Acid rock drainage (ARD) characterisation of the Kali Kuning Deposit, Wetar Island, Indonesia: applying in-field techniques, laboratory analyses and geoenvironmental modelling

Laimeheriwa, George S.; Lottermoser, Bernd G.; Idrus, Arifudin

doi:10.18154/RWTH-2025-00032

Acid rock drainage (ARD) characterisation of the Kali Kuning Deposit, Wetar Island, Indonesia: applying in-field techniques, laboratory analyses and geoenvironmental modelling

Laimeheriwa, George S.^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von George S. Laimeheriwa, M. Eng.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lottermoser, Bernd G. (Thesis advisor)^RWTH* ; Idrus, Arifudin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00032
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/999942/files/999942.pdf

Einrichtungen

Projekte

Deutsch-indonesischer Geo-Campus in Indonesien - Kompetenz in Ausbildung und Forschung für Institutionen (01DP17033) (01DP17033)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ARD (frei) ; Kali Kuning Deposit (frei) ; Wetar Island (frei) ; characterisation (frei) ; geoenvironmetal modelling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Indonesien verfügt über eine Vielzahl an unterschiedlichen Energierohstoffen und mineralischen Rohstoffen, die über das gesamte Archipel verteilt sind. Indonesien liegt entlang tektonisch aktiver Plattengrenzen, so dass das Zusammenspiel von vulkanischen und hydrothermalen Prozessen wesentlich zur Bildung von Lagerstätten beigetragen hat, die von Interesse für bergbauliche Aktivitäten in unterschiedlich en Größenordnungen sind. Jedoch hat das Wachstum des Bergbausektors auch einen negativen Effekt auf die Umwelt. Eines der wesentlichen Probleme in der indonesischen Bergbauindustrie ist das Auftreten von sauren Grubenwässern (acid-rock drainage; ARD), die bisher weder von den Stakeholdern angemess en wahrgenommen werden noch aktiv angefasst werden. Der Fokus dieser Studie liegt somit auf der Entwicklung von neuartigen, einfachen und kosteneffektiven Techniken, um saure Grubenwässer direkt vor Ort charakterisieren zu können. Die Kali Kuning Lagerstätte liegt im vulkanisch inaktiven Segment des Banda Inselbogens, der aus intermediären,vulkanischen Gesteinen aufgebaut ist. Die Lagerstätte unterliegt den starken saisonalen Klimaschwankungen im Äquatorbereich, die sich in Form einer kurzen Regenzeit bemerkbar machen, aber gleichzeitig auch stark vom wechselhaften Monsun in Asien und Australien abhängen.Die geologischen Faktoren, die Bildung von sauren Grubenwässern in der Kali Kuning Lagerstätte beeinflussenwurden in drei Schritten bewertet. Diese umfassten einen vor-Ort Test auf saure Grubenwässer, gefolgt vom etablierten statischen Test und der abschließenden Bewertung von mineralogischen und geochemischen Analysen. Im ersten Schritt wurden Proben unter Verwendung eines Infrarot-basierten thermographischen Experiments anhand der Progression von Zeit und Temperatur in reaktive (R) und nicht reaktive (NR) Proben klassifiziert. Eine Abfolge von paste pH und FLT pH-Werten unterteilte die Proben in derzeit nicht aktiv Saure Grubenwässer bildende Proben (NCAF) und derzeit saure Grubenwässer bildende (NAF) Proben. Anhand dieses Kriteriums, dem Zusammenspiel von paste pH und FLT-Tests, lässt sich bewerten ob die Proben einen signifikanten Anteil zur first flush Wasserqualität beitragen. Proben wurden anhand von Kohlenstoff-Schwefel Werten und pH-Werten in die Kategorien PAF und NAF unterteilt. Alle NAF-Proben wurden keiner weiteren Untersuchung unterzogen, so dass sich die Probenanzahl im zweiten Schritt reduzierte. Im zweiten Schritt wurde, im einfachen statischen Test, das Potential der Proben ermittelt Säuren zu produzieren, so dass die Proben anschließend in die Kategorien AF (säurebildend), EAF (stark säurebildend) und UC (ungewiss) unterteilt wurden.Eine Kombination aus den theoretischen NAP Werten und MPA mit single NAG pH und paste pH wurde verwendet, um das Potenzial der Proben saure Grubenwässer zu bilden, akkurat zu bestimmen. Im dritten Schritt wurden alle Ergebnisse bewertet und die Proben in die entsprechenden Kategorien klassifiziert. Geochemische und mineralogische Analysen wurden durchgeführt, um Textur, Morphologie und Konzentration der Haupt- und Spurenelemente zu bestimmen. Dieses Vorgehen zielte darauf ab zwischen den unterschiedlichen saure Grubenwässer-Risiko-Kategorien zu unterscheiden und eine Empfehlung auszusprechen, in welchem Fall ein fortgeschrittener saure Grubenwässertest (z.B, ein kinetischer Test) durch-zuführen ist.Diese Studie zeigt, dass, basierend auf der Reaktivität im IR-Test und den pH-Werten im paste pH und USGS FLT Test, die Mehrheit der Gesteinsproben als potentiell saure Grubenwässer bildend einzuordnen ist. Die Lahar- (Lhr) und die Kalkstein- (Ls) Proben hingegen zeigen kein Potential saure Grubenwässer zu bilden. Im zweiten Schritt wurden die Massiv-Sulfid- (Ms) und die Tuff-Brekzien- (Tbx) Proben als saure Grubenwässer-bildend (AF) klassifiziert. Im Gegensatz hierzu wurden die massiven Pyrit-führenden Proben (Mpy), die Silica-führenden vulkanischen Proben (Svc) sowie die Tonmine- ralführenden Pyrit Proben als extrem saure Grubenwässer bildende (EAF) Einheiten klassifiziert. Aufbauend auf dem zweiten Schritt, wurden die Proben im dritten Schritt hinsichtlich ihres Potentials saure Grubenwässer zu bilden und Metalle herauszulösen klassifiziert. Die Ms, Mpy und Svc Gesteinseinheiten gehören in Gänze der high-risk Sauerwasser-Kategorie an, während die Clp und Tbx Gesteinseinheiten sehr heterogen aufgebaut sind und somit Proben von der low-risk bis zur high-risk saure Grubenwässer-Kategorie umfassen.Demzufolge sollten die Proben aus den Einheiten Ms, Mpy, Svc, Clp und Tbx kinetischen Tests unterzogenwerden, um ihr zukünftiges Potential für die saure Grubenwässerbildung zu bestimmen. Mineralogische und geochemische Studien, die im dritten Schritt durchgeführt wurden, unterstützen diese Folgerung. Schritt drei bestätigt, dass Mineralogie und Alteration einen wesentlichen Einfluss auf die saure Grubenwässercharakteristika in der Kali Kuning Lagerstätte haben. Das genetische Modell der Lagerstätte erklärt den Fluid-Typ und die Abfolge des hydrothermalen Prozesses, während dem die Mineralgemenge gebildet worden sind. Die saure Grubenwässercharakteristika spiegeln den Grad der Alteration wider. Im weiteren Umfeld der Lagerstätte dominiert eine argillic und von Propylit überlagert wird Alteration, die zum inneren der Lagerstätte durch argillic alteration, gefolgt von silicification alteration abgelöst wird. Darüber hinaus stimmen der Säuregrad und das potentielle saure Grubenwässerbildungsverhalten der assoziierten Gesteinseinheiten mit der lateralen Abfolge der Alteration der Kali Kuning Lagerstätte überein.In dieser Studie wurde darüber hinaus die Anwendbarkeit von vor-Ort leaching Experimenten getested, um eine schnelle vor-Ort Indikation über die Konzentrationen potentieller schädlicher Elemente im metallführendenAbfluss von zwei Probentypen der Kali Kuning Lagerstätte zu bekommen. Das Experiment ist eine Modifizierung des etablierten USGS leaching Tests unter Verwendung von hydrogen peroxide um chemische Reaktionen von mineralisierten und nicht mineralisierten Proben zu erzwingen. Die mineralisierten Proben enthalten Sulfide, wohingegen die nicht mineralisierten Proben wenige sulfidische Minerale enthalten. Im Experiment wurde das kommerziell erhältliche Testequipment Quantofix der Firma Mercherey Nagel (Deutschland) und das Soluble Checker Testequipment der Firma Hanna Corporation (Deutschland) verwendet. Die Quantifix Papierstreifen enthalten ausgewählte ElementKonzentrations-Indikatoren (Co, Cu, Ni, Sn, As und Zn) mit einem begrenzten Nachweisbereich (halbquantitativ). Die Firma Hanna stellte ein quantitatives Messequipment für Cu (in ppm) und Ni (in Gew.%) bereit. Das experimentelle Setup ist so ausgelegt, dass Elementkonzentrationen im Sickerwasserüber Stunden, Tage und Wochen (0 Stunden, 24 Stunden, 1 Woche, 4 Wochen, 6 Wochen, 8 Wochen und 10 Wochen) hinweg gemessen werden.Die experimentellen Ergebnisse zeigen verschiedene Elementkonzentrationen unter Verwendung beider Instrumente. Die Quantofix Papierstreifen zeichnen As, Cu, Ni, Zn und Co Konzentrationen in den mineralisierten Proben auf. Allerdings haben einige metallische Sulfid-Proben den Auflösungsproze ss unterbunden, so dass die Minerale zwar geleached werden konnten, aber die Elementkonzentrationen unterhalb der unteren Nachweisgrenzen lagen. Dies dient der initialen Anzeige von schädlichen chemischen Komponenten im Grubenwasser. Diese Methode zeigt darüber hinaus messbare Cu, Co, As und Zn Konzentrationen in nicht mineralisierten Proben an. Der Löslichkeitstest der Firma Hanna lieferte ähnliche Ergebnisse mit allerdings geringeren Nachweisgrenzen. Die Kupfer-Konzentrationen wurden in beiden Probenkategorien aufgezeichnet mit einer geringeren Progression über die Zeit hinweg. Die Nickel-Konzentrationen wurden ebenfalls aufgezeichnet, konnten jedoch in diesem Experiment nicht verwendet werden, da der Nachweisbereich oberhalb dessen des verwendeten Equipments lag. Die mineralogischen Tests bestätigten das Probenverhalten sowie die leaching Mechanismen. Generell lässt sich sagen, dass die Ergebnisse der geochemischen und mineralogischen Analysen die Probencharakteristika und das Potential saure Grubenwässer zu bilden belegen. Das Testequipment der Firma Quantofix wird in beiden Experimenten als verlässlicher angesehen, um die Elementkonzentrationen in nicht mineralisierten Proben zu bestimmen, da die metallhaltigen Sulfide in geringeren Mengen vorlagen und exotherme Reaktionen sowie leaching nicht unterbunden worden sind. Unter Verwendung des Quantifix Equipments für die Analyse von mineralisierten Proben, konnten die Konzentrationen von Co, Cu, Ni, Zn und As effektiv gemessen werden. Das Equipment der Firma Hanna lieferte quantitative Cu Konzentrationen für beide Probentypen, auch wenn diese mehrere Größenordnungen unterhalb der Ergebnisse der ICP-MS Analytik lagen.Der geoumwelttechnische Modellansatz bestätigt, dass interne und externe Faktoren Einfluss auf mineralischeLagerstätten haben. Diese Faktoren können umwelttechnische Probleme vor, während und nach dem Abbau mit sich bringen. Das hauptsächliche geoumwelttechnische Charakteristikum der Kali Kuning Lagerstätte, das die Sauerwassercharakteristika beeinflusst, ist die Mineralogie. Die Alteration und die klimatischen Bedingungen beeinflussen die Freilegung und die Verwitterung der sulfidischen Gesteine nur zu einem gewissen Grad, so dass die Sauerwassercharakteristika der Kali Kuning Lagerstätte die existierende Alterationsverteilung nachzeichnen. Die wesentlichen saure Grubenwässerproduzierenden Edukte in der Kali Kuning Lagerstätte sind Pyrit und Kupfersulfide sowie sekundäre lösbare Salze. Das gegenwärtige saure Grubenwässermanagement in der Kali Kuning Lagerstätte spiegelt die allgemeinen, globalen saure Grubenwässermanagementpraktiken und die modernen indonesischen Firmenpraktiken wider. Die Hauptstrategie umfasst dabei den selektiven Umgang mit bergbaulichen Materialien und deren Einschluss, um Aufbereitungswässer unter Verwendung von einemaufliegenden, abdichtenden, System, Begrünung und dem extensiven Einsatz von Kalkstein zu neutralisieren.Allerdings entspricht diese gängige Praxis nicht der eigentlichen Charakterisierungsstrategie. Demzufolge schlägt diese Studie einen alternativen, kostengünstigen und effizienten Ansatz vor, um saure Grubenwässer im Rahmen der indonesischen Bergbauindustrie zu charakterisieren. Eine effektive und effiziente saure Grubenwässercharakterisierungsmethode beinhaltet die Anwendung von vor-Ort Infrarot-Techniken und vor-Ort leaching Tests um das metallhaltige Grubenwasser bewerten zu können.

Indonesia holds an abundance of various energy and mineral resources distributed all over the archipelago. Being tectonically scattered along the active tectonic plate interactions has contributed significantly to the occurrence of minerals related to volcanism and hydrothermal processes. As a result, this attracted mining activities at different scales and magnitudes. However, the fast-growing mining industry also creates a significant impact on the environment. One of the significant problems in mining in Indonesia is the occurrence of ARD, which has recently received inadequate intention and action from stakeholders. Therefore, the primary objective of this research is to develop novel, simple and cost-effective techniques to conduct on-site ARD characterisation.The Kali Kuning Deposit is located within an inactive volcanic segment of the Banda Arc, which consists of intermediate volcanic rock. The deposit experiences highly seasonal equatorial climatic conditions, which have a limited rainy season and climatically depend on the movement of the monsoon between Australia and Asia.The geological controls on ARD characteristics in the Kali Kuning deposit were assessed in three stages, including an on-site ARD test, followed by an established static test, and finally validated by using advanced mineralogical and geochemical analyses. In stage one, the infrared thermographic experiment classified samples into reactive (R) and nonreactive (NR) based on the progression of time and temperature. A series of pH paste and FLT (fieldleach test) pH values classified samples into non-currently acid-forming (NCAF) and currently acid-forming (CAF). This criterion explains the samples’ ability to release significant first-flush water chemistry during paste pH and FLT tests. A combination of carbon-sulfur values and pH results divided samples into PAF (potentially acid-forming) and NAF (non-acid-forming) categories. The NAF samples did not undergo stage two examination; hence, at stage two, the number of samples decreased. Stages two combined basic static tests to determine the samples’ potential in acid-producing and categorise them into AF (acid-forming), EAF (extremely acid-forming), and UC (uncertain). A combination of the theoretical NAPP (net acid-producing potential) value and MPA (maximum potential acidity) with single NAG pH and paste pH was used to accurately classify the sample’s potential acidity. Next, stage three validated and explained the final sample classification in stage two. A geochemical and mineralogy test was performed to determine the texture, morphology, and concentrations of major and trace elements. This process sought to classify the different ARD risk categories and prepare a recommendation to follow up with a more advanced ARD test (e.g., a kinetic test).The results of this study found that the majority of rock samples are classified as potential acid-forming based on their reactivity in the IR test and pH values from paste pH and the USGS FLT test. Samples from Lahar (Lhr) and Limestone (Ls) units have been classified as having non-acid potential. Therefore, these samples were excluded from further investigation in the second stage. At stage two, Massive sulfide (Ms) and Tuff breccia (Tbx) sampleswere classified as acid-forming (AF) units. In contrast, samples from Massive pyrite (Mpy), Silica volcanic (Svc) and Clay pyrite (Clp) were classified as extremely acid-forming (EAF) units. Following stage two classification, samples in stage three are classified according to their potential risk of ARD and metal/metalloid leaching. The Ms, Mpy, and Svc rock units are categorised as high-risk ARD samples, whilst the Clp and Tbx share a wide range of risks from low-to-high risk ARD.Consequently, samples from Ms, Mpy, Svc, Clp and Tbx are recommended to conduct further kinetic testing to determine their future potential acid-producing capacity. Mineralogy and geochemistry studies conducted in stage three support the conclusion. Stage three confirms that the mineralogy and alteration in the Kali Kuning deposit have a significant impact on ARD characteristics. The genetic model of the deposit explains the type of fluid and stages of the hydrothermal process that are responsible for creating mineral assemblages in the depositionalstage. ARD characteristics mirror the degree of alteration, which is argillic overprinted by propylitic in the periphery of the deposit and significantly increased to argillic and silicification towards the ore zone. In addition, the acidity and potential risks associated with the rock units follow the lateral succession of the alteration of the Kali Kuning deposit.This study also explored the application of on-site leaching experiments to provide a quick on-site indication of potential deleterious element concentrations in metalliferous drainage from two types of samples from the Kali Kuning deposit. The experiment developed a modification of the established USGS field leaching test in conjunction with hydrogen peroxide to induce chemical reactions within mineralised and unmineralised samples. The mineralised sample contains sulfide-rich minerals, whilst the unmineralised sample contains minor sulfidic minerals. The experiments used commercially available test kits Quantofix provided by Mercherey Nagel, Germany and Soluble Checker test manufactured by Hanna Corporation, Germany. The Quantofix paper strip contains certain element measurement indicators (Co, Cu, Ni, Sn, As and Zn) with a limited detection range (semi-quantitatively). In addition, the Hanna soluble checker provided a quantitative measurement for Cu (in ppm) and Ni (in g/L). The experimental setup is designed to measure element concentration in the leachate for hours, days and weeks (initial hours, 24 hours, 1 week, 4 weeks, 6 weeks, 8 weeks and 10 weeks).Experimental results showed distinct element concentrations using both instruments. The Quantofix paper strip can record As, Cu, Ni, Zn and Co concentrations in mineralised samples. However, some metal-sulfidic samples prevented the dissolution process and made the mineral amenable to leaching; therefore, the element concentration was detected in lower concentrations. It serves as an initial indication of deleterious chemical components in mine water. This method also showed detectable Cu, Co, As, and Zn concentrations in unmineralised samples. The Hanna soluble checker test provided a similar result, with an even lower detectionrange. Cu concentrations were recorded in both samples, and the progression was depleted over time. Ni concentration was also recorded but could not be counted in this experiment due to the higher range provided by this kit. The mineralogy test confirmed the samples’ behaviour and leaching mechanism. In general, the results from geochemical and mineralogical analyses supported the sample characteristics and their ARD generation potential. The Quantofix was found more reliable in both experiments in measuring element concentrationin unmineralised samples because metal sulfide minerals were presented in less proportion and did not prevent exothermic reaction and leaching. The use of Quantofix in mineralised samples effectively measured the concentration of Co, Cu, Ni, Zn and As. However, using the Hanna soluble checker provides more quantitative Cu concentration results from both samples, even though the magnitude of the Cu concentrations is several tens of magnitudes lower than the results from ICP-MS analyses.The geoenvironmental model approach acknowledges that mineral deposits are controlled by internal and external factors; these may create environmental problems before, during, and after exploitation. The main geoenvironmental signatures of the Kali Kuning deposit that influence the ARD characteristics are the mineralogy. Alteration and climatic conditions, to a certain degree, increase the exposure and weathering of sulfidic rocks. Therefore, the ARD characteristics of the Kali Kuning deposit follow the existing alteration configuration. The primary acid-generating sources in the Kali Kuning deposit are pyrite and Cu-sulfide minerals, as well as secondary soluble salt minerals. Currently, ARD management in the Kali Kuning deposit reflects common global ARD management practices and modern Indonesian company practices. The main strategy involves selective handling of mined materials and encapsulation to neutralise water from ore processing using a cover system, revegetation, and extensive limestone. However, these common practices did not apply the proper characterisation strategy. Therefore, this study proposes an alternative, cost-effective and efficient method of ARD characterisation in the context of Indonesian mining. An effective and efficient ARD characterisation method involves the use of on-site infrared techniques and on-site leaching tests of metalliferous drainage.

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