Dissertação (Geoquímica de Lagos)

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GEOQUÍMICA DOS SEDIMENTOS ASSOCIADOS AOS 
MINÉRIOS DE FERRO DA REGIÃO LESTE-SUDESTE DO 
QUADRILÁTERO FERRÍFERO, MG E SEU POTENCIAL PARA 
ADSORÇÃO E DESSORÇÃO DE METAIS TRAÇO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO 
Reitor 
João Luiz Martins 
Vice-Reitor 
Antenor Barbosa Júnior 
Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação 
Tanus Jorge Nagen 
 
ESCOLA DE MINAS 
Diretor 
Antônio Gomes de Araújo 
Vice-Diretor 
Marco Túlio Ribeiro Evangelista 
 
DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA 
Chefe 
César Augusto Chicarino Varajão 
 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
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EVOLUÇÃO CRUSTAL E RECURSOS NATURAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONTRIBUIÇÕES ÀS CIÊNCIAS DA TERRA . VOL. 13 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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TESE DE DOUTORAMENTO 
Nº 021 
 
 
GEOQUÍMICA DOS SEDIMENTOS ASSOCIADOS AOS MINÉRIOS DE 
FERRO DA REGIÃO LESTE-SUDESTE DO QUADRILÁTERO 
FERRÍFERO, MG E SEU POTENCIAL PARA ADSORÇÃO E 
DESSORÇÃO DE METAIS TRAÇO 
 
Márcio Silva Basílio 
 
Orientador 
Hubert Mathias Peter Roeser 
Co-orientador 
Kurt Friese 
 
 
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais 
do Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto 
como requisito parcial à obtenção do Título de Doutor em Ciências Naturais, Área de 
Concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais 
 
OURO PRETO 
2005 
 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
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Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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Universidade Federal de Ouro Preto - http://www.ufop.br 
Escola de Minas - http://www.em.ufop.br 
Departamento de Geologia - http://www.degeo.ufop.br 
Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais 
Campus Morro do Cruzeiro s/no - Bauxita 
35.400-000 Ouro Preto, Minas Gerais 
Tel. (31) 3559-1600, Fax: (31) 3559-1606 - e-mail: pgrad@degeo.ufop.br 
 
 
Direitos de tradução e reprodução reservados. 
Nenhuma parte desta publicação poderá ser gravada, armazenada em sistemas eletrônicos, 
fotocopiada ou reproduzida por meios mecânicos ou eletrônicos ou utilizada sem a observância 
das normas de direito autoral. 
 
 
 
 
 
ISSN 85-230-0108-6 
Depósito Legal na Biblioteca Nacional 
Edição 1ª 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Catalogação: sisbin@sisbin.ufop.br 
 
B312g Márcio Silva Basílio. 
 Geoquímica dos sedimentos associados aos minérios de ferro da região 
 leste-sudeste do Quadrilátero Ferrífero, MG e seu potencial para adsorção e 
 dessorção de metais traço [manuscrito]. / Márcio Silva Basílio – 2005. 
 xxviii, 202f.: il. Color., grafs., tabs., fotos. – (Contribuições às Ciências 
 da Terra. Série D; v.13) 
 
 ISSN: 85-230-0108-6 
 Orientador: Prof. Dr. Hubert Mathias Peter Roeser. 
 Co-Orientadores: Prof. Dr. Kurt Friese 
 Área de concentração: Geoquímica Ambiental. 
 Tese (Doutorado) – Universidade Federal de Ouro Preto. Escola 
 de Minas. Departamento de Geologia. Programa de pós-graduação em 
 Evolução Crustal e Recursos Naturais. 
 
 1.Geoquímica Ambiental - Teses. 2.Minérios de ferro - Teses. 
 3.Sedimentos - Teses. Quadrilátero Ferrífero (MG). 3. Adsorção - Teses. I. 
 Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de 
 Geologia. Programa de pós-graduação em Evolução Crustal e Recursos 
 Naturais. II. Título. 
 CDU: 551(815.1) 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
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Dedico este trabalho à Luciana 
por tudo que passamos juntos 
e aos meus pais por terem me 
dado todas as condições 
 de chegar até aqui 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ninguém ignora tudo. 
Ninguém sabe tudo. 
Todos nós sabemos alguma coisa. 
Todos nós ignoramos alguma coisa. 
Por isso aprendemos sempre. 
 
Paulo Freire 
 
 
 
 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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Agradecimentos 
Agradeço em especial ao meu orientador Prof. Dr. Hubert Mathias Peter Roeser e ao meu co-
orientador Dr. Kurt Friese pela orientação e todo o tipo de suporte ao longo desta jornada. 
Aos professores e amigos Hermínio Arias Nalini Júnior e Jorge Carvalho de Lena pelas discussões, 
orientações, correções, sugestões e, acima de tudo, pela amizade, companheirismo e incentivo, sem os 
quais este trabalho dificilmente teria saído da introdução. 
À Lu, que vibrou e sofreu junto comigo a cada página escrita nesta tese, aos meus pais, Silas e 
Nancy, pelo apoio desde a pré-escola, ao Ruy e Maria de Lourdes pelo apoio e incentivo constantes. 
À Cláudia Guedes pela inestimável ajuda com as isotermas, ao Miltinho pela ajuda inicial com os 
mapas de isovalores e à Helena Palmiere pelas análises de mercúrio no CDTN. 
Aos órgãos financiadores deste projeto: CNPq (projeto n° 910018), International Bureau of the 
Federal Ministry for Education and Research (BMBF) da Alemanha (WTZ Proj. n° BRA 99/043 ENV), 
CAPES (projeto n° 162/03), DAAD (Projeto n° 415-br-probral/ale-02/21604). 
À Cia. Vale do Rio Doce (Mina de Timbopeba) na pessoa do Geólogo Ricardo Augusto Custódio 
Souza pelo consentimento e suporte nos trabalhos de campo. 
Aos colegas do LGqA: Luciana Vetel, Adriana, Adivane, Camila (Tixa), Érica, Sabine, Emerson 
(Mofo), Leonardo, Patrícia, Margarete, Celso e Wandir, por todas as análises, discussões, sugestões, 
críticas, cafés, ajuda nos trabalhos de campo e apoio naquelas horas em que a coisa fica pesada. 
Um obrigado especial para a dupla Janice e Aline Kelly pelo envolvimento de corpo e alma nas 
várias etapas deste trabalho, pessoas com quem pude contar sempre, a cada dúvida, a cada “travada”. 
Ao Prof. Dr. Herbert Pöllmann pelas análises mineralógicas na Martin-Luther-University of Halle-
Wittenberg, à Christina Hoffmeister pelas análises de ICP-MS e à Renate Götzke pela ajuda na execução 
das extrações seqüenciais. À Corinna Völkner e à Margarete Mages pelo irrestrito acesso e assistência nos 
laboratórios do UFZ - Centre for Environmental Research Leipzig-Halle, Magdeburg. 
Um agradecimento especial aos grandes amigos e incentivadores: Bárbara Witter e Paul Friese, 
Burkhard e Kerstin Khuen, René e Kirsten Froemmichen por todo o apoio nas coletas, metodologias e 
análises no Brasil e pela inestimável ajuda e companheirismo além do esperado na Alemanha. 
Aos colegas do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais pelo apoio durante estes 
anos de afastamento. 
Ao Milton, Caetano, Gil, U2, Norah, Uakti, Pink Floyd, Tavinho, Joss, Zeca, Gal, Sinead, Dido, 
Avril, Cranberries, Maria Rita, Radiohead, Alanis, Seal, Evanescence, Titãs, Sting, Marco Antônio 
Araújo, Coldpaly, Toninho Horta, Legião... sem vocês escrever esta tese teria sido muito mais difícil! 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
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SUMÁRIO 
 
AGRADECIMENTOS................................................................................................................... ix 
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................... xv 
LISTA DE TABELAS................................................................................................................... xx 
LISTA DEPRANCHAS ............................................................................................................. xxiii 
LISTA DE ABREVIATURAS ................................................................................................... xxiv 
RESUMO ..................................................................................................................................... xxv 
ABSTRACT............................................................................................................................... xxvii 
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ................................................................................................ 01 
1.1- Considerações Gerais ..................................................................................................... 01 
1.2- Objetivos ........................................................................................................................ 03 
1.3- Localização da Área de Estudo ...................................................................................... 05 
CAPÍTULO 2 – GEOLOGIA....................................................................................................... 09 
2.1- História........................................................................................................................... 09 
2.2- Tipos de Depósitos de Ferro .......................................................................................... 10 
2.2.1- Depósitos Sedimentares Acamadados ............................................................... 11 
2.2.2- Depósitos Formados por Atividades Ígneas ...................................................... 12 
2.2.3- Depósitos Formados por Soluções Hidrotermais .............................................. 12 
2.2.4- Depósitos Resultantes de Alterações e Acúmulo em Superfície ....................... 12 
2.3- O Quadrilátero Ferrífero ................................................................................................ 12 
2.4- As Formações Ferríferas Bandadas no Quadrilátero Ferrífero ...................................... 15 
2.5 - Descrição das Minas Amostradas ................................................................................. 17 
2.5.1 - Minério de Ferro de Capanema ........................................................................ 17 
2.5.2 - Minério de Ferro de Timbopeba....................................................................... 18 
2.5.3 - Minério de Ferro do Complexo Alegria ........................................................... 19 
CAPÍTULO 3 – GEOQUÍMICA DO FERRO ........................................................................... 21 
3.1- Introdução ...................................................................................................................... 21 
3.2- Ciclo Geoquímico do Ferro............................................................................................ 23 
3.3- Processos de Adsorção de Metais Traço nos Óxidos De Ferro...................................... 27 
3.3.1 – Importância ...................................................................................................... 27 
3.3.2 - Química de Coordenação da Interface Óxido-Água......................................... 27 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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3.3.3 - Adsorção de Ânions ......................................................................................... 31 
3.3.4 - Adsorção de Cátions......................................................................................... 32 
3.3.5 - Adsorção Ternária ............................................................................................ 33 
3.4- Isotermas de Adsorção de Óxidos de Ferro ................................................................... 33 
3.4.1- Classificação das Isotermas............................................................................... 34 
3.4.2- A Isoterma de Langmuir.................................................................................... 36 
3.4.3- A Isoterma de Freundlich .................................................................................. 37 
3.5- Modelos de Complexação Superficial.............................................................................. 39 
CAPÍTULO 4 – MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................. 41 
4.1-Introdução ....................................................................................................................... 41 
4.2- Amostragem de Minérios ............................................................................................... 42 
4.3- Amostragem de Sedimentos........................................................................................... 43 
4.4- Amostragem de Água..................................................................................................... 44 
4.5- Digestão Parcial das Amostras de Sedimento e Minério ............................................... 45 
4.6- Fracionamento................................................................................................................ 46 
4.7- Isotermas de Adsorção ................................................................................................... 47 
4.8- Determinação da Concentração Inicial para os Experimentos de Interferência 
Competitiva (Coint)......................................................................................................... 48 
4.9- Interferência Competitiva............................................................................................... 48 
4.10- Extração dos Sedimentos Após a Adsorção ................................................................. 49 
CAPÍTULO 5 – GEOQUÍMICA DOS MINÉRIOS, SEDIMENTOS E ÁGUA...................... 57 
5.1- Introdução ...................................................................................................................... 57 
5.2- Composição Geoquímica dos Minérios de Ferro ........................................................... 58 
5.2.1- Caracterização dos Minérios ............................................................................. 59 
5.3- Composição Geoquímica dos Sedimentos ..................................................................... 63 
5.4- Relação entre os Metais Traço dos Minérios e dos Sedimentos .................................... 70 
5.5- Valores Guia de Qualidade de Sedimentos (VGQS) ..................................................... 71 
5.5.1- Intervalo de Efeito Baixo (ERL) e Intervalo de Efeito Médio (ERM) .............. 74 
5.5.2- Nível Limiar de Efeito (TEL) e Nível de Provável Efeito (PEL)...................... 74 
5.5.3- Concentração de Efeito Limiar (TEC) e Concentração de 
Efeito Provável (PEC)....................................................................................... 75 
5.6- Avaliação da Qualidade dos Sedimentos nas Barragens de Timbopeba e Natividade... 75 
5.6.1- Comparação entre os Teores de Metais nos Sedimentos e os VGQS ............... 75 
5.6.2- O Quociente Médio de Contaminação (QMC).................................................. 86 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
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5.6.3- QMC para os Sedimentos das Barragens de Timbopeba e Natividade ............. 88 
5.7 - Composição Geoquímica das Águas de Natividade e Timbopeba................................ 90 
CAPÍTULO 6 – CAPACIDADE DE ADSORÇÃO DOS SEDIMENTOS............................... 99 
6.1- Introdução ...................................................................................................................... 99 
6.2- Fracionamento...............................................................................................................101 
6.3- Isotermas de Adsorção .................................................................................................. 109 
6.3.1- Isotermas Não Competitivas ............................................................................ 110 
6.3.2- Isotermas Competitivas .................................................................................... 134 
6.3.3- Comparação entre as Isotermas Não Competitivas e as 
Isotermas Competitivas.................................................................................... 155 
6.3.4- Afinidade dos Elementos para com os Sedimentos.......................................... 161 
6.4- Interferência Competitiva.............................................................................................. 163 
6.5- Fracionamento dos Sedimentos após Adsorção ............................................................ 171 
CAPÍTULO 7 – CONCLUSÕES ................................................................................................ 175 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................... 179 
ANEXOS ....................................................................................................................................... 190 
Anexo I – Determinação das concentrações iniciais para as soluções 
usadas nos experimentos de adsorção competitiva ............................................. 191 
Anexo II – Tabelas das concentrações das isotermas, experimentos de 
interferência competitiva e fracionamento das adsorções ................................. 195 
FICHA DA APROVAÇÃO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
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LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 1.1 – Localização das minas e barragens estudadas .............................................................. 06 
Figura 1.2 – Mapa esquemático da distribuição das benfeitorias na Mina de Timbopeba ............... 07 
Figura 2.1 – Coluna estratigráfica do Quadrilátero Ferrífero............................................................ 14 
Figura 3.1 – Óxidos de ferro no sistema global ................................................................................ 21 
Figura 3.2 – Ciclo do Ferro na interface dos ambientes redutor/oxidante em um meio lacustre ...... 25 
Figura 3.3 – Diagrama de Eh-pH do Fe ............................................................................................ 25 
Figura 3.4 – Representação esquemática do ciclo dos metais traço em ambiente lacustre............... 26 
Figura 3.5 – Representação esquemática de uma seção da camada 
superficial de um óxido de ferro................................................................................... 28 
Figura 3.6 – Arranjos estruturais em complexos superficiais em um óxido ..................................... 29 
Figura 3.7 – Tipos de complexos de superfície possíveis nos óxidos de ferro ................................. 30 
Figura 3.8 – Classificação geral das isotermas ................................................................................. 35 
Figura 3.9 – Representação esquemática da isoterma de Langmuir ................................................. 36 
Figura 3.10 – Representação esquemática da isoterma de Freundlich.............................................. 37 
Figura 4.1 – Malha de amostragem para água e sedimentos na barragem de Timbopeba .................. 43 
Figura 4.2 – Malha de amostragem para água e sedimentos na barragem de Natividade................. 44 
Figura 5.1 – Comparação entre os teores de metais traço obtidos nos minérios e os valores 
estabelecidos por Davy (1983) e Müller & Roeser (1991).......................................... 61 
Figura 5.2 – Distribuição por freqüência dos teores de metais nos sedimentos da barragem 
de Timbopeba ............................................................................................................... 64 
Figura 5.3 – Distribuição por freqüência dos teores de metais nos sedimentos da barragem 
de Natividade............................................................................................................... 64 
Figura 5.4 – Mapa de isoteores de Ferro nas barragens de Timbopeba e Natividade....................... 65 
Figura 5.5 – Mapas de isoteores para As, Cd, Cr e Cu nos sedimentos da 
Barragem de Timbopeba ............................................................................................. 66 
Figura 5.6 – Mapas de isoteores para Pb, Ni, Zn e Co nos sedimentos da 
Barragem de Timbopeba ............................................................................................. 67 
Figura 5.7 – Mapas de isoteores para As, Cd, Cr e Cu nos sedimentos da 
Barragem de Natividade .............................................................................................. 68 
Figura 5.8 – Mapas de isoteores para Pb, Ni, Zn e Co nos sedimentos da 
Barragem de Natividade .............................................................................................. 69 
Figura 5.9 – Comparação entre os teores médios de metais nos minérios e nos sedimentos............ 71 
Figura 5.10 – Exemplo conceitual dos intervalos de efeitos para contaminantes associados a 
sedimentos ................................................................................................................... 72 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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Figura 5.11 – Comparação dos teores máximo, médio e mínimo de Ni, Zn, Pb, Cu, Cr, Cd 
e As nos sedimentos das Barragens de Timbopeba e Natividade, 
comparados os VGQS TEL/PEL, ERL/ERM e TEC/PEC.......................................... 77 
Figura 5.12 – Distribuição espacial da qualidade dos sedimentos da Barragem de Timbopeba 
tendo como referência os valores-guia de TEL e PEL ................................................ 79 
Figura 5.13 – Distribuição espacial da qualidade dos sedimentos da Barragem de Timbopeba 
tendo como referência os valores-guia ERL e ERM ................................................... 80 
Figura 5.14 – Distribuição espacial da qualidade dos sedimentos da Barragem de Timbopeba 
tendo como referência os valores-guia TEC e PEC .................................................... 81 
Figura 5.15 – Distribuição espacial da qualidade dos sedimentos da Barragem de Natividade 
tendo como referência os valores-guia de TEL e PEL ................................................ 83 
Figura 5.16 – Distribuição espacial da qualidade dos sedimentos da Barragem de Natividade 
tendo como referência os valores-guia ERL e ERM ................................................... 84 
Figura 5.17 – Distribuição espacial da qualidade dos sedimentos da Barragem de Natividade 
tendo como referência os valores-guia TEC e PEC .................................................... 85 
Figura 5.18 – Variação em função da profundidade dos principais parâmetros físico-químicos 
nos pontos T-1, T-14 e T-23 da barragem de Timbopeba ........................................... 91 
Figura 5.19 – Variação em função da profundidade dos principais parâmetros físico-químicos 
nos pontos N-6,N-17 e N-24 da barragem de Natividade período chuvoso............... 92 
Figura 5.20 – Variação em função da profundidade dos principais parâmetros físico-químicos 
nos pontos N-10 e N-20 da barragem de Natividade, no período de seca................... 93 
Figura 6-1 – Extrações multiplas da Etapa 2 do procedimento de extração Seqüencial BCR......... 102 
Figura 6.2 – Distribuição dos teores de As nas fases dos sedimentos.............................................. 105 
Figura 6.3 – Distribuição dos teores de Cr nas fases dos sedimentos .............................................. 105 
Figura 6.4 – Distribuição dos teores de Cu nas fases dos sedimentos ............................................. 106 
Figura 6.5 – Distribuição dos teores de Ni nas fases dos sedimentos .............................................. 106 
Figura 6.6 – Distribuição dos teores de Pb nas fases dos sedimentos.............................................. 107 
Figura 6.7 – Distribuição dos teores de Zn nas fases dos sedimentos.............................................. 107 
Figura 6.8 – Distribuição dos teores de Co nas fases dos sedimentos ............................................. 108 
Figura 6.9 – Isoterma de adsorção de As no sedimento T-4 ............................................................ 110 
Figura 6.10 – Linearização da equação de Freundlich para As no sedimento T-4 .......................... 111 
Figura 6.11 – Isoterma de adsorção da As no sedimento T-23 ........................................................ 112 
Figura 6.12 – Linearização da equação de Freundlich para As no sedimento T-23 ........................ 112 
Figura 6.13 – Isoterma de adsorção da As no sedimento N-19........................................................ 113 
Figura 6.14 – Linearização da equação de Freundlich para As no sedimento N-19 ........................ 113 
Figura 6.15 – Isoterma de adsorção de As no sedimento N-31........................................................ 113 
Figura 6.16 – Linearização da equação de Freundlich para As no sedimento N-31 ........................ 114 
Figura 6.17 – Gráfico comparativo das isotermas não competitivas de As nos sedimentos............ 115 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
xvii
Figura 6.18 – Isoterma de adsorção de Cr no sedimento T-4 .......................................................... 116 
Figura 6.19 – Linearização da equação de Langmuir para Cr no sedimento T-4 ............................ 117 
Figura 6.20 – Isoterma de adsorção de Cr no sedimento T-23......................................................... 117 
Figura 6.21 – Linearização da equação de Langmuir para Cr no sedimento T-23 .......................... 118 
Figura 6.22 – Isoterma de adsorção de Cr no sedimento N-19 ........................................................ 118 
Figura 6.23 – Linearização da equação de Langmuir para Cr no sedimento N-19 .......................... 119 
Figura 6.24 – Isoterma de adsorção de Cr no sedimento N-31 ........................................................ 119 
Figura 6.25 – Linearização da equação de Langmuir para Cr no sedimento N-31 .......................... 120 
Figura 6.26 – Gráfico comparativo das isotermas não competitivas de Cr nos sedimentos ............ 120 
Figura 6.27 – Isoterma de adsorção de Cu no sedimento T-4.......................................................... 122 
Figura 6.28 – Linearização da equação de Langmuir para Cu no sedimento T-4............................ 123 
Figura 6.29 – Isoterma de adsorção de Cu no sedimento T-23........................................................ 123 
Figura 6.30 – Linearização da equação de Langmuir para Cu no sedimento T-23.......................... 124 
Figura 6.31 – Isoterma de adsorção de Cu no sedimento N-19 ....................................................... 124 
Figura 6.32 – Linearização da equação de Langmuir para Cu no sedimento N-19 ......................... 125 
Figura 6.33 – Isoterma de adsorção de Cu no sedimento N-31 ....................................................... 125 
Figura 6.34 – Linearização da equação de Langmuir para Cu no sedimento N-31 ......................... 126 
Figura 6.35 – Gráfico comparativo das isotermas não competitivas de Cu nos sedimentos ........... 126 
Figura 6.36 – Isoterma de adsorção de Pb no sedimento T-4 .......................................................... 128 
Figura 6.37 – Linearização da equação de Langmuir para Pb no sedimento T-4 ............................ 128 
Figura 6.38 – Isoterma de adsorção de Pb no sedimento T-23 ........................................................ 129 
Figura 6.39 – Linearização da equação de Langmuir para Pb no sedimento T-23 .......................... 129 
Figura 6.40 – Isoterma de adsorção de Pb no sedimento N-19........................................................ 130 
Figura 6.41 – Linearização da equação de Langmuir para Pb no sedimento N-19.......................... 130 
Figura 6.42 – Isoterma de adsorção de Pb no sedimento N-31........................................................ 131 
Figura 6.43 – Linearização da equação de Langmuir para Pb no sedimento N-31.......................... 131 
Figura 6.44 – Seis primeiros pontos da isoterma de adsorção de Pb no sedimento N-31................ 132 
Figura 6.45 – Linearização da equação de Langmuir para os seis primeiros pontos da 
isoterma de Pb no sedimento N-31............................................................................ 132 
Figura 6.46 – Gráfico comparativo das isotermas não competitivas de Pb nos sedimentos ............ 133 
Figura 6.47 – Isoterma de adsorção competitiva de As no sedimento T-4 ...................................... 134 
Figura 6.48 – Linearização da equação de Freundlich para adsorção competitiva 
de As no sedimento T-4.............................................................................................. 135 
Figura 6.49 – Isoterma de adsorção competitiva de As no sedimento T-23. ................................... 135 
Figura 6.50 – Linearização da equação de Freundlich para adsorção competitiva 
de As no sedimento T-23............................................................................................ 136 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
xviii
Figura 6.51 – Isoterma de adsorção competitiva de As no sedimento N-19.................................... 136 
Figura 6.52 – Linearização da equação de Freundlich para adsorção competitiva 
de As no sedimento N-19 ........................................................................................... 137 
Figura 6.53 – Isoterma de adsorção competitiva de As no sedimento N-31.................................... 137 
Figura 6.54 – Linearização da equação de Freundlich para adsorção competitiva 
de As no sedimento N-31 ........................................................................................... 138 
Figura 6.55 – Gráfico comparativo das isotermas competitivas de As nos sedimentos................... 138 
Figura 6.56 – Isoterma de adsorção competitiva de Cr no sedimento T-4....................................... 139 
Figura 6.57 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Cr no sedimento T-4.............. 140 
Figura 6.58 – Isoterma de adsorção competitiva de Cr no sedimento T-23..................................... 141 
Figura 6.59 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Cr no sedimento T-23............ 141 
Figura6.60 – Isoterma de adsorção competitiva de Cr no sedimento N-19 .................................... 142 
Figura 6.61 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Cr no sedimento N-19 ........... 142 
Figura 6.62 – Isoterma de adsorção competitiva de Cr no sedimento N-31 .................................... 143 
Figura 6.63 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Cr no sedimento N-31 ........... 143 
Figura 6.64 – Gráfico comparativo das isotermas competitivas de Cr nos sedimentos ................... 144 
Figura 6.65 – Isoterma de adsorção competitiva de Cu no sedimento T-4 ...................................... 145 
Figura 6.66 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Cu no sedimento T-4 ............. 145 
Figura 6.67 – Isoterma de adsorção competitiva de Cu no sedimento T-23 .................................... 146 
Figura 6.68 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Cu no sedimento T-23 ........... 146 
Figura 6.69 – Isoterma de adsorção competitiva de Cu no sedimento N-19.................................... 147 
Figura 6.70 – Linearização da equação de Langmuir para o primeiro segmento 
da isoterma de adsorção competitiva de Cu no sedimento N-19................................ 147 
Figura 6.71 – Isoterma de adsorção competitiva de Cu no sedimento N-31.................................... 148 
Figura 6.72 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Cu no sedimento N-31........... 148 
Figura 6.73 – Gráfico comparativo das isotermas competitivas de Cu nos sedimentos .................. 149 
Figura 6.74 – Isoterma de adsorção competitiva de Pb no sedimento T-4 ...................................... 150 
Figura 6.75 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Pb no sedimento T-4.............. 150 
Figura 6.76 – Isoterma de adsorção competitiva de Pb no sedimento T-23 .................................... 151 
Figura 6.77 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Pb no sedimento T-23............ 151 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
xix
Figura 6.78 – Isoterma de adsorção competitiva de Pb no sedimento N-19 .................................... 152 
Figura 6.79 – Linearização das equações de Langmuir e Freundlich para os dois 
segmentos das isotermas de adsorção competitiva de Pb no sedimento N-19 ........... 152 
Figura 6.80 – Isoterma de adsorção competitiva de Pb no sedimento N-31 .................................... 153 
Figura 6.81 – Linearização da equação de Langmuir para os primeiros pontos 
da isoterma de adsorção competitiva de Pb no sedimento N-31 ................................ 153 
Figura 6.82 – Gráfico comparativo das isotermas competitivas de Pb nos sedimentos................... 154 
Figura 6.83 – Comparação entre as isotermas não competitivas e as isotermas 
competitivas de As nos sedimentos........................................................................... 155 
Figura 6.84 – Comparação entre as isotermas não competitivas e as isotermas 
competitivas de Cr nos sedimentos............................................................................ 157 
Figura 6.85 – Comparação entre as isotermas não competitivas e as isotermas 
competitivas de Cu nos sedimentos............................................................................ 159 
Figura 6.86 – Comparação entre as isotermas não competitivas e as isotermas 
competitivas de Pb nos sedimentos ............................................................................ 160 
Figura 6.87 – Isotermas comparativas da adsorção não competitivas dos 
elementos As, Cr, Cu e Pb nos sedimentos ................................................................ 161 
Figura 6.88 – Isotermas comparativas da adsorção competitivas dos 
elementos As, Cr, Cu e Pb nos sedimentos ................................................................ 162 
Figura 6.89 – Percentagem de cada elemento adsorvida no sedimento T-4 
em relação aos níveis de competição 2, 3 e 4............................................................. 165 
Figura 6.90 – Porcentagem de cada elemento adsorvida no sedimento T-23 
em relação aos níveis de competição 2, 3 e 4............................................................. 166 
Figura 6.91 – Porcentagem de cada elemento adsorvida no sedimento N-19 
em relação aos níveis de competição 2, 3 e 4.............................................................. 167 
Figura 6.92 – Porcentagem de cada elemento adsorvida no sedimento N-31 
em relação aos níveis de competição 2, 3 e 4............................................................. 168 
Figura 6.93 – Soma total de íons adsorvidos pelos sedimentos em cada nível de competição........ 170 
Figura 6.94 – Densidade de adsorção nos sedimentos em cada nível de competição...................... 171 
Figura 6.95 – Porcentagem de As, Cr, Cu e Pb adsorvidos pelos sedimentos ................................. 172 
Figura I.1 – Ajuste das isotermas de As, Cr, Cu e Pb no sedimento T-4 para 
obtenção do Ponto B................................................................................................... 192 
Figura I.2 – Ajuste das isotermas de As, Cr, Cu e Pb no sedimento T-23 para 
obtenção do Ponto B................................................................................................... 192 
Figura I.3 – Ajuste das isotermas de As, Cr, Cu e Pb no sedimento N-19 para 
obtenção do Ponto B................................................................................................... 193 
Figura I.4 – Ajuste das isotermas de As, Cr, Cu e Pb no sedimento N-31 para 
obtenção do Ponto B................................................................................................... 193 
 
 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
xx
LISTA DE TABELAS 
 
 
Tabela 2.1 – Composição mineralógica dos diferentes tipos de formação ferrífera presentes 
no Quadrilátero Ferrífero.............................................................................................. 16 
Tabela 2.2 – Composição química média para os minérios da Mina de Capanema ......................... 18 
Tabela 2.3 – Composição química média para os minérios da Mina de Timbopeba ........................ 19 
Tabela 5.1 – Elementos maiores presentes nos minérios de ferro das minas de Capanema, 
Alegria e Timbopeba .................................................................................................... 59 
Tabela 5.2 – Elementos traço presentes nos minérios de ferro das minas de Capanema,Alegria e Timbopeba .................................................................................................... 60 
Tabela 5.3 – Comparação entre os teores de metais traço nos minérios analisados, os valores 
obtidos por diversos autores para minérios de ferro do Quadrilátero Ferrífero............ 60 
Tabela 5.4 – Teores de elementos maiores e metais traço nos sedimentos 
superficiais da barragem de Natividade ....................................................................... 62 
Tabela 5.5 – Teores de elementos maiores e metais traço nos sedimentos 
da barragem de Timbopeba .......................................................................................... 63 
Tabela 5.6 – Valores Guia de Qualidade de Sedimentos (VGQS) usados como 
referência na avaliação da qualidade dos sedimentos de Timbopeba e Natividade ..... 76 
Tabela 5.7 – Distribuição dos teores de As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb e Zn (em número de 
registros e percentagem) em relação às faixas de qualidade consideradas 
nos VGQS utilizados.................................................................................................. 78 
Tabela 5.8 – Esquema de priorização de sítios em relação à contaminação ..................................... 87 
Tabela 5.9 – Valores de PEL-Q, ERM-Q, PEC-Q para os sedimentos 
da barragem de Timbopeba ........................................................................................ 88 
Tabela 5.10 – Valores de PEL-Q, ERM-Q, PEC-Q para os sedimentos 
da barragem de Natividade .......................................................................................... 89 
Tabela 5.11 – Distribuição dos valores de PEL-Q, ERM-Q e PEC-Q dos 
sedimentos das barragens de Timbopeba e Natividade .............................................. 90 
Tabela 5.12 – Teores dos elementos traço encontrados nas águas das barragens 
de Timbopeba e Natividade por nível de profundidade ............................................. 95 
Tabela 5.13 – Teores de Fe, Al, Mn e elementos maiores encontrados nas águas 
das barragens de Timbopeba e Natividade por nível de profundidade...................... 96 
Tabela 5.14 – Teores máximos permitidos pela legislação brasileira (CONAMA, 1986) 
para águas classe 1 e águas de lançamento comparados com os teores médios 
dos metais encontrados nas águas das barragens de Timbopeba e Natividade .......... 97 
Tabela 6.1 – Resultados das análises de caracterização dos sedimentos utilizados ......................... 100 
Tabela 6.2 – Resultado das três etapas de extração do material de referência BCR-701 e das 
digestões pseudototais do resíduo da etapa 3 e do material de referência integral ..... 101 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
xxi
Tabela 6.3 – Distribuição dos metais nas frações dos sedimentos, obtida por 
extração seqüencial e digestão pseudototal do resíduo da extração e 
do sedimento integral.................................................................................................. 103 
Tabela 6.4 – Parâmetros de Freundlich para as isotermas não competitivas 
de As nos sedimentos.................................................................................................. 115 
Tabela 6.5 – Parâmetros de Langmuir para as isotermas de Cr nos sedimentos .............................. 121 
Tabela 6.6 – Parâmetros de Langmuir para as isotermas de Cu nos sedimentos ............................ 127 
Tabela 6.7 – Parâmetros de Langmuir para as isotermas de Pb nos sedimentos............................. 133 
Tabela 6.8 – Parâmetros de Freundlich para as isotermas competitivas de As nos sedimentos....... 139 
Tabela 6.9 – Parâmetros de Freundlich para as isotermas competitivas de Cr nos sedimentos ...... 144 
Tabela 6.10 – Parâmetros de Freundlich para as isotermas competitivas de Cu nos sedimentos .... 149 
Tabela 6.11 – Parâmetros de Freundlich para as isotermas competitivas de Pb nos sedimentos..... 154 
Tabela 6.12 – Comparação dos parâmetros de Freundlich para as isotermas competitivas 
(C) e não competitivas (NC) de As nos sedimentos estudados................................. 156 
Tabela 6.13 – Comparação dos parâmetros de Freundlich para as isotermas competitivas 
(C) e não competitivas (NC) de Cr nos sedimentos estudados ................................. 157 
Tabela 6.14 – Comparação dos parâmetros de Freundlich para as isotermas competitivas 
(C) e não competitivas (NC) de Cu nos sedimentos estudados................................. 159 
Tabela 6.15 – Comparação dos parâmetros de Freundlich para as isotermas competitivas 
(C) e não competitivas (NC) de Pb nos sedimentos estudados ................................. 160 
Tabela 6.16 – Combinações entre os elementos, usadas no procedimento de interferência 
competitiva................................................................................................................ 164 
Tabela I.1 – Pares (Csmp, Cem) que definem o Ponto B, obtidos pela analise das isotermas 
de As, Cr, Cu e Pb nos sedimentos T-4, T-23, N-19 e N-31. Csmp em mmol·kg-1 
e Csm em mmol·L-1 .................................................................................................... 191 
Tabela II.1 – Concentrações utilizadas para a construção das isotermas não competitivas 
de As nos sedimentos ................................................................................................ 195 
Tabela II.2 – Concentrações utilizadas para a construção das isotermas não competitivas 
de Cr nos sedimentos ................................................................................................ 195 
Tabela II.3 – Concentrações utilizadas para a construção das isotermas não competitivas 
de Cu nos sedimentos................................................................................................ 196 
Tabela II.4 – Concentrações utilizadas para a construção das isotermas não competitivas 
de Pb nos sedimentos ................................................................................................ 196 
Tabela II.5 – Concentrações utilizadas para a construção das isotermas competitivas 
de As nos sedimentos ................................................................................................ 197 
Tabela II.6 – Concentrações utilizadas para a construção das isotermas competitivas 
de Cr nos sedimentos ................................................................................................ 197 
Tabela II.7 – Concentrações utilizadas para a construção das isotermas competitivas 
de Cu nos sedimentos................................................................................................ 198 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
xxii
Tabela II.8 – Concentrações utilizadas para a construção das isotermas competitivas 
de Pb nos sedimentos ................................................................................................ 198 
Tabela II.9– Concentrações utilizadas nos experimentos de adsorção competitiva e 
extração dos metais adsorvidos no sedimento T-4.................................................... 199 
Tabela II.10 – Concentrações utilizadas nos experimentos de adsorção competitiva e 
extração dos metais adsorvidos nos sedimento T-23 ................................................ 199 
Tabela II.11 – Concentrações utilizadas nos experimentos de adsorção competitiva e 
extração dos metais adsorvidos no sedimento N-19 ................................................ 200 
Tabela II.12 – Concentrações utilizadas nos experimentos de adsorção competitiva e 
extração dos metais adsorvidos no sedimento N-31 ................................................. 200 
Tabela II.13 – Resultado das extrações dos sedimentos T-4, T-23, N-19 e N-31 após 
adsorção não competitiva (nível 1 do experimento de adsorção) ........................... 201 
Tabela II.14 – Resultado das extrações dos sedimentos T-4, T-23, N-19 e N-31 após 
adsorção competitiva (nível 4 do experimento de adsorção) ................................... 202 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
xxiii
LISTA DE PRANCHAS 
 
 
PRANCHA I ..................................................................................................................................... 53 
Foto 1– Vista geral da cava principal da Mina de Capanema............................................. 53 
Foto 2 – Vista geral da cava principal da Mina Timbopeba........................................................... 53 
Foto 3 – Vista geral da cava principal da Mina de Alegria ............................................................ 53 
Foto 4 – Vista do vertedouro da Barragem de Timbopeba. Ao fundo a Represa de Natividade.... 53 
Foto 5 – Vista panorâmica da Represa de Timbopeba ................................................................... 53 
PRANCHA II.................................................................................................................................... 55 
Foto 6 – Represa de Natividade...................................................................................................... 55 
Foto 7 – Amostrador bentônico tipo Birge-Ekman ........................................................................ 55 
Foto 8 – Amostrador de água Limnos ............................................................................................ 55 
Foto 9 – Agitador rotativo 360° Heidolph Instruments, modelo Reax 2........................................ 55 
Foto 10 – Preparo das soluções para a montagem das isotermas de adsorção .............................. 55 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
xxiv
LISTA DE ABREVIATURAS 
 
 
AAS – Atomic Absorption Spectrophotometry 
AET – Apparent Effect Level 
AVS – Acid Volatile Sulfide 
BCR – Community Bureau of Reference 
BEDS – Biological Effects Database for Sediments 
BIF – Banded iron formation 
CVRD – Cia. Vale do Rio Doce 
CTC – Capacidade de Troca Catiônica 
EqP – Equilibrium Partitioning 
ERL – Lowest Range-Low 
ERM – Effect Range-Median 
EXAFS – Extended X-ray Absorption Fine Structure 
GLNPO – Great Lakes National Program Office 
ICP-MS – Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry 
ICP-OES – Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy 
IUPAC – Union of Pure and Applied Chemistry 
LEL – Lowest Effect Level 
LRM – Linear Regression Model 
NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration 
PCB – Bifenilas Policloradas 
PEC – Probable Effect Concentration 
PEL – Probable Effect Level 
PHAs – Polihidroxialcanoatos 
QMC – Quociente Médio de Contaminação 
SEL – Severe Effect Level 
STD – Sólidos Totais Dissolvidos 
TEL – Threshold Effect Level 
TEC – Threshold Effect Concentration 
VGQS – Valores Guia da Qualidade de Sedimento 
 
 
 
 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
xxv
RESUMO 
 
Este trabalho objetivou avaliar a capacidade de adsorção dos sedimentos ricos em ferro das 
barragens de contenção de Timbopeba e Natividade para a retenção de metais traço. Os sedimentos 
estudados são compostos basicamente por rejeitos do processamento do minério de ferro na mina de 
Timbopeba de propriedade de Cia. Vale do Rio Doce, localizada na porção leste-sudeste do Quadrilátero 
Ferrífero, Minas Gerais. 
Em cada barragem foi executada uma amostragem sistemática com 26 pontos de coleta em 
Timbopeba e 27 pontos em Natividade. Os sedimentos foram secados, digeridos parcialmente em água 
régia e analisados para os elementos menores Zn, Cr, Co, Ni, Cu, As, Cd e Pb e maiores Al, Ca, Fe, K, 
Mg, Mn e Na. Os valores obtidos mostram que os teores de metais traço nos sedimentos da barragem de 
Natividade é mais elevado que o observado na barragem de Timbopeba. A comparação dos teores de 
metais nas duas barragens com valores guia de qualidade de sedimento (VGQS), apesar de alguma 
divergência, aponta para uma provável contaminação por As nos sedimentos de Timbopeba. Também o Cr 
apresenta valores acima dos limites de não contaminação. Em Natividade existe contaminação por As 
segundo dois dos três VGQS utilizados como referência. Valores altos indicando possíveis efeitos 
adversos foram encontrados para Cr, Ni e Cu em Natividade. A análise global da contaminação, levando-
se em conta os quocientes médios de contaminação total (QMCT) classifica a contaminação dos 
sedimentos da barragem de Natividade no limite entre médio-baixa e médio-alta e a barragem de 
Timbopeba como médio-baixa. 
A comparação dos teores dos metais encontrados nos sedimentos com os teores presentes nos 
minérios indica que houve enriquecimento de metais nos sedimentos após sua deposição nas barragens. A 
presença de antigos garimpos de ouro na região de entorno é atribuída como fonte destes metais, uma vez 
que o ouro ocorre associado a sulfetos ricos em metais. A oxidação intempérica dos sulfetos seria 
responsável por sua liberação para os cursos d’água adjacentes às barragens, principalmente a de 
Natividade, sendo adsorvidos pelos sedimentos. 
Dois pontos de cada barragem foram selecionados para o estudo de capacidade de adsorção. Estes 
sedimentos foram fracionados utilizando-se o procedimento BCR e os resultados indicam que o As e Cr 
estão presentes quase que exclusivamente na fração residual, Zn, Cu e Ni estão presentes principalmente 
na fração residual, mas com uma pequena percentagem distribuída entre as frações trocáveis, óxidos e 
sulfetos-matéria orgânica. O Pb e o Co apresentam-se associados principalmente à fase óxidos. 
O estudo da capacidade de adsorção foi feito baseado na construção de isotermas competitivas e não 
competitivas para As (na forma de arsenato), Cr, Cu e Pb. As isotermas não competitivas de As foram 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
xxvi
modeladas pela equação de Freundlich enquanto as de Cr, Cu e Pb seguiram o modelo de Langmuir. As 
isotermas não competitivas mostraram boa capacidade de adsorção para todos os elementos, 
especialmente para As e Pb. Em função da diferença entre as inclinações iniciais e dos diferentes modelos, 
as isotermas apresentaram inversão de afinidades à medida que a concentração dos íons em solução 
aumentou. Assim, a afinidade dos metais para com os sedimentos pode ser hierarquizada da seguinte 
forma: Cu ≅ Pb > As ≅ Cr para baixas concentrações de equilíbrio (Ce < 0,4 mmol·L-1) e Pb > As > Cu > 
Cr para altas concentrações de equilíbrio (Ce >0,4 mmol·L-1). 
Em ambientes competitivos, As, Cr e Cu apresentaram,em maior ou menor escala, aumento de 
adsorção. Já o Pb teve sua adsorção drasticamente reduzida em condições competitivas. As isotermas 
competitivas de As foram descritas pelo modelo de Langmuir, enquanto as de Cr, Cu e Pb apresentaram 
um comportamento duplo. Os pontos iniciais das isotermas apresentam comportamento compatível com o 
modelo de Langmuir, com formação de patamar indicando estabilização de adsorção independentemente 
do aumento da concentração inicial. Entretanto, a partir de determinada concentração de equilíbrio a 
isoterma indica uma retomada do processo de adsorção e esta nova fase adsortiva segue nitidamente o 
modelo de adsorção Freundlich. Este comportamento foi interpretado como resultado da formação de 
complexos superficiais ternários (superfície-arsenato-metal ou superfície-metal-arsenato) que favorece a 
adsorção tanto do As como de Cr e Cu. 
A avaliação da influência da competição na adsorção dos metais foi feita combinando-se os metais 
em soluções competitivas binárias, ternárias e quaternárias. Os resultados obtidos são coerentes com as 
informações retiradas das isotermas e comprovam que As e Cr, para as concentrações estudadas, 
apresentam-se intimamente relacionados, indicando uma correlação positiva de adsorção. A competição 
dos metais, na ausência do ânion arsenato, provoca, na grande maioria dos casos, um decréscimo na 
adsorção destes elementos. 
A geodisponibilidade ou dessorção dos metais foi avaliada pelo fracionamento dos sedimentos após 
a adsorção feita para o experimento de adsorção competitiva. Os resultados obtidos indicam que o Cr é 
adsorvido preferencialmente pela fração óxido dos sedimentos, enquanto Cu e Pb se associam à fração 
íons trocáveis. Já o As aparece associado firmemente à fração residual, que nestes sedimentos é definida 
como óxidos fortemente cristalinos e alguns argilominerais mais suscetíveis ao ataque ácido. 
Concluiu-se que, dos quatro sedimentos estudados, três apresentam boa capacidade de adsorção e 
esta capacidade está relacionada a dois fatores: grande área superficial e teor em óxidos de ferro e 
conteúdo de matéria orgânica. O estudo de dessorção indica que a geodisponibilidade pode ser descrita na 
seguinte ordem de facilidade Cu ≅ Pb > Cr > As. 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
xxvii
ABSTRACT 
 
The main objective of this work is to evaluate the adsorption capacity of the iron rich sediments 
from the Timbopeba and Natividade contention dams for retaining trace elements. These sediments are 
basically composed by the waste that comes from the Timbopeba iron plant owned by Cia. Vale do Rio 
Doce, located in the East-Southeast Iron Quadrangle, Minas Gerais State. 
For the sediment, analysis, 26 stations in Timbopeba dam and 27 in Natividade dam were 
systematically sampled. The sediments were dried and partially digested in acqua regia and analyzed for 
minor (Zn, Cr, Co, Ni, Cu, As, Cd e Pb) and major (Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn e Na) elements. The results 
showed that Natividade sediments are richer in trace elements than Timbopeba sediments. Comparison of 
the obtained results from the two dams with the sediments quality guidelines (SQG) points to a probable 
As contamination in the Timbopeba dam. Chromium shows values that can be considered above the non-
contamination value. The Natividade sediments show contamination with As following two of three SGQ 
used as a reference. High values of Cr, Ni and Cu point to probable adverse effects in the Natividade 
sediments. The overall mean SQG quotient for the two dam stations between medium-low and medium 
high sediment contamination. 
The values of trace metal found in the iron ores were compared with the amount of trace metals 
present in the sediments. The higher values were found in the sediments and indicated an enrichment of 
metal in the sediments after deposition into the dams. The presence of old abandoned gold prospector near 
by the dams, mainly the Natividade dam, are probable sources of these metals. The gold in the Iron 
Quadrangle is associated with sulfides and, consequently, sulfide oxidation can mobilize the trace metals 
from sulfide minerals to water bodies, adjacent to the dams and being adsorbed by the sediments. 
To the evaluation of the adsorption capacity, two sediments of each dam were selected. These 
sediments were fractionated using the BCR procedure. The results showed that As and Cr are being bond 
exclusively in the residual fraction while Zn, Cu and Ni are predominant in the residual fraction but a 
minor part is distributed among the exchangeable, oxides and sulfide-organic mater fractions. Lead and 
Co are bound basically to the oxides. 
The sediments adsorption capacity was evaluated using competitive and non-competitive isotherms 
for As (arsenate), Cr, Cu and Pb. The As non-competitive isotherm fitted in the Freundlich model while 
the Cr, Cu and Pb isotherms fitted in the Langmuir model. Non-competitive isotherms showed a good 
adsorption capacity for all elements, mainly for As and Pb. As a result of a different slope and isotherm 
models the sediments adsorption capacity changes as the equilibrium concentration increases. As a result, 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
xxviii
the elements adsorption affinity can be defined for high and low equilibrium concentrations as following: 
Cu ≅ Pb > As ≅ Cr for lower equilibrium concentrations and Pb > As > Cu > Cr for higher equilibrium 
concentrations. 
Competitive environment promoted, in higher or lower scale, increase in the adsorption of As, Cr 
and Cu and a drastic decrease in the Pb adsorption. The As competitive isotherms fitted in the Freundlich 
model while Cr, Cu and Pb isotherm showed a two distinct behavior. The first points followed the 
Langmuir model with a plateau meaning adsorption stabilization. However, as the equilibrium 
concentration increases, the adsorption process restart and the isotherm assumes a Freundlich shape. This 
behavior was interpreted as formation of ternary surface complex (surface-arsenate-metal or surface-
metal-arsenate). This process can increase the arsenate adsorption as much as metal adsorption. 
To evaluate the competition between the elements for the adsorptions sites in the sediments an 
interference competitive experiment was designed using binary, ternary and quaternary element 
combinations. The results were consistent with the information gained by the isotherm analysis. These 
results confirm a positive relation between As and Cr, in the concentration studied. The competition 
between the metals in absence of Arsenate takes to a metal adsorption decrease. 
The metals geoavailability or desorption was evaluated by fractioning the sediments after the 
adsorption done in the competitive experiment. The results showed that the Cr is adsorbed preferentially 
by the oxides fraction while Cu and Pb are adsorbed by the exchangeable fraction. Arsenic is strongly 
bounded in the residual fraction, represented in theses sediments by crystalline iron oxides and some 
silicates. 
For all described above, one can conclude that three from the four studied sediments presented good 
adsorption capacity and it is related to two main features: high surface area and the content of iron oxides. 
The desorption experiment showed that the geoavailability can be expressed in the following order Cu ≅ 
Pb > Cr > As. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 
INTRODUÇÃO 
 
1.1 – CONSIDERAÇÕES GERAIS 
Os sedimentos compõem um dos mais importantes compartimentos biogeoquímicos do planeta. O 
fornecimento do suporte físico e químico à vida nos ambientes aquáticos e o suprimento de nutrientes para 
vários tipos de solos agricultáveis em áreas alagáveis são exemplos extremos dessa importância. Portanto, 
a qualidade dos sedimentos, que por sua vez possui íntima relação com a qualidade das águassuperficiais 
e subterrâneas, influencia direta ou indiretamente vários mecanismos fundamentais para a manutenção da 
vida na grande maioria dos ecossistemas globais (Solomons & Brils, 2004). 
Por causa de sua fundamental importância, os sedimentos vêm sendo extensivamente estudados ao 
longo dos últimos anos. A enorme capacidade adsorção de espécies orgânicas e inorgânicas por 
superfícies minerais faz com que os sedimentos funcionem como repositórios de uma vasta gama de 
contaminantes, podendo funcionar tanto como fonte, quanto como destino final de substâncias poluentes. 
Por sua participação direta no ciclo biogeoquímico de vários elementos, a contaminação dos sedimentos 
afeta, direta ou indiretamente, em maior ou menor escala, os vários compartimentos da cadeia alimentar 
de inúmeras espécies animais, muitas delas consumidas, também direta ou indiretamente, pelo homem 
(Calmano et al., 1996). 
Os metais traço associados aos sedimentos podem ser classificados como residuais ou não-residuais 
(Clark, 1997). São considerados metais residuais aqueles que, por pertencerem à estrutura cristalina dos 
minerais, fazem parte da matriz do sedimento. Os metais traço não-residuais são aqueles incorporados aos 
sedimentos por processos secundários como adsorção, precipitação e complexação de substâncias 
orgânicas e inorgânicas. A fase não-residual inclui os metais associados sob condições mais ou menos 
estáveis e podem estar associados às diversas frações dos sedimentos: fração trocáveis (compreendendo os 
íons fracamente adsorvidos ao sedimento), carbonato, óxidos (composta basicamente por óxidos e 
hidróxidos de ferro e manganês), matéria orgânica e sulfetos. 
De um modo geral, os contaminantes não-residuais não estão, necessariamente, associados de forma 
permanente aos sedimentos. O equilíbrio entre as espécies associadas e as superfícies dos minerais 
depende do tipo de ligação e das condições físico-químicas do meio. Mudanças nestas condições podem 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
2
deslocar o equilíbrio favorecendo processos de dessorção, solubilização ou destruição de complexos e, 
conseqüentemente, liberar os metais para o meio aquático, tornando-os biodisponíveis. 
Dentre as várias fases minerais citadas capazes de adsorver efetivamente metais traço, os óxidos e 
hidróxidos de ferro merecem destaque. A adsorção de íons metálicos pelos óxidos de ferro regula a 
mobilidade e, por conseqüência, o transporte destas espécies em vários compartimentos do ecossistema do 
globo, incluindo-se aí a biota, solos e sedimentos, rios, lagos, pântanos e oceanos. 
Na avaliação da toxicidade de determinados metais ou espécies diferentes, deve-se atentar para o 
fato de que estes não são igualmente reativos, tóxicos ou biodisponíveis (Campbell & Tessier, 1989). 
Cada metal ou espécie apresenta diferentes afinidades com os diversos sítios de adsorção encontrados em 
um substrato sedimentar. O mesmo ocorre quando se comparam íons diferentes em relação a um único 
tipo de sítio de adsorção. 
Portanto, quando se busca avaliar a capacidade de retenção de metais por determinado sedimento e, 
conseqüentemente, sua mobilidade, ecotoxicidade e biodisponibilidade, não basta a simples quantificação 
do conteúdo total dos metais associados a estes sedimentos. Mais do que isso, é necessário entender sob 
quais condições os metais estão associados aos sedimentos. No final dos anos 70, esquemas de extrações 
seqüenciais, desenvolvidos inicialmente para a exploração geoquímica (Rose & Suhr, 1971; Chao & 
Theobald, 1976), foram adaptados para os estudos ambientais (Tessier et al., 1979; Solomons & Förstner, 
1980; Bogle & Nichol, 1981). 
A técnica da extração seqüencial baseia-se na identificação da distribuição dos elementos químicos 
pelas várias fases sólidas do solo ou sedimento. Neste procedimento utiliza-se uma série de extratores 
químicos, mais ou menos seletivos, escolhidos de modo a solubilizar sucessivamente as diversas fases 
mineralógicas presentes na matriz em estudo. Este tipo de determinação tem sido fartamente referida na 
literatura como especiação (Das et al., 1995; Fanfani et al., 1997; Tokalioğlu et al., 2000; Lima et al., 
2001; Zhang et al., 2001; Xu & Marcantonio, 2004; etc.). Entretanto, definições recentes da International 
Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) (Templeton et al., 2000) sugerem que o termo especiação 
deva se referir a determinações de espécies químicas bem definidas como, por exemplo, compostos 
organometálicos ou metais com diferentes números de oxidação, sendo preferível o uso do termo 
fracionamento para se referir ao método de extração seqüencial. 
Desde o seu surgimento, os esquemas de fracionamento foram largamente adotados pela 
comunidade científica e adaptados para várias matrizes e diferentes tipos de estudos ambientais. Duas 
revisões recentes sobre a evolução das extrações seqüenciais são apresentadas por Gleyzes et al. (2002) e 
Hlavay et al. (2004). Apesar de sua ampla utilização, alguns problemas são reconhecidamente inerentes ao 
método: a falta de uniformidade nos procedimentos resultante das inúmeras adaptações, a pouca 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
3
seletividade dos reagentes, a readsorção e redistribuição dos elementos, a falta de validação dos 
resultados, o baixo controle de qualidade e os resultados altamente dependentes do procedimento usado 
(Nirel & Morel, 1990; Gómez-Ariza et al., 1999). 
 Como conseqüência, a comparação dos resultados obtidos por diferentes pesquisadores e o 
entendimento dos processos geoquímicos são dificultados. O aparecimento do termo “frações definidas 
operacionalmente”, para denominar frações extraídas por determinado método, sob determinadas 
condições, foi uma tentativa de minimizar o problema. Para se harmonizar estes processos, tornando-os 
comparáveis e confiáveis, teve início em 1987 uma campanha para se certificar uma metodologia de 
extração seqüencial e o estabelecimento de materiais de referência que pudessem validar as extrações 
realizadas. A iniciativa do então Community Bureau of Reference – BCR, hoje Standard, Measurements 
and Testing Program, órgão da Comunidade Européia, foi considerada o ponto de virada dos esquemas de 
extração, dando mais credibilidade ao uso desta metodologia (Quevauviller et al., 1997; Ure & Davison, 
2002; Bacon et al., 2005). Atualmente, o fracionamento vem sendo cada vez mais utilizado e considerado 
uma importante ferramenta nos estudos da biodisponibilidade e mobilidade dos metais (Quevauviller, 
2002). 
Uma outra maneira de estudar o comportamento de um metal no solo ou sedimentos é a aplicação de 
modelos físico-químicos de adsorção. De um modo geral, pode-se quantificar capacidade de adsorção de 
determinada superfície pela relação entre a quantidade de um metal adsorvido por uma fase sólida e a 
concentração deste metal que permanece em equilíbrio na solução. Submetendo um sedimento ao contato 
com várias soluções de concentrações crescentes de determinado elemento obtém-se, para cada solução, 
um par resultante do equilíbrio metal adsorvido – metal remanescente na solução. A construção de um 
gráfico relacionando estes valores origina as chamadas isotermas de adsorção. O estudo das isotermas 
de adsorção remonta aos trabalhos pioneiros de J. M. Bemmelen em 1880 (Giles et al., 1960; Forrester & 
Giles, 1972). Atualmente é uma ferramenta muito utilizada na avaliação da energia com a qual o metal se 
liga aos sedimentos e da capacidade máxima de adsorção do material para determinado metal e, 
conseqüentemente, sua biodisponibilidade (Garcia-Sánchez et al., 1999; Lawrence et al., 2000; Grafe et 
al., 2001; Li et al., 2003). 
 
1.2 – OBJETIVOS 
Este estudo foi desenvolvido na região leste-sudeste do Quadrilátero Ferrífero - Minas Gerais. Esta 
região, considerada uma das mais mineralizadasdo globo, vem sendo intensamente minerada desde o final 
do século XVII após a descoberta do ouro pelos bandeirantes. Metais associados aos minérios vêm sendo 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
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historicamente liberados para os cursos d’água que drenam a região, provocando a contaminação da água 
e sedimentos (Eleutério, 1997; Matschullat et al., 2000; Costa et al., 2003). Dentre as várias atividades 
mineiras existentes nesta região, a mineração de ferro merece destaque especial. Apesar dos minérios de 
ferro apresentarem baixos teores de metais nocivos (Davy, 1983), no Quadrilátero Ferrífero torna-se 
importante o entendimento da real influência ambiental da sua exploração dada a escala em que se dá a 
mineração de ferro, a escassez de trabalhos geoquímicos de cunho ambiental focalizando os minérios de 
ferro, sua proximidade com os depósitos de ouro ricos em sulfetos e historicamente garimpados e o 
importante papel exercido pelos óxidos de ferro, cada vez mais utilizados como imobilizadores de metais 
em áreas contaminadas (Müller & Pluquet, 1998; Ding et al., 2000; Bose et al., 2002; Zhang et al., 2003). 
Considerando o quadro descrito acima, o objetivo deste trabalho pode ser dividido em 3 partes. A 
primeira parte consiste na caracterização geoquímica dos diferentes tipos de minério de ferro encontrados 
nas principais minas de ferro da região leste-sudeste do Quadrilátero Ferrífero: Minas de Capanema, 
Timbopeba e Alegria de propriedade de Cia Vale do Rio Doce S.A. Desta forma, buscou-se quantificar a 
distribuição dos elementos maiores e menores associados aos diferentes tipos de minério, assim como 
identificar uma possível fonte de elementos traço para o meio ambiente a partir dos minérios de ferro e/ou 
seu processo exploratório. 
A segunda parte deste trabalho concentrou-se na amostragem e caracterização mineralógica e 
geoquímica dos efluentes do processamento primário do minério de ferro proveniente da planta de 
tratamento de Timbopeba. Este material, rico em óxidos de ferro, é composto por uma mistura de rejeitos 
da mineração, lama proveniente da lavagem das câmaras de beneficiamento de minério e do material 
erodido na sub-bacia de Timbopeba. Disposta em duas barragens de contenção – barragem de Timbopeba 
e barragem de Natividade – esta mistura de materiais será chamada indistintamente neste trabalho de 
sedimento. Esta etapa envolveu ainda o entendimento da distribuição espacial dos elementos traço nas 
superfícies dos sedimentos de fundo das duas barragens, sua relação com os minérios de ferro 
caracterizados na etapa anterior e a identificação qualidade deste material através de comparação com os 
principais Valores Guia de Qualidade de Sedimentos (VGQS). 
A terceira parte do trabalho teve por objetivo investigar a capacidade de adsorção de metais 
apresentada pelos sedimentos. Para tanto, procurou-se (1) identificar a associação de metais traço presente 
em cada fase mineralógica do sedimento natural através de procedimentos de fracionamento por extração 
seqüencial e (2) testar a capacidade de adsorção de cada fase mineralógica dos sedimentos para diferentes 
combinações e concentrações de elementos traço. Esta capacidade de adsorção foi testada utilizando-se os 
elementos As, Cr, Cu e Pb e permitiu avaliar o uso dos sedimentos como minimizador da contaminação de 
metais em águas, a eficiência das barragens como barreiras geoquímicas na fixação de metais 
potencialmente poluidores e, conseqüentemente, a geodisponibilidade destes metais associados aos 
sedimentos. 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
5
1.3 – LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 
O Quadrilátero Ferrífero (Figura 1.1) tem seu nome derivado da morfologia de suas principais serras 
constituídas de minério de ferro, dispostas na forma de um quadrilátero na porção central do estado de 
Minas Gerais e distribuído pelos municípios de Belo Horizonte, Nova Lima, Raposos, Santa Bárbara, 
Barão de Cocais, Sabará, Caeté, João Monlevade, Itabirito, Ouro Preto, Mariana, Conselheiro Lafaiete, 
entre outros. 
Os minérios e sedimentos estudados neste trabalho foram coletados na região leste-sudeste do 
Quadrilátero Ferrífero, mais precisamente nas minas de ferro de Capanema, Timbopeba e Alegria. 
A Mina Ferro de Capanema (Prancha I, Foto 1) situa-se na Serra do Ouro Fino, Bacia hidrográfica 
do Rio das Velhas, na divisa dos municípios de Santa Bárbara, Itabirito e Ouro Preto, entre as latitudes 
20°11’00’’ e 20°09’00’’S e longitudes 43°42’00’’ e 43°44’00’’W. O acesso é feito pela Rodovia dos 
Inconfidentes (BR-256) em direção à Ouro Preto. No quilômetro 66 segue-se à esquerda em estrada 
asfaltada até a entrada da mina. O início dos trabalhos de lavra em Capanema se deu em 1982 através de 
um convênio firmado entre a Cia. Vale do Rio Doce e a companhia japonesa Kawasaki Steel Corporation 
(KSN). As reservas, estimadas em 375 Mt, se esgotaram no final de 2003 e a mina encontra-se hoje em 
fase de recuperação ambiental. 
A Mina de Ferro de Timbopeba (Prancha I, Foto 2) situa-se nos domínios da Serra Geral, no distrito 
de Antônio Pereira, município de Ouro Preto entre os paralelos 20°15’00” e 20°17’30” S e os meridianos 
43°30’00” e 43°32’30” W. A região é drenada por rios que contribuem para a formação das cabeceiras do 
Rio Doce e o acesso se dá a partir de Mariana pela rodovia MG-129 que liga Mariana a Santa Bárbara. A 
mina de Timbopeba entrou em operação no ano de 1984 e possui uma reserva estimada de 213 Mt de 
hematita e uma vida útil esperada de 35 anos (Endo, 1988). Na mina de Timbopeba funciona a usina 
responsável pelo beneficiamento de minério de ferro produzido em Timbopeba e Capanema. É também 
nas dependências de Timbopeba que se encontram as duas barragens de contenção, cujos sedimentos 
foram estudados neste trabalho: a barragem de Timbopeba e a barragem de Natividade (Figura 1.2) 
O Complexo Alegria (Prancha I, Foto 3) situa-se em terrenos dos municípios de Mariana e Ouro 
Preto, sendo limitado pelos paralelos 20°07’00” e 20°17’00” S e meridianos 43°24’00” e 43°35’00” W. O 
acesso é feito pela rodovia MG-129 entre Mariana e Santa Bárbara. Os córregos que cortam a mina 
pertencem à bacia hidrográfica do Rio Doce. A Mina de Alegria é, na verdade, um complexo composto 
por um alinhamento de concessões que cobrem um mesmo corpo de minério. Estas concessões estão 
divididas entre a Cia. Vale do Rio Doce (Compradas da Mineração SAMITRI em 2001: Fazendão, Morro 
da Mina, Alegria Este, Alegria Oeste, Alegria Centro, Conta História, Conta História Norte, Batatal, 
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 13, 202p 
 
6
10 2 3 km
N
70º 60º 50º 40º
0º
10º
20º
30º
40º
MG
BRASIL
N
 
Figura 1.1 – Localização das minas e barragens estudadas 
Basílio, M. S., 2005, Geoquímica dos Sedimentos Associados aos Minérios de Ferro... 
 
 
7
Miguel Congo, e Fábrica Nova) e SAMARCO Mineração (Alegria Sul e Germano). De acordo com 
Barcelos & Büchi (1986), a reserva na área dos decretos pertencentes então à Mineração SAMITRI em 
1986 era de 17 bilhões de toneladas de minério itabirítico. 
Os sedimentos/rejeitos utilizados neste trabalho foram coletados em dois lagos artificiais localizados 
dentro da área da Mina de Timbopeba e funcionam como primeira (represa de Timbopeba, Prancha I, 
Fotos 4 e 5) e segunda (represa de Natividade, Prancha II, Foto 6) bacia de decantação para os efluentes 
do processamento primário do minério de ferro proveniente da planta de tratamento de Timbopeba 
(Figura 1.2). 
LEGENDA
Área assoreada 
Lavra a céu aberto
Pilha de estéril revegetada 
Barragem de terra 
Drenagem
Vias de aceso
Garimpos de ouro abandonados
pilha de estéreis
do Ventura
pilha de estéreis 
do fundão
pilha de estéreis
do Serragem
 
Barragem do
Doutor
depósito de rejeito 
SAMITRI
Barragem de 
Natividade
Pit final da 
 
 
mina de manganês