Śledzenie dróg dyspersji metali na opuszczonym obszarze górniczym w basenie Morza Śródziemnego: przypadek użycia okręgu górniczego Cartagena–La Unión.

Dawny okręg górniczy Cartagena–La Unión (południowo-wschodnia Hiszpania) jest jednym z najbardziej zniszczonych przez górnictwo krajobrazów w basenie Morza Śródziemnego. Obszar ten jest eksploatowany od ponad dwóch tysiącleci pod kątem minerałów siarczkowych, takich jak galena (PbS), sfaleryt (ZnS) i piryt (FeS), a także węglanów, tlenków żelaza, wodorotlenków i siarczanów. Działalność górnicza osiągnęła szczyt od połowy XIX wieku do 1991 roku, kiedy to zamknięto ostatnią kopalnię. Obecnie krajobraz nosi liczne ślady swojej górniczej przeszłości, w tym miliony ton odpadów kopalnianych o niezwykle wysokich stężeniach metali (np. Pb i Zn często > 10 000 mg kg⁻¹, Cu powszechnie > 100 mg kg⁻¹, Mn często > 1500 mg kg⁻¹, a Cd między 10 a 100 mg kg⁻¹). W połączeniu z rzadką roślinnością, gwałtownymi opadami deszczu i stałymi wiatrami, warunki te tworzą wysoce dynamiczny system, w którym zarówno erozja wodna i wietrzna stanowią główne szlaki transportu zanieczyszczeń.

Rysunek 1. Lokalizacja okręgu górniczego Cartagena–La Unión (SE Hiszpania) oraz miejsca badań, gdzie prowadzona jest zbiór danych SOILPROM dla erozji wodnej (a) i erozji wietrznej (b).

W ramach projektu Horyzont Europa SOILPROM, ta strona stanowi kluczowy przypadek użycia do zrozumienia, w jaki sposób metale i metaloidy są transportowane i redystrybuowane w rzeczywistych warunkach środowiskowych. Nasza praca skupia się na kluczowym pytaniu: Jak procesy erozji napędzają dyspersję metali na opuszczonych, półpustynnych obszarach górniczych?

Erozja wodna: zdarzenia burzowe jako czynniki transportu metali

Rambla del Beal, epizodyczny ciek wodny odwadniający obszar górniczy, odgrywa kluczową rolę w transporcie metali. Jego koryto, mocno dotknięte odpadami górniczymi, stanowi główny kanał transportu zanieczyszczonych osadów do terenów nizinnych.

Aby skwantyfikować transport zanieczyszczonych osadów przez erozję wodną, ustanowiono monitoring terenowy na odcinku około 1,5 km górnego biegu Rambla del Beal, koncentrując się na jednej tamie zaporowej.

Podejście łączy:

  • Odpływy (rury PCV) aby przechwytywać spływ powierzchniowy i zawieszone osady
  • Erozja paznokci do pomiaru osadzania się osadów w dnie wodnym
  • Próbka rdzeniowa osadów kolekcja służąca do ilościowego określenia ilości nagromadzonego materiału w materacu wodnym
  • Analiza zlewni (nachylenie, roślinność, właściwości gleby)
Rysunek 2. Widok panoramiczny zboczy w zlewni odprowadzającej do Rambla del Beal, na których zainstalowano kołki erozyjne w celu oceny osadzania się osadów w korycie rzeki, a obok progów kamiennych umieszczono również rury PCV do zbierania spływów i zawieszonych osadów.
Rysunek 3. Szczegóły rur PCV (a) do zbierania spływów i osadów zawieszonych, kołków erozyjnych (b) oraz pobierania rdzeni (c) w korycie Rambla del Beal.

Między latem 2025 a wiosną 2026 roku monitorowano cztery zdarzenia związane ze spływem powierzchniowym i erozją. Latem skrajna suchość gleby sprzyja utlenianiu siarczków zawartych w odpadach kopalnianych, co prowadzi do wytrącania się wtórnych siarczanów metali na powierzchni (Rysunek 4). Gdy te siarczany rozpuszczają się podczas opadów deszczu, powstający spływ jest silnie zasolony i kwaśny, co ułatwia transport rozpuszczonych metali (Rysunki 5 i 6).

Rysunek 4. Wykwity solne powstałe z wtórnych siarczanów wytrąconych w najsuchszych okresach roku.
Rysunek 5. Przewodność elektryczna (EC) i pH ścieku z odpływu zebranego między lipcem 2025 a kwietniem 2026 roku.
Rysunek 6. Stężenia metali rozpuszczonych w wodach spływowych zebranych między lipcem 2025 a październikiem 2025.

Tempo erozji wahało się w granicach od 0,5 do 1,7 t ha⁻¹ (Rysunki 7 i 8), a transportowane osady zawierały bardzo wysokie stężenia metali (np. Pb: 20 000–40 000 mg kg⁻¹; Zn: 3 000–6 000 mg kg⁻¹) (Rysunek 8).

Rysunek 7. Pomiar wysokości osadu na prętach erozyjnych po opadach deszczu w październiku 2025 r.
Rycina 8. Wskaźniki erozji w zdarzeniach monitorowanych między lipcem 2025 a kwietniem 2026 roku.
Rysunek 9. Całkowite stężenia metali w osadach zebranych w rurach PVC po opadach deszczu w lipcu 2025 r. i październiku 2025 r.

Erozja wodna jest główną drogą dyspersji metali, działając na dwa sposoby:

transport rozpuszczonych metali w spływie powierzchniowym;

2) transport metali związanych z cząstkami gleby. Dyspersja metali przez erozję wodną ma silny komponent sezonowy ze względu na tworzenie się wykwitów siarczanowych w suchym okresie letnim.

Erozja wiatrowa: Atmosferyczne drogi skażenia

Równolegle badane są procesy wiatrowe na płaskim obszarze akumulacji osadów położonym około 6,5 km dalej, w pobliżu ujścia Rambla del Beal, gdzie przez dziesięciolecia gromadziły się odpady górnicze (Rysunek 10).

Rysunek 10. Lokalizacja płaskiego obszaru do oceny transportu metali przez erozję wietrzną.

Układ eksperymentalny obejmuje:

  • Odpylacze BSNE (Big Spring Number Eight) na wielu wysokościach (5, 25, 50, 75, 100 i 150 cm) (Rysunek 11)
  • Pobieranie próbek w dominujących reżimach wiatrowych (Lebeche – SO i Levante – E/NE) (Rysunek 12)
  • Sezonowy monitoring w okresach wysokiego ryzyka (lato i wiosna)
Rysunek 11. Odpylacze BSNE
Rysunek 12. Odkurzacze BSNE w dolnej sekcji Rambla del Beal.

Wyniki pokazują, że erozja wiatrowa jest głównym mechanizmem dyspersji metali (Rysunek 13):

Rysunek 13. Pobieranie próbek pyłu.
  • Cząsteczki kurzu pokazują bardzo wysokie stężenia metali (np. Zn ~ 9500 mg kg⁻¹; Pb ~ 8000 mg kg⁻¹; Cu > 100 mg kg⁻¹)-1)
  • The przeważa frakcja pyłu, umożliwiający transport na dalekie dystanse
  • Kierunek wiatru wpływa zarówno na stężenie i zmienność transportowanego materiału

Wyniki te potwierdzają, że emisje pyłów zanieczyszczających stanowią nie tylko problem lokalny, ale także potencjalne zagrożenie regionalne i atmosferyczne.

Od danych terenowych do modelowania predykcyjnego

Kluczowym celem SOILPROM jest wyjście poza obserwacje specyficzne dla danego miejsca i opracowanie zintegrowanych ram modelowania. Dane z tego przypadku użycia zostaną udostępnione modelerom z Uniwersytetu Wageningen w celu zasilenia modelu OpenLISEM (do symulacji dyspersji metali na skutek erozji wodnej) oraz modelu MicroHH (do symulacji dyspersji metali na skutek erozji wiatrowej). Integracja danych terenowych i modelowania pomoże zidentyfikować krytyczne ścieżki transportu, skwantyfikować strumienie zanieczyszczeń w różnych scenariuszach środowiskowych oraz poprawić prognozy zachowania zanieczyszczeń w zmieniających się warunkach klimatycznych.

Procesy te mają nasilić się w przyszłych scenariuszach klimatycznych charakteryzujących się dłuższymi okresami suszy i bardziej ekstremalnymi opadami, zwłaszcza w regionach śródziemnomorskich. Zrozumienie, jak erozja napędzana klimatem wpływa na mobilność zanieczyszczeń, jest zatem kluczowe dla przewidywania przyszłych zagrożeń środowiskowych i projektowania skutecznych strategii łagodzących.

Wspieranie zrównoważonych strategii remediacji

Zrozumienie sposobu przemieszczania się metali i metaloidów w tym krajobrazie jest kluczowe dla projektowania skutecznych środków zaradczych i rekultywacyjnych.

Wyniki uzyskane w studium przypadku Cartagena–La Unión będą wspierać strategie zarządzania gruntami oparte na dowodach, pomogą w ustaleniu priorytetów działań rekultywacyjnych, takich jak stabilizacja odpadów poflotacyjnych i zakładanie roślinności, oraz przyczynią się do zmniejszenia ryzyka środowiskowego i narażenia ludzi.

Szerzej, ten przypadek użycia przyczynia się do misji SOILPROM, polegającej na doskonaleniu naszej zdolności oceny i zarządzania zanieczyszczeniem gleby w całej Europie poprzez zintegrowane, oparte na procesach podejścia.