Degraded water quality and environmental impacts caused by weathering of sulfide-bearing mine wastes are a legacy remaining at many historical mine sites. Release and mobilization of toxic metals (e.g., Zn and Cd) in mine drainage are often associated with weathering of primary sulfide minerals and precipitation and dissolution of secondary minerals. This study aims to couple field-scale measurements of physicochemical parameters with μm- and nm-scale mineralogical characterization to investigate sphalerite weathering and controls on Zn and Cd migration in an uncovered mine waste-rock pile. Elevated concentrations of Zn and Cd, potentially harmful to the receiving environment, were detected in waste-rock pore water and seepage. A suite of analytical techniques, including scanning electron microscopy – energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), scanning transmission electron microscopy (STEM) with EDS, electron microprobe analysis (EMPA), and synchrotron-based micro X-ray fluorescence (μ-XRF) mapping and micro X-ray absorption near edge structure (μ-XANES) spectroscopy were utilized in a high-resolution investigation of elemental- and secondary-mineral associations with sphalerite grains. EMPA and μ-XRF elemental maps and STEM investigations show depletion of Zn, Fe, S, and Cd, local enrichment of Cu, and distinct dissolution pits at the margins of sphalerite grains. Using μ-XANES, the speciation of solid phases containing Zn, Cu, Fe, and S indicates the dominance of primary sphalerite with microscopic inclusions of chalcopyrite, along with sparse occurrence of secondary Cu-bearing sulfides formed during weathering. These results suggest sphalerite oxidation leads to congruent dissolution without formation of distinct secondary-mineral coatings. Sphalerite weathering significantly contributes to elevated aqueous concentrations of Zn and Cd. Field-scale observations and mineralogical investigations indicate common occurrence of Fe-oxyhydroxides in the waste-rock pile. Seepage chemistry and surface complexation modeling results suggest that pH-dependent variations in reactions on the surfaces of the Fe-oxyhydroxides control aqueous concentrations of Zn and Cd, and the Zn/Cd ratio in the seepage. This work highlights the importance of understanding the mechanisms of sulfide-mineral oxidation and subsequent surface precipitation and adsorption, such that appropriate remediation action can be implemented to limit mobilization of metals to sensitive ecosystems.

含硫化物矿山废物风化造成的水质恶化和环境影响是许多历史矿场遗留下来的遗产。有毒金属的释放和动员（例如, Zn 和 Cd) 在矿山排水中往往与原生硫化物矿物的风化和次生矿物的沉淀溶解有关。本研究旨在将物理化学参数的现场尺度测量与 μm 和 nm 尺度矿物学表征相结合，以研究闪锌矿风化以及对裸露矿山废石堆中 Zn 和 Cd 迁移的控制。在废岩孔隙水和渗流中检测到高浓度的 Zn 和 Cd，可能对接收环境有害。一套分析技术，包括扫描电子显微镜 - 能量色散 X 射线光谱 (SEM-EDS)、带有 EDS 的扫描透射电子显微镜 (STEM)、电子探针分析 (EMPA)、和基于同步加速器的微 X 射线荧光 (μ-XRF) 映射和微 X 射线吸收近边缘结构 (μ-XANES) 光谱被用于对元素和次生矿物与闪锌矿晶粒的关联进行高分辨率研究。EMPA 和 μ-XRF 元素图和 STEM 研究显示 Zn、Fe、S 和 Cd 的消耗，Cu 的局部富集，以及闪锌矿颗粒边缘的明显溶蚀坑。使用 μ-XANES，含 Zn、Cu、Fe 和 S 固相的形态表明原生闪锌矿占主导地位，微观包裹体黄铜矿，以及在风化过程中形成的次生含铜硫化物的稀疏出现。这些结果表明闪锌矿氧化导致一致溶解，而没有形成明显的次生矿物涂层。闪锌矿风化显着导致 Zn 和 Cd 的水溶液浓度升高。野外观察和矿物学调查表明，废石堆中普遍存在铁羟基氧化物。渗流化学和表面络合建模结果表明，Fe-羟基氧化物表面反应的 pH 依赖性变化控制着 Zn 和 Cd 的水溶液浓度，以及渗流中的 Zn/Cd 比。这项工作强调了了解硫化物-矿物氧化以及随后的表面沉淀和吸附机制的重要性，以便可以实施适当的修复行动以限制金属向敏感生态系统的迁移。野外观察和矿物学调查表明，废石堆中普遍存在铁羟基氧化物。渗流化学和表面络合建模结果表明，Fe-羟基氧化物表面反应的 pH 依赖性变化控制着 Zn 和 Cd 的水溶液浓度，以及渗流中的 Zn/Cd 比。这项工作强调了了解硫化物-矿物氧化以及随后的表面沉淀和吸附机制的重要性，以便可以实施适当的修复行动以限制金属向敏感生态系统的迁移。野外观察和矿物学调查表明，废石堆中普遍存在铁羟基氧化物。渗流化学和表面络合建模结果表明，Fe-羟基氧化物表面反应的 pH 依赖性变化控制着 Zn 和 Cd 的水溶液浓度，以及渗流中的 Zn/Cd 比。这项工作强调了了解硫化物-矿物氧化以及随后的表面沉淀和吸附机制的重要性，以便可以实施适当的修复行动以限制金属向敏感生态系统的迁移。渗流化学和表面络合建模结果表明，Fe-羟基氧化物表面反应的 pH 依赖性变化控制着 Zn 和 Cd 的水溶液浓度，以及渗流中的 Zn/Cd 比。这项工作强调了了解硫化物-矿物氧化以及随后的表面沉淀和吸附机制的重要性，以便可以实施适当的修复行动以限制金属向敏感生态系统的迁移。渗流化学和表面络合建模结果表明，Fe-羟基氧化物表面反应的 pH 依赖性变化控制着 Zn 和 Cd 的水溶液浓度，以及渗流中的 Zn/Cd 比。这项工作强调了了解硫化物-矿物氧化以及随后的表面沉淀和吸附机制的重要性，以便可以实施适当的修复行动以限制金属向敏感生态系统的迁移。