Catastrophe Vulnerability and Risk Mapping in the Iron Quadrangle, Brazil – Preliminary Results in the Rio das Velhas Watershed

The geochemistry of fluvial deposits is one of the most used proxies for contamination assessment in mined areas. A river sediment survey was carried out in Iron Quadrangle (IQ), Brazil, between 2013 and 2015. Subsequently, in the last four years, two dam failures happened, causing great environmental damage. Geostatistical modelling was used to model Potentially Toxic Elements’ spatial patterns and the definition of hot/ cold clusters for Arsenic contamination risk concerning catastrophic scenarios, such as dam failure. and so used as a tool for vulnerability and risk assessment. The preliminary results for Arsenic spatial distribution are introduced and discussed

Pegmatite fields of São Pedro de Ferros, Antônio Dias and Marilac, Minas Gerais State, Brazil: petrographic characterization

Pegmatites are rocks of granite or metastatic origin with gigantic crystals that are formed in fluid phase of the magmatic liquid enriched with incompatible elements, thats why they can be considered as gemstones and industrial minerals deposits. Both studied areas in the present article were genererated by anatexia process or partial fusion. The Jatobá Mine in the Pegmatitic Field of Ferros-Antônio Dias, in Santa Maria de Itabira, explores the aquamarine gem, a beryl variety, in a pegmatite that is located closer to the granite system of the quartz core and is docked in a gnaisse granitic rock from the Guanhães Complex. The collected sample was denominated like Quartzo alkali feldspar sienite in the Diagram QAPF. The blue color of the beryl is given by the intrusion of Fe. The Duas Cores Mining represents the Pegmatitic Field of Marilac, near Governador Valadares, and the exploration of bi-color tourmaline will begin soon. This mineral is in a very weathered pegmatite, positioned more at the end of the granite system and docked in the mica-schist rock of the São Tomé Formation. The sample was named Tonalite by the QAPF Diagram. The color variation of the explored gem is related to the enrichment of the Li element at the site

Mapeamento geoquímico e estabelecimento de valores de referência (background) de sedimentos fluviais do Quadrilátero Ferrífero.

Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais, Departamento de Geologia, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.O mapeamento geoquímico e a determinação de valores de referência vem obtendo uma crescente importância nos últimos anos, pois contribuem para o tripé de desenvolvimento sustentável (saúde, meio ambiente e economia) de um país. A confecção destes mapas contribui para a localização espacial de áreas com anomalias permitindo a identificação das suas prinicipais fontes, ao passo que a determinação dos valores de referência também é fundamental para distinguir os valores considerados padrão para uma determinada área das anomalias, bem como avaliar a extensão da poluição de uma mesma área. Neste trabalho, o mapeamento geoquímico de alta densidade com os respectivos valores de referência são apresentados, ambos com enfoque ambiental. Foram coletadas 541 amostras de sedimentos de corrente em todo o Quadrilátero Ferrífero, proporcionando uma densidade de amostragem de 1 amostra para cada 13 km2. Para determinar os valores de referência foram testadas diferentes metodologias, a saber: média +2 desvio padrão, mediana +2 MAD, boxplot UIF, análise fractal, análise espacial e as metodologias associadas. Para confecção dos mapas geoquímicos foi utilizada a técnica de interpolação denominada inverso da distância ponderada (IDW). Os resultados indicam que as técnicas mais antigas de determinação de valores de referência, a Média + 2x desvio padrão e a Mediana + 2x MAD não são efetivas para a separação das anomalias, pois superestimam ou subestimam a faixa de referência. As metodologias Análise fractal e Boxplot UIF apresentaram, para a grande maioria dos elementos, valores bem próximos, confirmando que o intervalo de referência está correto e, demonstrando que ambas são as mais adequadas para ambientes geológicos complexos. Contudo, o Cu, Fe, Pb e Ti apresentaram valores 30 a 46% discrepantes entre as metodologias. No entanto, observou-se que os valores obtidos via Análise fractal demonstraram ser mais condizentes com a distribuição espacial dos elementos, além de ter apresentado os outliers em locais onde notadamente são observados impactos ambientais significativos ou a presença de litotipos ricos no elemento. Com relação aos mapas geoquímicos, observou-se que 72 a 78% da área do QF não apresenta anomalias para os elementos estudados e estes valores podem ser considerados como o background litológico, cerca de 15 a 24% da área estudada apresenta anomalias que podem ser atribuídas tanto aos tipos de rocha aflorantes quanto à influência antrópica, os quais podem ser enquadrados como altos valores de referência, e 2 – 12% do total da área apresentam valores anômalos que são considerados outliers, sendo relacionados com a a interferência humana, principalmente com a mineração. Este primeiro mapeamento geoquímico da alta densidade feito no QF permitiu delinear um controle efetivo da litologia na composição química dos sedimentos, estabelecer um padrão de comportamento bem definido para cada tipo de rocha, o que permitiu a detecção de anomalias ocorridas em função da ação antrópica. Além disso, demonstrou espacialmente quais comunidades, cidades e bacias hidrográficas estão expostas a riscos ambientais e por isso necessitam ser monitoradas e protegidas.The geochemical mapping and determination of reference values received increasing importance in recent years, because contribute to sustainable development tripod (health, environment and economy) of a country. These maps contributes to the spatial location of areas with anomalous concentrations allowing the identification of their major sources, whereas the determination of reference values is also essential to distinguish the normal values from anomalies and to assess the extent of pollution a certain area. Here, results from a high-density geochemical mapping and derived related reference values are presented, both with environmental focus. 541 stream sediment samples have been collected across the Iron Quadrangle, Brazil, with a density of 1 sample per 13 km2. To determine the reference values were tested different methodologies: mean + 2x standard deviation, median + 2x MAD, boxplot UIF, fractal analysis, spatial analysis and associated methodologies. Geochemical maps were compiled using the inverse distance weighted (lDW) interpolation method. The results shows that the most ancient techniques for determination of reference values , the mean + 2x standard deviation and median + 2x MAD are not effective to distinguished normal concentrations from anomalies because overestimate or underestimate the reference range. The fractal analysis and Boxplot UIF show, for most of the elements, very close values, confirming that the reference range is correct, demonstrating that both are the most appropriate for complex geological environments. However, Cu, Fe, Pb and Ti showed conflicting values with a difference of 30-46% between methodologies. However, the values obtained through fractal analysis proved to be more consistent with the spatial distribution of elements, and also presented outliers in regions where strong environmental impacts are observed, or in basins that presenting rock types rich in the element. With regards about geochemical maps, 72 to 78% of the IQ area shows exclusively geogenic concentration ranges for the elements studied, and these values can be considered as the background lithology. About 15 to 24% represent positive anomalies, likely related to both near surface rock types and to human interference, which can be classified as high normal range.Distinct anthropogenic anomalies, notably from mining activities explain 2–12% of all samples. This first high density geochemical mapping allowed delineate the role of lithology on the elemental composition of the sediments and establish well-defined behaviour pattern of elements for each rock type, which allowed the detection of anthropogenic anomalies. In addition, the new high-density mapping also allows delineating those localities, cities and basins that are exposed to higher environmental risks and thus need to be monitored and protected

Desenvolvimento do índice de salubridade ambiental (ISA) para comunidades rurais e sua aplicação e análise nas comunidades de Ouro Branco – MG.

Este trabalho teve como objetivo principal analisar as condições de salubridade ambiental em comunidades rurais por meio do Índice de Salubridade Ambiental (ISA). Para isso foi aplicado um modelo de ISA já conhecido, desenvolvido por Dias (2003), em três localidades rurais do município de Ouro Branco (MG), a saber: Olaria, Cristais e Castiliano. A partir desta aplicação foi verificada a inviabilidade deste modelo devido à constatação de parâmetros e pontuações inadequados que não retratam a realidade encontrada nestas comunidades. Para equacionar estas dificuldades e quantificar de maneira precisa a salubridade ambiental no meio rural foi desenvolvido um novo modelo matemático de ISA voltado para comunidades rurais, utilizando a metodologia Delphi, denominado ISA/CR. Esta nova equação para cálculo do ISA alterou o peso de alguns parâmetros e incorporou indicadores e subindicadores diferentes daqueles estudados na zona urbana. Com o mesmo propósito e numa etapa subseqüente, foi realizada a aplicação deste modelo nas mesmas comunidades iniciais e, com base nos resultados obtidos, analisou-se a sua efetividade em comparação com o modelo Dias (2003). Esta efetividade foi constatada, pois os valores dos indicadores e subindicadores encontrados mostraram-se mais condizentes com as condições de salubridade das comunidades rurais do que aqueles obtidos com o modelo ISA Dias (2003). Paralelamente, também foi feita uma análise das condições de salubridade ambiental entre as comunidades envolvidas. Ao final do trabalho os resultados indicam que o ISA/CR é uma ferramenta útil para quantificar e comparar as condições de salubridade ambiental nas comunidades rurais, e pode servir como instrumento para análise e planejamento para resolução de problemas de saneamento ambiental na zona rural, uma área do conhecimento carente de pesquisas e investigações.This research focused on the study and analysis of the conditions of environmental health in rural communities using the Index of Environmental Health (in Portuguese, ISA – Índice de Salubridade Ambiental). In order to accomplish this goal, we applied a model known as ISA, developed by Dias (2003), in three countryside areas in the city of Ouro Branco (MG), Brazil, the countryside are: Olaria, Cristais and Castiliano. From the results attained with this application, the inviability of this model has been checked, due to the very low scores found, which do not depict the actual situation in these communities. To address these difficulties and to quantify accurately the environmental health in rural areas, a new mathematical model of ISA facing rural communities has been developed, using Delphi methodology, called ISA / CR. This new equation for calculating the ISA changed the weight of some parameters and incorporated indicators and sub-indicators other than those studied in the urban area. With the same intention and in the subsequent step, this model was applied in the same communities and, from then, it had its effectiveness compared to the model developed by Dias (2003). Effectiveness was proved, because scores significantly higher than those found in ISA Dias (2003) model were found, describing, thus, accurately, the health conditions of such rural communities. In addition to that, an analysis of the environmental health of the communities involved was carried out. At the end of the study, results indicated that the ISA / CR is a useful tool to quantify and compare the environmental health conditions in rural communities and can serve as a baseline for discussion and solution of problems concerning environmental sanitation in rural areas, an aspect of knowledge that is lacking in research and investigations

Evaluation of the implementation of septic tanks improving the quality of surface waters in rural communities.

Na maioria dos municípios brasileiros, as comunidades rurais são núcleos populacionais agrupados em torno de córregos que fornecem a água e recebem seus efluentes. Buscou-se nesta pesquisa avaliar as condições dos corpos d’água na bacia hidrográfica do córrego Pau Grande, Ouro Branco, Minas Gerais, antes e depois da instalação de 20 fossas sépticas na comunidade de Castiliano, construídas em 2006. O monitoramento da bacia foi realizado entre 2005 e 2009, em 6 pontos amostrais, onde foram medidos vazão, oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, fósforo total, coliformes fecais totais, turbidez e pH. Os pontos a jusante das fossas apresentaram um aumento de mais de 100% nos valores de oxigênio dissolvido e redução em mais de 800% na quantidade de coliformes fecais. Investimentos relativamente baixos, como a construção das fossas, podem trazer melhorias à qualidade dos recursos hídricos em áreas rurais.In most Brazilian cities, rural communities are clustered in the surroundings of streams that supply water and receive their effluents. The aim of this study was to evaluate the conditions of the quality water in Pau Grande catchment, located in Ouro Branco, Minas Gerais, Brazil, before and after the construction of 20 septic tanks in the community of Castiliano, build in 2006. The monitoring of the basin was conducted between February 2005 and November 2009, using 6 control points. Several water parameters were evaluated: river flow, dissolved oxygen, biochemical oxygen demand, total phosphorus, total coliform, turbidity and pH. Monitoried points downstream of the construction sites showed an increase of more than 100% in dissolved oxygen and a decrease of fecal coliform bacteria (over 800%). Relatively small investments can bring major improvements to the quality of water resources in rural communities areas

Distribution and assessment of trace elements contamination in sediments of Conceição River basin, Brazil

The Conceição river basin, in Iron Quadrangle, Brazil had a long mining history which dates back to the late 17th century with large gold and iron mines. These activities may be associated with river sediments contamination by trace elements, which were evaluated in this paper by En-richment Factor (EF) and Contamination Factor (CF). Potential ecological risks, by combining sediment quality control guidelines (SQCG) and potential ecological risk index (Er and RI) were presented. Anomalous values for As (92.5 mg.kg-1), Cd (22.49 mg.kg-1), Cr (2582 mg.kg-1), Cu (65.9 mg.kg-1), Pb (58.6 mg.kg-1) kg) and Zn (133.4 mg.kg-1) are observed. EF and CF indicate contam-ination by Cd, Cr, Fe, Mn, Zn and Ni in at least one point, with the highest values for Fe and Mn are downstream of iron mines, Cr and Ni are close to the gold mines. According to the SQGC and Er, As, Cd, Ni, and Cr are the most probable to result in adverse effects on sediment-dwelling organisms in this study. The results of the principal component analysis (PCA) indicate distinct lithological units as sources of the analyzed elements, that associated with the indicators, made it possible for the first time to delimit and classify the high concentrations of some analyzed ele-ments as contamination in the Conceição river basin

Mapeamento Geoquímico do Manganês e Avaliação da Qualidade de Sedimentos Fluviais e Águas Superficiais do Quadrilátero Ferrífero, Brasil

O manganês é um contaminante natural das fontes de água, podendo ser tóxico em concentrações elevadas, estando associado a neuropatias. No Quadrilátero Ferrífero (QF), em Minas Gerais, o manganês ocorre associado sobretudo ao ferro, sendo que este apresenta ampla distribuição e elevadas concentrações na área de estudo. Neste contexto, foi realizado pela primeira vez um estudo regional da concentração do Mn no QF, sendo analisadas 541 amostras de águas superficiais e sedimentos fluviais, coletadas em trechos de bacias de terceira ordem ao longo de toda a área de estudo. A concentração total de  Mn foi determinada nas águas e sedimentos através da técnica de ICP-OES. As concentrações de Mn nos sedimentos fluviais variaram de 0,1 a 28.213 mg.kg1 sendo obtido um valor de background a partir da metodologia do boxplot UIF de 1770 mg.kg-1. Observa-se que as concentrações de Mn nos sedimentos fluviais do QF são muito superiores a outros rios do mundo com comprovada contaminação por metais, como os rios Danúbio, Nilo, Tess e South Plate. Foi realizada a avaliação da qualidade dos sedimentos em relação ao Mn a partir do Fator de Enriquecimento (FE) e Fator de Contaminação (FC), sendo observados 33 amostras com enriquecimento significativo a extremamente alto (FE10) e 27 com contaminação considerável a elevada (FC3). Estas amostras estão concentradas nas cidades de Ouro Preto, Mariana, Itabirito, Congonhas e Santa Bárbara. As amostras de águas superficiais apresentaram concentrações de Mn variando de 0,9 a 20.296 mg.L-1, com um valor de Q3 igual a 1770 mg.L-1, que é cerca de 17 vezes maior do que o valor máximo permitido pela legislação nacional vigente de potabilidade de água (padrão organoléptico). Observa-se que as elevadas concentrações deste elemento nas águas e sedimentos estão fortemente relacionadas às litologias do Supergrupo Minas, sobretudo ao Grupo Itabira onde se encontram as grandes minerações de ferro do QF. Essa relação explica a ampla distribuição e as elevadas concentrações de Mn na área de estudo, podendo estas então estarem relacionadas a atividades antrópicas

Mapeamento geoquímico do arsênio em águas superficiais e sedimentos fluviais no Quadrilátero Ferrífero, Brasil.

Um estudo regional da concentração do arsênio em águas superficiais e sedimentos fluviais com uma alta densidade de amostragem de uma amostra para cada 13 km2 foi conduzido pela primeira vez no Quadrilátero Ferrífero (Brasil). A região foi dividida em bacias de 3ª ordem, sendo amostrados 512 trechos nessas bacias. A concentração de As foi determinada nas águas e nos sedimentos, após digestão parcial, com o auxílio de um ICP-OES. Os valores de arsênio encontrados nas águas superficiais variaram entre 57.70 e 414 μg.L-1. Já para os sedimentos de corrente, as concentrações oscilaram entre 0.63 e 1691 mg.kg-1, sendo que dos 512 pontos de amostragem 135 (26%) apresentaram concentrações de arsênio acima do limite de detecção, que é de 0,63 mg.kg -1. Também foram encontradas 106 bacias de 3ª ordem com valores acima do 3º quartil (5.09 mg.kg-1). Os resultados mostram que as elevadas concentrações deste elemento estão fortemente relacionadas com a presença de rochas do grupo Nova Lima, que contém minerais ricos em arsênio. Porém, a influência antrópica na existência destas elevadas concentrações não pode ser descartada, já que a região apresenta um histórico de mais de 300 anos de exploração de ouro.A regional study on the arsenic concentration in surface waters and stream sediments, with a density of one sample every 13 km2, was carried out for the first time in the Quadrilátero Ferrífero (Brazil). The region was divided into 3rd order catchment basins, in which 512 areas were sampled. The arsenic concentration was determined in waters and stream sediments after partial digestion with the aid of ICP-OES. The arsenic values found in surface waters ranged from 57.70 to 414 μg.L-1, while for stream sediments, arsenic concentrations ranged from 0.63 to 1691 mg.kg-1, and from the 512 sampling points, 135 (26%) had arsenic concentrations above the limit of detection, which was 0.63 mg.kg -1. It was also found that 106 3rd order catchment basins had values above the third quartile, (5.09 mg.kg-1). The results show that high concentrations of this element are strongly related to the presence of Nova Lima rocks that contain minerals rich in arsenic. However, the anthropogenic influence in such high concentrations cannot be ruled out, as the region has a history of over 300 years of gold mining

Geochemical mapping of potentially hazardous elements in surface waters and stream sediments of the Quadrilátero Ferrífero, Brazil.

Geochemical mapping and the determination of baseline concentrations of potentially hazardous elements in the environment receive increasing attention. The need to know regional geochemical background data as well as the spatial allocation of areas with anomalous element concentrations and chances to identify their major sources motivate the interest. Here, results from a geochemical mapping exercise and derived related baseline values are presented. 541 stream sediment and surface waters samples have been collected across the Iron Quadrangle (IQ), Brazil, with a density of 1 sample per 13 km2. Geochemical maps were compiled using the inverse distance weighted (lDW) interpolation method. “Normal” background concentrations were distinguished from anomalies with the separation-by-concentrationrange technique, where positive anomalies were defined by the “boxplot” Upper Inner Fence (UIF) rule. The results demonstrate that more than 70% of the IQ area shows geogenic background concentration ranges for the elements studied. About 20% of the area represent positive anomalies, likely related to both near surface rock types and to human interference. Distinct anthropogenic anomalies, notably from mining activities are identified in 5– 10% of all samples. This first sampling in the IQ allows delineation of the role of lithology on the elemental composition of stream sediments, and to establish baseline values for the main river basins – thus pinpointing localities, cities and fluvial basins that are exposed to environmental risks and need to be protected.O mapeamento geoquímico e a determinação das concentrações dos valores de referências de elementos potencialmente perigosos no ambiente vêm obtendo uma crescente relevância nos últimos anos. A necessidade de conhecer dados geoquímicos regionais, bem como a alocação espacial de áreas com concentrações de elementos anômalos e as chances de identificar suas principais fontes motivam o interesse. Aqui, resultados de um exercício de mapeamento geoquímico e derivados de valores de referência relacionados são apresentados. Foram coletadas 541 amostras de sedimentos e águas superficiais em todo o Quadrilátero Ferrífero (QF), Brasil, com uma densidade de 1 amostra por 13 km2. Para confecção dos mapas geoquímicos foi utilizada a técnica de interpolação denominada inverso da distância ponderada (IDW) e para distinguir os valores considerados normais das anomalias, foi adotada a técnica de separação por faixas de concentração, na qual as anomalias são definidas pela regra do “boxplot” Upper Inner Fence (UIF). Os resultados demonstram que mais de 70% da área do QF apresenta faixas de concentração relacionada aos valores do background geogênico para os elementos estudados. Cerca de 20% da área representam anomalias positivas, provavelmente relacionadas tanto a tipos de rochas próximas à superfície quanto à interferência humana. Anomalias antropogênicas distintas, notadamente das atividades de mineração, são identificadas em 5% a 10% de todas as amostras. Esta primeira amostragem feita no QF permitiu delinear um controle efetivo da litologia sobre a composição química dos sedimentos, estabelecer valores de referência para as principais bacias e demonstrar quais comunidades, cidades e bacias que estão expostas a riscos ambientais e por isso necessitam ser protegidas

Comparative analysis of methodologies for determining reference values for stream sediment.

A defini??o de valores de refer?ncia em s?ries de dados geoqu?micos tem sido um dos principais desafios nos estudos relativos ? geoqu?mica ambiental. Antigas metodologias eram fundamentadas em par?metros estat?sticos, na constru??o de tabelas, gr?ficos e histogramas. Contudo, estas t?cnicas n?o definem estes valores de maneira correta ou apresentam valores muito diferentes para a mesma regi?o. Desta forma, o presente trabalho testou diferentes metodologias de determina??o de valores de refer?ncia para sedimentos de corrente: m?dia +2 desvio padr?o, mediana +2 MAD, boxplot UIF, an?lise fractal, an?lise espacial com a interpola??o pelo modelo IDW e as metodologias associadas, o que foi feito na regi?o do Quadril?tero Ferr?fero ? Brasil, conhecida mundialmente por sua diversidade de min?rios e tipos litol?gicos. Os resultados indicam que as t?cnicas mais antigas de determina??o de valores de refer?ncia, notadamente a ?M?dia + 2x desvio padr?o e a Mediana + 2x MAD? demonstraram n?o serem efetivas para a separa??o das anomalias, pois superestimam ou subestimam a faixa de refer?ncia, podendo causar erros consider?veis quando s?o discutidos aspectos relativos ? legisla??o ambiental. J? as metodologias ?An?lise fractal? e ?Boxplot UIF? apresentaram, para a grande maioria dos elementos, valores bem pr?ximos, confirmando que o intervalo de refer?ncia est? correto e, demonstrando que ambas s?o as mais adequadas para ambientes geol?gicos complexos. Contudo, foram verificados para alguns elementos (Cu, Fe, Pb e Ti) valores discrepantes de 30 a 46 % entre as metodologias. No entanto, sempre que ocorreram diverg?ncias, os valores obtidos via An?lise fractal demonstraram ser mais condizentes com a distribui??o espacial dos elementos, al?m de ter apresentado os outliers em locais onde notadamente s?o observados litotipos ricos no elemento e impactos ambientais capazes de disponibiliz?-lo para o meio.The determination of reference values in geochemical data set has been a major challenge in studies related to environmental geochemistry. Old methods were based on statistical parameters, the construction of tables, graphs and histograms. However, these techniques do not define these values properly, or show very different values for the same region. This research tested different methods the determination of reference values for stream sediments: mean +2x standard deviation, median +2x MAD, boxplot UIF, fractal analysis, spatial analysis with the IDW interpolation model and associated methodologies, in the Iron Quadrangle, Brazil, known worldwide for diversity of minerals and rock types. The results show that ancient methods of determination of reference values, notably the mean + 2x standard deviation and median + 2x MAD not to be effective for the separation of anomalies, because overestimate or underestimate the reference range, may cause errors considerable when discuss aspects related to environmental legislation. In other hand, the methodologies ?fractal analysis? and ?boxplot UIF? show, for most of the elements, very close values, confirming that the reference range is correct and, demonstrating that both are appropriate for complex geological environments. However, some elements, mainly Cu, Fe, Pb and Ti showed a great difference of between the methodologies, around 30 to 46%. For these elements, the reference values obtained via fractal analysis proved to be more consistent with the spatial distribution of the elements, and also presented the outliers in places where observed rock types rich in the element and environmental impacts that able to release it to the environment