Chris Gammons, Allison Brown Tom Henderson Simon Poulson Gammons.pdfUndergraduate student Allison...

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Using stable isotopes to trace contamination of the Madison Limestone aquifer by coal AMD, central Montana Chris Gammons, Allison Brown Montana Tech Butte, MT Tom Henderson MTDEQ Simon Poulson UnivNevada Reno Gammons, MDOC Conference, May 2012

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  • Using stable isotopes to trace contamination of the Madison Limestone aquifer by coal AMD, central Montana

    Chris Gammons,Allison BrownMontana TechButte, MT

    Tom HendersonMT‐DEQ

    Simon PoulsonUniv‐Nevada Reno  

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • Lewistown

    Great Falls

    Giant Spring

    50 km0 25

    Big Spring

    MissouriRiver

    Billings

    Helena

    Butte

    MONTANA

    Map Detail

    MissouriRiver

    MissouriRiver

    Billings

    Helena

    Butte

    MONTANA

    Map Detail

    MissouriRiverFig. 1 detail

    MissouriRiver

    Billings

    Helena

    Butte

    MONTANA

    Map Detail

    MissouriRiver

    MissouriRiver

    Billings

    Helena

    Butte

    MONTANA

    Map Detail

    MissouriRiverFig. 1 detail

    N

    Great Falls-Lewistown Coal Field

    Study area

    AMD Problems

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • • Shallow, undulatory dip of coal beds

    • Underground, room & pillar mining

    • Most mines worked updip so water would drain by gravity

    • In cases where this was not possible, horizontal drains were tunneled to the nearest coulee 

    • All mining ceased by mid‐1900s

    Mining methods  

    Bituminous, high-S coal

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • Perched groundwater

    Regional groundwater

    Madison limestone

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • Slide courtesy of John Lafave, Montana Bureau Mines and Geology

    The Madison Aquifer is an important drinking water source

    Giant Spring

    Big SpringGammons, MDOC Conference, May 2012

  • Is AMD from coal mines contaminating the Madison Aquifer? 

    • Undergraduate research project

    • Sample domestic wells completed in Madison in old coal mine towns

    • Field parameters (pH, SC, temp, alkalinity)

    • ICP‐metals• water isotopes• sulfate isotopes

    Undergraduate student Allison Brown sampling a neighbor’s well

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • Stable Isotope Background

    # protons # neutrons Total mass Naturalabundance

    18O 8 10 18 0.2%

    17O 8 9 17

  • Isotope preparation

    • Add BaCl2 to make BaSO4 precipitate– Filter, rinse, weigh and send to Reno

  • Stable Isotope Measurement

    Isotope Ratio Mass Spectrometer (IRMS)Univ‐Nevada Reno (Dr. Simon Poulson)

  • Stable Isotope Notation

    • δ (in ‰) = (Rsample / Rstandard ‐ 1) ∙1000 • R= ratio of the heavy isotope to light

    – E.g., 18O/16O, or 34S/32S• If δ is negative the sample contains less heavy isotope than standard

  • Previous Work: Gammons et al. 2010 (Chem. Geol., v. 269)

    Gammons, MDOC Conference, May 201234S-sulfate, ‰

    -20 -10 0 10 20 30

    18 O

    -sul

    fate

    , ‰

    -15

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15

    20

    Mine drainsGiant SpringBig SpringBelt city wellCoal gw wells

    Mississippian seawater

    Madison wells, Montana (Plummer et al., 1990)

    Jurassic-early Cretaceous seawater

    sulfate from coal AMD drains

  • • Montana Tech:– 21 wells sampled 

    • MT DEQ– 9 wells sampled

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • Results 1 (cont.): major ions

    Ca2+ Mg2+ Na+ K+ HCO3‐ SO42‐

    AB‐1 88.9 38.3 7.8 7.4 460 135

    AB‐2 72.9 33.3 9.2 2.9 348 110

    AB‐3 70.0 25.2 3.0 1.2 326 95

    AB‐4 74.2 25.8 11.9 2.3 370 100

    AB‐5 77.0 26.9 12.4 2.5 396 130

    AB‐6 70.9 24.8 10.9 2.3 360 85

    AB‐7 86.6 47.5 28.2 3.9 476 140

    AB‐8 71.1 24.7 10.9 2.3 370 95

    AB‐9 72.7 28.7 11.8 2.4 382 105

    AB‐10 126 49.5 12.6 3.7 390 345

    AB‐11 70.3 26.3 12.9 2.5 364 85

    AB‐12 70.2 26.4 11.7 2.4 374 85

  • 80 60 40 20 20 40 60 80

    20

    40

    60

    80 80

    60

    40

    20

    20

    40

    60

    80

    20

    40

    60

    80

    C N HCO3 Cl

    Mg SO4Mg SO4

    Ca Na+K HCO3 Cl

    Madison GroupSwift Fm. (Stockett) Mine drains

    Results:  Water chemistry

    • All wells had near‐neutral pH

    • Low to moderate TDS

    • No major problems with trace metals

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • 34S-sulfate, ‰

    -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

    18 O

    -sul

    fate

    , ‰

    -15

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15

    Madison wells: MT TechMadison wells: DEQGiant SpringBig SpringAMD DrainsStockett water

    y = 0.709x ‐ 1.175R² = 0.96

    • All samples lie on an apparent two component mixing line

    • Some wells appear to be dominated by AMD sulfate

    Results:  Stable Isotopes

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • 34 S

    -sul

    fate

    , ‰

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15

    20

    Madison wells: MT TechAMD DrainsGiant SpringBig SpringStockett waterMadison wells: DEQ

    1/SO4, mmol-1

    0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

    18 O

    -sul

    fate

    , ‰

    -15

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15

    Madison wells: MT TechAMD DrainsGiant SpringBig SpringStockett waterMadison wells: DEQ

    Madison end‐member

    Swift end‐member

    AMD 

    Madison end‐member

    Swift end‐memberAMD 

    A.

    B.

    • When plot isotopes vs. reciprocal SO4, a 3‐component mixing model emerges

    • End‐members:– AMD sulfate– Madison sulfate– “Shallow” sulfate (e.g., Swift Fm.)

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • older rocks

    Kk

    Jsm

    Jsm

    Mbs

    KkStockett

    Little Belt Mtns

    southnorth________

    2000

    1600

    1200

    800

    Elevation, m

    10 km

    1000

    600

    1400

    1800

    Mm

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    1000

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    % sulfate from local recharge

    Madison wells: Montana TechSwift Fm. (Stockett)Madison wells: DEQ Giant SpringBig SpringAMD drains

    End‐member mixing calculations

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • • Spatial variations• Size of bubble correlates to proportion of sulfate from AMD source

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • Older wells Newer wells

    Open Hole Casing with screen

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • Conclusions• Many of the wells in this study appear to be contaminated with AMD from coal mines– Water is still drinkable– Chemical buffering of Madison Limestone

    • “Open hole” wells have higher probability of contamination

    • Sulfate isotopes were very useful to trace sources of sulfate in the Madison Aquifer

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • • Funded through the Montana Tech Undergraduate Research Program

    Questions?

    Film of Fe-oxidizing bacteriaKate’s Coulee

    Gammons, MDOC Conference, May 2012

  • References• Gammons C.H., Brown A., Poulson S.R., and Henderson T. (in review) Using 

    stable isotopes (S, O) of sulfate to track contamination of the Madison karst aquifer, Montana, from coal mine drainage. Submitted, March 5, 2012 

    • Gammons C.H., Duaime T.E., Parker S.R., Poulson S.R., Kennelly P. (2010) Geochemistry and stable isotope investigation of acid mine drainage associated with abandoned coal mines in central Montana, USA. Chemical Geology 269, 100‐112. 

    Gammons, MDOC Conference, May 2012