Área de estudio

La zona de estudio de Hidalgo del Parral (Fig. 1) se sitúa sobre roca ígnea del Terciario y rocas sedimentarias del Cretácico y del Neógeno, por ello se observan estos dos tipos de rocas presentes en la zona. Se ubica en la región hidrológica Bravo Conchos (^{SGM 2019}). De acuerdo con ^{Barraza (2015)}, la presa de jales de la mina La Prieta, tiene una antigüedad aproximada mayor a 300 años, este tiempo se considera a partir de que la mina empezó con la explotación de los minerales y además se supone es la fuente principal de la emisión de los contaminantes al ambiente del área en estudio.

Fig. 1 Ubicación de Hidalgo del Parral en Chihuahua (^{SGM 2019}). 

Muestreo y preparación de muestras

En concordancia con la Norma Mexicana NMX-AA-132-SCFI-2006 (^{SE 2006}), ^{Barraza (2015)} estableció un plan de muestreo y las especificaciones para la obtención y manejo de 18 muestras. Para ello consideró tres zonas: jales nuevos, jales blancos y jales rojos. El muestreo fue de tipo superficial, con una profundidad de 30 centímetros en cada punto. En cada sitio se recolectaron aproximadamente 500 g de muestra. Dichas muestras se conservaron en bolsas de plástico con cierre hermético para facilitar su traslado desde Parral, Chihuahua, hasta Ciudad Universitaria en la Ciudad de México. Posteriormente, ^{González (2016)} realizó un muestreo complementario en seis puntos, seleccionándolos debido a que Barraza los había caracterizado mediante fluorescencia de rayos X. En la presente investigación se utilizaron las seis muestras recolectadas por ^{González (2016)}, que habían estado almacenadas durante 2.5 años, aproximadamente, en bolsas de polietileno de baja densidad, herméticamente cerradas y conservadas en un ambiente de aproximadamente 4 ºC. En la figura 2a, b se muestran los puntos de recolección de ambas investigaciones.

Fig. 2 Ubicación de muestreos de (a) ^{Barraza (2015)}, (b) ^{González (2016)}. Nota: HP son puntos de muestreo, siglas que corresponden a Hidalgo del Parral. 

Métodos y equipos

^{Barraza (2015)} realizó el análisis mineralógico para las muestras seleccionadas por medio de un difractómetro de geometría Bragg-Brentano PANalytical X’Pert system (monocromador de grafito, rendija automática, radiación Kα del Cu a λ = 1.54061 Å, potencia de trabajo 45 kV - 40 mA, rango de barrido 4-100º 2θ con paso de 0.017º 2θ y tiempo de medida de 50 s). Para la identificación y valoración semicuantitativa de las fases se utilizó el programa XPert Graphics Identify Philips. Por otro lado, la determinación de metales y metaloides presentes en las muestras se llevó a cabo por el método de fluorescencia de rayos X (XRF) utilizando un espectrómetro secuencial de rayos X Phillips PW 2400.

El potencial de hidrogeno (pH) de las muestras de jales se determinó con base en la Norma Mexicana NMX-AA-013-SCFI-2006 (^{SE 2012}), con ayuda de un potenciómetro Coming 20. El potencial de neutralización y acidez (PN y PA) se obtuvo de acuerdo con lo establecido en la Norma Oficial Mexicana NOM-141-SEMARNAT-2003 (^{SEMARNAT 2004}). Para las pruebas de movilidad se empleó el método “Lixiviación con agua en equilibrio con CO₂ (H₂O a pH = 5.50 ajustado con burbujeo de CO₂ ”, establecido en el anexo 5 de la norma mencionada. Las concentraciones de los metales en los lixiviados se determinaron con equipo de absorción atómica marca GBC Avanta.

La determinación de azufre en forma se sulfatos se realizó siguiendo lo estipulado en la NMX-AA-74-197 (^{SECOFI 1981}), con ayuda de un equipo Hach 2100N. La cuantificación del azufre total se llevó a cabo utilizando un equipo de análisis de azufre por infrarrojo Leco S-144DR.

Para obtener los resultados de potencial de neutralización (PN), expresado en kgCaCO3/ton, se utilizó la formula incluida en la NOM-141-SEMARNAT-2003 (^{SEMARNAT 2004}):

Para calcular el ion sulfato se utilizó la siguiente fórmula (^{APHA 2003}):

Para determinar el porcentaje de sulfuros también se utilizó la fórmula establecida en la NOM-141-SEMARNAT-2003 (^{SEMARNAT 2004}):

Caracterización mineralógica

En el cuadro I se muestra la caracterización mineralógica de las muestras. Como se puede apreciar, los principales minerales que producen drenaje ácido de mina contienen plomo y azufre. El mineral que tiene azufre es la pirita, la cual está presente en muy bajo porcentaje y no se encuentra en todas las muestras. Por otro lado, en los jales se encuentran minerales amortiguadores como los silicatos albita (NaAlSi₃O₈), caolinita (Al₂Si₂O₅(OH)₄), moscovita (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂) y sericita (K,Na,Ca)Al₂ (Si,Al)₄O₁₁); los feldespatos potásicos (KAlSi₃O₈), y la calcita.

Potencial hidrógeno de las muestras

Los jales presentan un pH ligeramente básico. Si a esto se suma el hecho de que la pirita, principal precursor del drenaje ácido, se encuentra sólo en tres muestras y en porcentajes muy bajos (cuadro I), se tiene un primer indicio de que no existe generación de drenaje ácido en los jales de la mina La Prieta. Los valores de pH en las muestras de jales se observan en la figura 3.

Fig. 3 Resultados de determinación de pH en las muestras de jales. 

Determinación del potencial de neutralización

De acuerdo con la técnica de la NOM-141-SEMARNAT-2003 (^{SEMARNAT 2004}), la determinación del potencial de neutralización (PN) tiene dos mediciones. En primer término, la medición cualitativa de carbonatos: a las muestras de jales se les agregaron tres gotas de HCl al 25 %, lo que comprobó la efervescencia presente en los carbonatos, cuya calificación se aprecia en el cuadro II.

En segundo término, se procedió a medir el poder de neutralización. Con los valores obtenidos de las dos mediciones de los jales mineros en estudio se calculó el PN, el cual varió de 7.5 a 44.0 kg CaCO₃/t. Esto demuestra que tienen la capacidad de neutralizar la formación de drenaje de ácido de mina (Fig. 4).

Fig. 4 Resultados de determinación de potencial de neutralización. 

Determinación del potencial de acidez

Para determinar el potencial de acidez (PA) se realizó la extracción de azufre en forma de sulfatos con el método turbidimétrico, utilizando un equipo marca Hach 2100N (Cuadro III).

Los sulfatos pueden contribuir a la cuantificación del PA; sin embargo, no se encuentran en todas las muestras (cuadro I) o están en porcentajes muy bajos. ^{Jennings y Dollhopf (2000)} corroboraron que los minerales que contienen sulfatos sólo generan acidez si se disuelven. Estos autores autores utilizaron HCl (4.91 M) y HNO₃ (1.99 M) y en sus resultados mencionan que:

La determinación de azufre total se efectuó con un equipo de análisis de azufre por infrarrojo Leco S-144DR (límite de detección: 1% en azufre total). Sin embargo, el azufre total no fue detectado. Esto concuerda con los resultados obtenidos en el cuadro I: la pirita se encuentra sólo en tres muestras (HP2, HP5 y HP7) y en porcentajes muy bajos, aunque este mineral es uno de los principales precursores del DAM (^{Aduvire 2006}).

Para el cálculo del PA Armienta (2019) recomienda utilizar la mitad del límite de detección del equipo, es decir, 0.5% de azufre total. Los resultados del PA se muestran en el cuadro IV.

La relación PN/PA para cada muestra se presentan en la figura 5, donde puede observarse que los valores de las muestras HP2, HP3 y HP5 son menores que el valor de la relación PN/PA ≤ 1.2 por lo que, de acuerdo con la NOM-141-SEMARNAT-2003 (^{SEMARNAT 2004}), son potenciales generadoras de drenaje ácido, mientras que las tres muestras restantes no lo son, ya que el valor de la relación PN/PA es > 1.2.

Fig. 5 Relación entre potencial de neutralización y potencial de acidez. 

Las muestras provenientes de la presa de jales de la mina La Prieta tienen una antigüedad de más de 300 años (^{Barraza 2015}). Durante este tiempo, el horizonte de la presa tuvo varias reacciones químicas y de proceso de lixiviación; sin embargo, aun cuando los carbonatos presentes hubieran reaccionado con el DAM para neutralizarlo, agotándose de manera gradual, los siguientes minerales que actuarían como neutralizantes serían los silicatos y aluminosilicatos (^{Price 2005}). En el cuadro I se muestra la presencia de este tipo de minerales, siendo el cuarzo el que se encuentra en todas las muestras y en cantidades abundantes. Por ello se esperaría que, cuando los carbonatos se agoten con el paso del tiempo, no se genere DAM, ya que estos minerales tienen la capacidad de neutralizar la posible acidez generada.

Concentración de metales y metaloides

Se determinaron las concentraciones totales (base seca) de metales y metaloides de los elementos potencialmente tóxicos (EPT) en los jales de la mina en estudio, mediante espectrofotometría de absorción atómica y fluorescencia de rayos X en el caso del antimonio.

En concordancia con la NOM-157-SEMARNAT-2009 (^{SEMARNAT 2011}), los límites máximos permisibles (LMP) son los siguientes: As, 100 ppm; Ba, 2000 ppm; Cd, 20 ppm; Pb, 100 ppm, y Sb, 10.6 ppm. Los valores encontrados exceden en demasía los LMP, como se muestra en las figuras 6, 7, 8, 9 y 10, donde las líneas rojas representan dichos límites.

Fig. 6 Concentración de As en las muestras de jales. 

Fig. 7 Concentración de Ba en las muestras de jales. 

Fig. 8 Concentración de Cd en las muestras de jales. 

Fig. 9 Concentración de Pb en las muestras de jales. 

Fig. 10 Concentración de Sb en las muestras de jales. 

Pruebas de movilidad de metales y metaloides

Para las pruebas de movilidad mediante cuarteo se elaboró una muestra compuesta con las muestras HP-2, HP-3, HP-5, HP-7, HP-16 y HP-17 tomadas por ^{González (2016)}. En el cuadro V se presentan los resultados obtenidos de las pruebas de lixiviación. Para los casos del arsénico, cadmio y plomo se utilizaron los siguientes límites de detección: 3, 0.2 y 2 mg/L, respectivamente.

Los resultados muestran que los metales As, Cd y Pb se encuentran por debajo de los límites de detección establecidos y además superan los LMP establecidos en la NOM-157-SEMARNAT-2009 (^{SEMARNAT 2011}); por ello, las muestras de jales seleccionadas de las mina La Prieta no representan un peligro si se toma en cuenta sólo la movilidad de As, Cd y Pb. En el caso del bario, ^{Grigorova et al. (2015)} mencionan que la barita es la principal fuente de bario en la industria química, por lo que es de esperarse que sea la fuente de bario presente en los jales de la mina La Prieta. Este mineral se encuentra presente en sólo dos muestras (HP3 y HP7) y en bajas cantidades.

^{Hannor (2000)} menciona que la barita tiene una solubilidad extremadamente baja, incluso en condiciones altamente ácidas, además de ser resistente a las condiciones ambientales por la característica mencionada. Con base en lo anterior se esperaría que el Ba no se lixivie ni supere los LMP. En el presente trabajo se utilizó como extractante agua en equilibrio con CO₂ , con un pH de 5.5. Por otro lado, ^{Jennings y Dollhopf (2000)} utilizaron HCl y HNO₃ como extractantes, encontrando que aun a valores bajos de pH no ocurre la disolución de la barita y de este modo no es posible la presencia de bario en el lixiviado.

Los jales en estudio provienen de depósitos de mineral tipo skarn, los cuales se caracterizan por ser rocas metamórficas regionales o de contacto constituidas por Ca, Mg y Fe, elementos provenientes de un protolito calcáreo (rocas calizas y dolomitas) (^{Maksaev 2001}). ^{Armienta et al. (2012)} mencionan que la presencia de calcita y dolomitas en este tipo de yacimientos promueve la retención de As, Ba, Cd, Pb y aumenta la liberación de Sb; sin embargo, los minerales de sulfuro y carbonato controlan el proceso de atenuación natural, evitando así la contaminación ambiental.

Dispersión de los jales

^{Barraza (2015)} menciona que en la zona de estudio existen dos corrientes de agua (marcadas en color azul, Fig. 11), las cuales son de tipo intermitente, es decir, que sólo en época de lluvias pudieran llegar a tener agua y provocar arrastre de jales.

Fig. 11 Corrientes de agua presentes en la zona de estudio (^{Barraza, 2015}). 

En el punto donde convergen el río y el arroyo, ^{Barraza (2015)} realizó un muestreo (HP8), encontrando bajas concentraciones de EPT (As,7.42 mg/L; Pb, 751.69 mg/L; Ca, 9.7 mg/L; Ba, 1324 mg/L, y Sb, 18.2 mg/L). Asimismo, asevera que si se toma en cuenta el arrastre producido por el viento no existen barreras para mitigar la dispersión. Los vientos predominantes, de hasta 9.4 km/h, provienen del suroeste, y la ciudad se encuentra en esa dirección, pero lo que no se descarta que haya arrastre de jales.