al principio e ir haciéndose cada vez mas tendida a medida que el tiempo transcurre. La gráfica se presenta en la siguiente figura.

Una vez conseguida la expresión (la fórmula matemática explícita) de la evolución de la concentración del oxígeno con el tiempo, podemos usarla para obtener un indicador de lo rápida o lenta que resulta la reacción, o sea un tiempo característico.

Uno muy utilizado es el tiempo que tendría que transcurrir para que la concentración presente se redujese a la mitad. O sea, tomamos un volumen dado de agua que tiene X moléculas de oxígeno disuelto. Dejamos que reaccione con la pirita justo el tiempo necesario para que en el mismo volumen hayan desaparecido exactamente la mitad de las moléculas de oxígeno disuelto. La expresión que permite calcularlo es la siguiente.

T1/2=(1/K’)Ln 2 7

Sin embargo, no hay a priori ninguna razón por la que tengan que ser exactamente la mitad de las moléculas las que desaparezcan en nuestro tiempo característico. De hecho, podríamos considerar como tiempo característico el necesario para que desaparezca un porcentaje dado de moléculas por unidad de volumen. La expresión es igual de simple :

Sin embargo, el cálculo de este tiempo característico tiene asociada una dificultad mayor que la de decidir cada cuántas moléculas desaparecidas lo medimos. Se trata de que en su fórmula interviene el número k’. Para calcularlo es necesario estimar la superficie reactiva efectiva. Este es un número bastante incierto.

Una forma alternativa de calcular la k’ es utilizado el ya estimado ritmo de meteorización de la pirita. En este cálculo entra de forma implícita la estimación de la masa de pirita presente y capaz de reaccionar, con lo cual también es bastante incierto. Se trata de calcular el volumen de agua involucrado y la masa de pirita reaccionante por cada litro de agua. Transformando esto en moles y recurriendo a la estequiometría de la reacción pueden estimarse los moles de O2 que se consumen por año, o sea el primer miembro de 6. Como el segundo miembro, es decir la concentración de O2 es medida directamente, de la expresión 6 se obtiene el valor de k’ y a partir de 7 el tiempo característico.

Los procesos de aporte de oxígeno pueden ser : Por adveccíón, o sea transportado el oxígeno molecular disuelto en la corriente de agua. Se tratará de sumar las componentes que entren directamente por la infiltración y también la parte de oxígeno que se disuelve como consecuencia de la presión parcial del mismo gas, en caso de que éste esté en contacto con la superficie libre del agua. O bien por difusión.

Los tiempos característicos suelen ser muy distintos de un proceso a otro, siendo mucho más lento el proceso de difusión. Los tiempos característicos de ambos procesos hay que estimarlos y compararlos con el tiempo característico de la consunción de oxígeno por la pirita.

Además de valorar aquellas reacciones capaces de producir acidez hemos de tener en cuenta las posibles reacciones que atenúan este efecto, o sea que son capaces de consumir H+. Indicamos a continuación alguna de ellas . La cinética de estas reacciones es la que determina la efectividad a la hora de disminuir la acidez. En la tabla siguiente se indican algunos ritmos o velocidades de reacción normalizadas por metro cuadrado de área reactiva.

MINERAL

Ritmo en Laboratorio (mol/m2-s)

Ritmo en campo (mol/m2-s)

Pirita

b5e-10

a6e-10

Calcopirita

b2e-10

a2e-13

Calcita

c1e-1

h3.8e-7

Feldespato-K

i3.2e-12

Anortita

d5.0e-12

a4e-14

Albita

e2.5e-12

a1e-14

biotita

f6.5e-12

a1e-14

moscovita

g4.6e-13

aStrömberg y Banwart (1994) bReferencias citadas en Strömberg y Banwart (1994) cChou y Wollast (1989) dAmrhein y Suárez (1988)
eChou y Wollast (1985) fGrandstaff (1986) gStumm y Wieland (1990) hWicks y Groves (1993) iValor compuesto basado en resultados de Sverdrup(1990)

En ella se ve como la pirita (en resultados de laboratorio) desaparece a un ritmo de 5×10-10moles/seg. provocando en ese tiempo la desaparición de 10-9moles/seg de H+.Si imaginamos que el ritmo permanece constante (en realidad tiene bastantes posibilidades de decrecer) se produciría 1 mol de H+en 109seg. O sea 31 años aproximadamente. Ese mismo mol sería consumido por un mol de caliza en 10seg. De esta forma la caliza, mientras esté disponible y en perfectas condiciones para resultar efectiva, mantendrá la acidez a raya sin problemas.

Visto de otra manera, si consideramos la cantidad de protones producidos en 31 años por metro cuadrado de pirita reactiva, 1 mol(1 gr.) de H+ sería anulado en 10 seg. por 92 gr. de calcita, debemos tener no obstante en cuenta que esto es por unidad de superficie. En una mina de 1km2 de superficie y 100m de profundidad suficientemente minada la superficie reactiva puede ser del orden de magnitud de 108m2 lo cual significa que en cada segundo, en la superficie reactiva supuesta se generará 1 mol de H+ cada 10 seg. En estas condiciones 92 gramos de caliza resultarían suficientes para neutralizar el aporte de toda la mina. Hay que preguntarse no obstane si la superficie reactiva de la caliza es suficiente y cual es su grado de degeneración a medida que reacciona (puede anularse por precipitados etc). No olvidar que estas estimaciones están hechas con resultados de laboratorio. Los ritmos son uno o dos órdenes de magnitud más lentos en el campo que en el laboratorio.
Las otras reacciones son mucho más lentas, aunque también tienen su efecto ; La rapidez con la que transcurren las reacciones puede estar mediatizada por la presencia de catalizadores-por ejemplo, actividad microbiana.

Cuando hablamos del agua de mina ácida ( o básica) en realidad estamos utilizando un concepto ligeramente desviado de aquel con el que se definía acidez en los primeros párrafos. Estamos intuitivamente refiriéndonos a un agua de referencia que seguramente tampoco tiene un pH=7, o sea no es estrictamente neutra. Hablaremos entonces de acidez (resp. de basicidad) cuando el pH de nuestro agua de mina sea mayor ( resp.menor) que el de referencia.

Este agua de mina puede tener gran cantidad de sustancias disueltas, por ejemplo las que se indican en la siguiente tabla. Tomado un pH de referencia, podemos saber qué sustancias de las anteriores se convierten en compensadoras o neutralizadoras de acidez por debajo del pH anterior y cuáles contribuyen a ella estudiando las reacciones en las que cada una puede participar. Existen pues sustancias que tienen una capacidad neutralizadora de ácido y otras que tienen una capacidad neutralizadora de base (o sea que general ácidez). El balance entre estos dos grupos nos dará si las aguas tienden son ácidas o son básicas al pH referido.

—–

GEOLOGÍA

La CuencaCarbonífera Central ocupa una extensión de 1400km2 y está situada al suroeste de la ciudad de Oviedo, presenta una disposición en arco con dirección desde NE-SO en la zona septentrional a N-S y NO-SE en las áreas más meridionales, constituyendo el nucleo de la llamada “Rodilla Astúrica” (figura 3). La potencia total estimada de sedimentos en la Cuenca varía, para unos sería de 5.800 m (Claverol y Luque, 1994) y para otros 6000m (hoja geológica de Mieres del IGME, 1975).

En esta cuenca alternan materiales de facies continentales con restos de plantas y materiales de facies marinas (cuenca de origen parálico).

Según Claverol y Luque (1994), el proceso de formación de las capas de carbón fue consecuencia del desarrollo de importantes masas arbóreas en zonas pantanosas próximas a una estable y amplia línea costera en las que se producían sucesivas y cíclicas invasiones marinas, o aportes de sedimentos desde el continente, dando lugar a la muerte y enterramiento de dicha masa arbórea e iniciándose los procesos fisico-químicos y diagenéticos que originan las capas de carbón tal y como las conocemos. De esta manera, a lo largo de la serie estratigráfica de la cuenca se han depositado cerca de un centenar de niveles de carbón, cuyas potencias medias estan entre 0.5 y 2 m. La sedimentación de estas capas es irregular, con variaciones muy importantes en su potencia ( incluso pueden llegar a desaparecer).

Junto con el carbón se han depositado otros materiales que, constituyen los hastiales de las capas, principalmente son: lutitas (pizarras) y areniscas, y con menor frecuencia, calizas, margas y conglomerados silíceos (pudingas) o carbonatados (gonfolitas).

ESTRATIGRAFÍA

Claverol y Luque (1994) distinguen dos unidades en función de las diferencias estratigráficas que presentan y tectónicamente se encuentran separadas por una importante zona de fractura denominada “Falla de la Peña” de trazado NE-SO. La unidad más importante es la Caudal-Nalón ( denominada también Aller-Nalón) situada en la parte oriental de la cuenca, mientras que la Unidad de Riosa-Olloniego pertenece a la parte oriental.

UNIDAD CAUDAL-NALÓN

Barrois (1882) diferenció dos Formaciones: Lena (la inferior) y Sama (la superior). Tradicionalmente, los mineros subdividen las capas de carbón y materiales estériles adyacentes bajo la denominación de “paquetes”, que de muro a techo, según la nomenclatura de García-Loygorry et al. (1971) son: Levinco, Llanón, Tendeyón, Caleras, Generalas, San Antonio, María Luisa, Sotón, Entrerregueras, Sorriego y Modesta-Oscura.
Se agrupan en varios tramos productivos, suprayacentes a otros materiales, que se han denominado “Tramo Subhullero”.

1ºTramo productivo:

Está constituido por los paquetes: Levinco, Llanón y Tendeyón. La edad de este tramo abarca desde el Westfaliense A hasta el Westfaliense D Inferior.

2º Tramo productivo:

Comprende los paquetes de Caleras, Generalas y San Antonio. Cronológicamente, este segundo tramo se sitúa en el Westfaliense D.

3º Tramo productivo:

En este tramo aparecen los dos paquetes más importantes del yacimiento María Luisa y Sotón. Cronológicamente también se encuentra totalmente incluido en el Westfaliense D.

4º Tramo productivo:

Los paquetes que estan dentro de este tramo son: Entrerregueras y Sorriego que son los que afloran fundamentalmente en el valle del Nalón, aparecen las primeras gonfolitas y poseen dos tramos con importante influencia marina, y el paquete Modesta-Oscura. Este último tramo productivo presenta una edad comprendida entre Westfaliense D y Estefaniense A.

En la figura 4 se muestra la columna estratigráfica del Carbonífero de la Cuenca Carbonífera Central de Asturias, según García Loygorri en 1973.

DESCRIPCIÓN DE LOS PAQUETES

De muro a techo se sitúan los siguientes paquetes:

- TRAMO SUBHULLERO

1.- Paquete grioto

Calizas rojizas de grano fino, muy bien estratificadas en bancos de pequeño espesor con alguna intercalación de pizarras rojizas o verdosas. Su contenido fosilífero es principalmente de crinoideos, radiolarios y ostrácodos. Su potencia media es de 25m.

2.- Paquete de la Caliza de Montaña

Compuesto por calizas masivas en su parte media de color grisáceo a blanquecino y mejor estratificadas y de color negruzco hacia la base y el techo. Entre sus caraterísticas más notables están el olor fétido y la dolomitización y recristalización. En cuanto al contenido faunístico se pueden encontrar radiolarios, ostrácodos y foraminíferos.

3.- Paquete Fresnedo

Constituido por pizarras calcáreas, pizarras arcillosas de color marrón a negruzco y algunos niveles de areniscas cuarcíticas de grano fino y poligénicos, alcanzando un espesor medio total de 470m.

- PRIMER TRAMO PRODUCTIVO

4.- Paquete Levínco

Constituido por una potente alternancia de areniscas y lutitas arcillosas o arenosas y vetas de carbón con intercalaciones de calizas grises en bancos de potencia variable que en la parte oriental de la cuenca va aumentando de espesor de norte a sur llegando a alcanzar los 760m.En este paquete se explotaron por minería de montaña capas a 250 y 500m por encima del nivel carbonatado.

5.- Paquete Llanón

Constituido por tres bancos de micropudingas y un grupo de 7 u 8 capas de carbón (explotadas en La Colladona y al sur de Laviana), que a techo presentan una alternancia de pizarras más o menos arenosas y areniscas finas con una veta de carbón cuyo techo es una caliza de unos 25 m de potencia, siendo la potencia total del paquete de 490m.

6.- Paquete Tendeyón

La potencia de este paquete alcanza los 950m estando constituidos la parte inferior por intercalaciones de cuarcitas y pizarras, y en su parte superior una sucesión de calizas, areniscas y pizarras calcáreas, pizarras arenosas, algún horizonte de carbón (explotado en Vega del Ciego) y un nivel muy característico y constante denominado “cuarcita de La Cruz”.

- SEGUNDO TRAMO PRODUCTIVO

7.- Paquete Caleras

Comienza con un tramo continental de 30m de espesor con 5 o 6 vetas de carbón, dos de ellas explotables. Por encima de este se sitúa un nivel marino de unos 100m de espesor sin indicios de carbón en cuya base aparece una caliza. A techo de este tramo le sucede un nuevo episodio continental de 50m con intercalaciones carbonosas. Por último a techo del paquete se encuentra el último tramo marino de 126m de potencia que comienza con una caliza y tres niveles finos de carbón terminando con dos vetas de carbón de gran continuidad a lo largo de toda la cuenca.

Por encima de estas capas de carbón aparece una caliza delgada que lateralmente pasa a conglomerado calcáreo de 0.5m de espesor.

8.- Paquete Generalas

Con una potencia media de 307m este paquete comienza en su base con una caliza continua (Caliza de La Torala). Hacia arriba aparece un carbonero sobre el que se sitúa un tramo continental de unos 55m predominantemente arenoso con algunos niveles de carbón, algunos de los cuales son explotables (capas Generalas). A techo del paquete aparece un tramo de caracter marino con potencia media de 143m que finaliza con un nivel de pudinga o su equivalente lateral.

9.- Paquete San Antonio o Entrepudingas

Constituido en su base por un grupo de cinco carboneros intercalados entre sedimentos arenosos que lateralmente hacia el Este pasan a dos. Hacia techo aparece una pudinga silícea que se acuña lateralmente y sobre ella un nuevo tramo de capas y carboneros con facies principalmente arenosas. El espesor medio del paquete es de 315m.

- TERCER PAQUETE PRODUCTIVO

10.- Paquete Maria Luisa
Este paquete junto con el Sotón es el que presenta el mayor número de capas explotadas de toda la cuenca. Presenta un espesor medio de 300m dividido en tramos marinos y continentales claramente diferenciables con espesores muy similares todos ellos.
Comienza con un tramo continental que contiene de tres a seis niveles de carbón. Sobre él se encuentra un nivel marino muy continuo que en su base presenta una caliza con cambio lateral a facies arenosas. Por encima se sitúa otro tramo continental con vetas de carbón. Sobre este último se disponen un nuevo tramo marino y otro continental culminando la serie con un tramo marino, todos ellos llevan intercaladas capas de carbón.

11.- Paquete Sotón

Explotado principalmente en el valle del Nalón, comienza este paquete con un tramo continental en el que aparecen de cuatro a nueve niveles de carbón. A continuación se situa un tramo predominantemente marino aunque con abundantes restos vegetales siendo numerosas las intercalaciones de vetas de carbón. Por encima se encuentra un nuevo tramo continental que contiene de seis a ocho capas de carbón. Finaliza la serie con un nuevo tramo marino que se puede dividir en dos subtramos, siendo el inferior muy similar al anteriormente descrito con diez o más niveles de carbón y el superior muy semejante a los tramos marinos del paquete M° Luisa en cuanto a la escasez y reducida potencia de las intercalaciones carbonosas. Hacia el techo se encuentra el tonstein Lozanita que constituye un buen nivel de correlacción estratigráfica. También aparecen unas cuatro a ocho capas de carbón .

En todos los tramos se han explotado algunas de las capas de carbón. La potencia media del paquete es de 400m.

- CUARTO TRAMO PRODUCTIVO

12.- Paquete Entrerregueras

Su espesor medio es de 340m. Su parte basal está constituido por un tramo marino que en algunas zonas comienza con un delgado banco de caliza y finaliza con dos o tres niveles de carbón. En su parte intermedia encontramos representado un pequeño tramo continental que en el Norte de la Cuenca va seguido por un tramo marino, otro continental y un nuevo tramo marino. Su parte superior está constituida por dos tramos continentales separados por un pequeño tramo marino a techo del cual se encuentra el primer banco de gonfolita ( nivel guía constuído por un conglomerado de cantos calcáreos).
13.- Paquete Sorriego

Se encuentra constituido por cuatro tramos principales. En su base aparece un potente tramo marino prácticamente estéril. En su parte intermedia se depositó un tramo continental con algunos niveles de carbón explotables. A techo del paquete se encuentra un pequeño tramo marino seguido de un potente tramo continental con numerosas intercalaciones de capas de carbón y niveles de gonfolitas.

14.- Paquetes Modesta-Oscura

Constituyen los niveles estratigráficamente más altos del Carbonífero productivo de la Cuenca Central. Está formado por una sucesión de siete tramos de origen marino y continental, que al igual que en los paquetes anteriores se disponen de manera alternante. Se inicia la serie con un tramo marino basal y finaliza con un tramo continental muy potente sobre el que se sitúa un pequeño tramo marino estéril. En algunos de los tramos aparecen niveles de gonfolita y contiene unas siete capas de carbón explotables. La potencia total del paquete es de 394m.

UNIDAD DE RIOSA-OLLONIEGO

Presenta una estratigrafía muy diferente a la unidad anterior siendo muy difícil correlacionarlas entre si.La potencia total de esta unidad alcanza los 2600 m diferenciándose cuatro paquetes, Canales, Pudingas, Esperanza y Ablanedo, siendo el paquete Canales el más explotado con un total de unos quince niveles de carbón aprovechados.

Las características que mejor definen esta unidad son dos pudingas silíceas (conglomerado de Riosa) con escasa continuidad lateral, que pertenecen al paquete Pudingas, y de un conglomerado poligénico (conglomerado de Olloniego) perteneciente a los paquetes Esperanza y Ablanedo.

En la figura 5 se puede ver la distribución geográfica de las explotaciones mineras en la Cuenca Carbonífera Central en Noviembre de 1993 y en la figura 6 un esquema de correlación de los paquetes productivos entre series obtenidas en algunas de estas explotaciones-

TECTÓNICA

M.J. Julivert, distingue en la zona cantábrica : Región de Pliegues y Mantos o de Asturias Central, Cuenca Carbonífera Central, Región de Mantos o de Asturias Oriental, Picos de Europa, y región del Pisuerga-Carrión.

Tectónicamente, la Cuenca Central se encuentra en el núcleo de la “Rodilla Astúrica” y comprendida entre las llamadas regiones de “mantos de corrimiento”, al Este, y de “pliegues y mantos”, al oeste, y que han traído como consecuencia los cabalgamientos de la región de pliegues y mantos sobre la Cuenca Central, y de ésta sobre la región de mantos.

Se puede dividir en dos unidades: La occidental o de Riosa, y la oriental o de Aller-Nalón.

La unidad Aller-Nalón se dispone en forma de sinclinorio, reflejando la primitiva disposición en cubeta, plegada posteriormente. Las direcciones de los pliegues mayores se alinean arqueándose de forma paralela a como lo hace la serie de Riosa, variando sus rumbos, que son N-S en el rió Aller y a lo largo del rio Caudal, hasta mieres y NNE-SSO en la zona del Nalón.

Las diferencias estratigráficas entre ambas unidades (Oriental y Occidental) junto a la aparición ente ambas de brechasde origen dudoso y de mineralizaciones de mercurio y sulfuros, así como las manifestaciones volcánicas de San Tirso, sugieren la existencia de un gran accidente tectónico, cuyo juego de corrimiento y alcance desconocido hubieran puesto en contacto series que antaño debían encontrarse alejadas, con características paleogeográficas diferentes.

El hecho de que en la mitad sur de la Unidad Aller-Nalón, con alturas topográficas mayores que en la zona N., afloran preferentemente los paquetes productivos inferiores y medios (Caleras-Sotón), mientras que en el valle del Nalón los núcleos de los sinclinales dejan asomar a la superficie los paquetes superiores hace pensar en un basculamiento general de la cuenca alrededor de un eje alineado E-O que habría de pasar por su parte Central.

Las unidades estructurales de la Cuenca Carbonífera Central más importantes son el Sinclinal de la Justa, el Sinclinal de Sama, el Anticlinal de Sama y el Sinclinal de el Entrego.

La red de fallas puede agruparse en tres sistemas principales, las fallas E-O, las NE-SO y las NO-SE. Además aparecen fallas cabalgantes en el borde occidental.


COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CARBÓN

El carbón está compuesto principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno siendo el nitrógeno y el azufre componentes menores. Las proporciones de los diversos componentes varían con la clase de carbón.

CONSTITUYENTES PETROGRÁFICOS DE LOS CARBONES

Son todos aquellos componentes de origen orgánico o inorgánico presentes en un carbón, cuya variación cualitativa o cuantitativa permite diferenciar los distintos materiales , estableciendo su naturaleza litológica.

Los componentes minerales presentes en las capas de carbón generalmente son no visibles a simple vista y han sido introducidos en el carbón a partir de transportes mecánicos.

Hay varias clasificaciones en cuanto a la procedencia de los minerales, según Lessing (1926):

1- residuos minerales contenidos en las plantas.

2-material introducido en las cuencas como sedimentos.

3-sales precipitadas a partir del agua durante el proceso de formación del carbón.

4- sustancias cristalinas que precipitan a partir de las aguas que circulan por fracturas y juntas durante el proceso de formación del carbón.

5-productos procedentes de la descomposición.

6-sustancias formadas en otros ambientes pero introducidas antes de finalizar la formación del carbón.

CONSTITUYENTES ORGÁNICOS

Tienen su origen en los restos vegetales que durante el proceso de carbonización han ido sufriendo una serie de cambios consistentes en un enriquecimiento en Carbono y una disminución progresiva en su contenido en agua.

Estos procesos de transformación llevan asociados cambios texturales, de composición química, de las propiedades físicas, etc. Según el grado de transformación que hallan experimentado se pueden diferenciar cuatro tipos de carbones que, de menor a mayor grado de transformación, son los siguientes:

- turba
- lignito
- hulla
- antracita

Los carbones de la Cuenca Central pertenecen a distintas categorias de hullas, aunque algunos meridionales rozan el límite hulla-antracita.
Varían gradualmente, desde secas de llama larga (con un contenido superior al 40% en materias volátiles), que se distribuyen por el sector septentrional (zona de Siero), hasta antracitosas (porcentaje de volátiles inferior al 10%), o incluso antracitas, en el sector meridional (zona del Aller), pasando por las hullas de coque, características de la zona central (zona del Turón).

Cada tipo de carbón se puede considerar como una roca constituida por macerales que son los equivalentes a los minerales de las rocas no carbonosas.Un maceral es una unidad orgánica, es decir, un material derivado de una planta.

Los macerales de las hullas se agrupan en tres tipos: Vitrinita, Liptinita o Exinita e Inertinita.

En el “Proyecto de investigación para la caracterización geológica de las capas de carbón en la Cuenca Carbonífero Central Asturiana” en 1987 de la empresa HUNOSA, se concluye que las características petrográficas medias, en cuanto al análisis maceral, para el total de las muestras estudiadas, reflejan un alto contenido en Vitrinita que llega a alcanzar el 85% (tabla 1).

Tabla 1

Analisis Maceral

Vitrinita

85.55

Liptinita

6.77

Inertinita

7.7

CONSTITUYENTES INORGÁNICOS

En una capa de carbón, pueden existir los siguientes constituyentes:

a) sólidos

- nódulos carbonatados de calcita CaC03 o siderita CO3 Fe.
- interalaciones arcillosas, pizarrosas, caoliníticas y también de origen volcánico (Tonsteins).
- minerales arcillosos, calcita, pirita, marcasita, yeso, sílice coloidal, etc..
- fragmentos fósiles tanto vegetales como animales.
- otros elementos tales como arsenio, cobre, mercurio, zinc, titanio, aluminio, vanadio en contenidos en ppm.

b) liquidos
-el fundamental es el agua que puede ser de imbibición o infiltración, de porosidad, de composición química o molecular.

c) gaseosos
-los más destacables son el CH4 (metano), CO2 (dióxido de carbono), N, SO2 (dióxido de azufre).


GEOQUIMICA DE LAS CAPAS DE CARBÓN EN LA CUENCA CARBONÍFERA CENTRAL

La geoquímica de esta zona ha sido estudiada a partir del análisis químico de 32 elementos mayores, menores y trazas sobre las cenizas de combustión a 800 °C de 91 muestras recogidas en los pozos Polio y Tres Amigos, pertenecientes a los paquetes M° Luisa y Sotón. Este estudio aparece recogido en el “Proyecto de investigación para la caracterización geológica de las capas de carbón en la Cuenca Carbonífero Central Asturiana” del año 1987 de la empresa HUNOSA.

Esta caracterización geoquímica de las cenizas de los carbones se emplea para la correlación de capas, teniendo aplicaciones en el aprovechamiento de sustancias enriquecidas, acondicionamiento de suelos y medio ambiente.

En la Cuenca Carbonífera Central, las concentraciones de elementos de interés comercial , como el aluminio y vanadio, está por debajo de los niveles de aprovechamiento. Sin embargo presentan una aplicación aceptable como fertilizante de suelos ya que enriquecen estos en elementos mayores y traza, mejorando su estructura y favoreciendo la retención de la humedad. Desde el punto de vista medioambiental, el estudio geoquímico de las cenizas de los carbones se manifiesta de gran utilidad para determinar las emisiones a la atmósfera en la combustión de los carbones, y en los procesos ligados a lixiviación de las escombreras y su efecto en el medio que los circunda.

Los resultados obtenidos están recogidos en la tabla 2 que se muestra a continuación.

Tabla 2



Si
O2

Al2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

Fe2O3

P2O5

TiO2

S

Mn

Sb

Ga

Ba

La

U

Th

Ge

As

Cu

Pb

Zn

Ni

Co

V

Cr

Rb

Cd

Be

Sr

Li

Se

47,07
%

25,87
%

4,43
%

1,55
%

0,59
%

3,64
%

9,57
%

0,16
%

0,92
%

1,63
%

350,10
ppm

3,04
ppm

58,51
ppm

1103,20
ppm

70,10
ppm

8,07
ppm

20,2
ppm

8,58
ppm

165,76
ppm

101,76
ppm

200,21
ppm

190,01
ppm

76,7
ppm

30,65
ppm

230,98
ppm

118,13
ppm

257,91
ppm

1,01
ppm

6,84
ppm

251,53
ppm

235,05
ppm

126,93
ppm


CONCLUSIONES

Al cesar el bombeo en una explotación minera subterránea el agua va rellenando los huecos dejados por la actividad extractiva formándose un acuífero subterráneo artificial que tiene una alta porosidad y permeabilidad. En ocasiones está conectado a otros acuíferos artificiales (dos o mas minas conectadas entre si) o naturales (acuífero areniscoso o carbonatado en contacto con el agua de mina). Cuando el agua, en el proceso de inundación del pozo, alcanza la superficie topográfica por grietas o galerías se produce el drenaje a modo de fuente hacia los cursos fluviales, contribuyendo a su contaminación en el caso previsible de que sean ácidas, y dadas las características disolventes de los metales pesados por parte de estas aguas se pone en peligro la vida en el medio fluvial. Si están en contacto con un acuífero es posible que este se contamine con las aguas que provienen de la mina.

En un momento en que se prevén cierres de minas en la Cuenca Central Asturiana (C.C.A) y que en el pasado ya se han cerrado muchas es conveniente tener presentes los procesos químicos, biológicos, e hidrogeológicos, y plantear soluciones tanto para el caso de las minas inundadas ya de antiguo como para las que se piensa cerrar en el futuro. En el proceso de cierre tiene importancia el como se haga, ya que se pueden seguir una serie de recomendaciones que facilitarían el conocimiento previo de lo que pueda ocurrir y adelantarse a los acontecimientos estableciendo mediadas correctoras. Estas recomendaciones a modo de conclusiones del presente trabajo son producto: Del conocimiento de situaciones similares en otros países que tienen este problema desde hace tiempo. Del tipo de componentes petrográficos y químicos que tienen los carbones de la C.C.A .De las litologías de la serie carbonífera en Asturias. Así como del conocimiento de los procesos químicos que intervienen en el proceso de generación de las aguas ácidas en una mina de carbón.

Es pues un esbozo de propuesta metodológica que requeriría de los siguientes pasos:

1. Un estudio detallado de las labores mineras en cada uno de los pozos nos permitirá conocer la subsidencia que se producirá cuando una parte de los huecos dejados por la actividad extractiva cese. La infiltración de las aguas pluviales será mayor si aumentan las grietas en superficie producidas por la subsidencia. La porosidad y permeabilidad del acuífero generado es función del volumen de huecos dejados, y los drenajes ( fuentes en el caso de un acuífero natural) se producirán porlas grietas o galerías que alcancen el punto mas bajo de la superficie topográfica.

2. El conocimiento de las labores mineras nos permite estimar la superficie de carbón que estará en contacto con las aguas. Por debajo de nivel “freático” el carbón no estará en contacto con el oxígeno del aire, y en la parte superior (no saturada) ese contacto permanece a lo largo del tiempo.

3. La superficie de caliza expuesta al contacto del agua ácida. Ya se indicó la importancia que esto tiene como elemento neutralizador. La serie litológica (fig.4) de la C.C.A. tiene bastantes pasadas de caliza a excepción de los paquetes mas altos. En la correlación de pozos y paquetes (fig.6) se ve que solamente los pozos Modesta, Sorriego,Venturo, y Entrego sitúan su actividad minera en estos paquetes superiores.

4. Los datos de lluvia y las medidas de la escorrentía superficial junto con el calculo de la evapotranspiración permiten calcular la infiltración.

5. Conociendo el caudal de agua que se infiltra a la mina, su calidad (pH, concentración de O2, Nitratos, etc) y la superficie de roca y carbón que está en contacto con ella, se puede estimar el tiempo que durará la contaminación ya que es función de una “velocidad de meteorización” que tiene en cuenta el volumen de los minerales expuestos.

6. La instalación de un Linnígrafo o algún método de medida continua de la evolución del nivel del agua en la mina nos permitiría seguir el ritmo de llenado del pozo, pudiendo prever cuando y donde se producirá el drenaje al exterior, así como la estimación del volumen de huecos ocupados por el agua.

7. El reconocimiento y estudio detallado de los drenajes de cada uno de los acuíferos generados en el proceso de llenado de la mina abandonada. Las medidas de caudales y análisis de las aguas drenadas (pH, oxígeno disuelto, metales pesados, Nitratos, hidróxidos de hierro, Óxidos de manganeso, etc).

8. Con todo lo anterior se puede desarrollar un modelo hidrogeoquímico que teniendo como datos:

a) La superficie de exposición de materiales que contienen elementos contaminantes (carbón, roca encajante) y la superficie de rocas que actúan como atenuantes de la contaminación ácida (rocas carbonatadas).

b) La dirección y sentido de la circulación del agua dentro de la mina.

c) Los diferentes parámetros hidrogeológicos (porosidad, permeabilidad).

d) La velocidad de meteorización de los diferentes minerales contaminantes expuestos al contacto con el oxígeno y la cantidad de cada uno de ellos.

Pueda determinar el ritmo de producción de agua ácida y su variación en el tiempo.


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