Occurrence and Mobility of Mercury in Groundwater

2. Sources and fluxes of mercury
2.1. Mercury in natural materials
Mercury is one of the least abundant elements in crustal rocks. Concentrations in rocks of the
upper continental crust typically range from 0.01 to about 2 mg/kg, although concentrations
higher by more than two orders of magnitude are reported from igneous and sedimentary
rocks of Crimea and the Donets Basin of Russia (Fleischer, 1970). A reasonable estimate of the
average concentration of THg is 0.08 mg/kg (Fairbridge, 1972). The most abundant Hg mineral
is cinnabar (HgS), which can be found in association with metacinnabar (β HgS—a metastable
sulfide). Other Hg minerals, mainly sulfosalts that can also contain arsenic, are not common,
and, when found, are generally associated with ore deposits.
Volcanic emissions have been estimated by some researchers to constitute the main natural
source of Hg to the atmosphere where Hg is primarily present as gaseous elemental Hg (Martin
et al., 2012). Kilauea, in Hawaii, was estimated to produce about 260,000 kg/yr (Siegel & Siegel,
1987). In contrast, Ferrara et al. (2000) suggest that volcanic emissions are not the main natural
source of THg to the atmosphere, based on reported estimates of emissions from Mediterra‐
nean volcanoes: Vulcano, about 1 to 6 kg/yr; Stromboli, about 7 to 80 kg/yr; and Etna, about
60 to 500 kg/yr.
Volcanic emissions can cause local contamination of soils and surface waters, but, as shown
at Mt. Etna in Sicily, concentrations of Hg in local groundwater were typically < 10 ng/L (Martin
et al., 2012), indicating that Hg had not been easily mobilized from the land surface. Never‐
theless, some of the Hg deposited to soils by volcanic emissions volatilizes and can be re-
emitted to the atmosphere (Fig. 1). Further, evasion of Hg(0) from the ocean surface adds
substantially to atmospheric Hg (Mason et al., 1994). Characterization of atmospheric THg
along the central USA Gulf Coast has shown inputs from sea spray increases atmospheric
deposition of THg in coastal regions (Engle et al., 2008).
Mineralization associated with igneous activity has produced volcanic-hosted massive sulfide
deposits, in which the ore mineral cinnabar forms (some mined since the third century B.C.
(Navarro, 2008)). Such major geologic sources of Hg are found in Spain, Slovenia, China, and
the western USA, in California. Volcanically derived sedimentary deposits containing other
sulfides also can contain substantial Hg (Navarro 2008).
Associated with igneous activity, circulating geothermal fluids can contribute Hg to ground‐
water, surface water, and to solids that precipitate around mineral springs, geysers and
fumaroles. In Russia, Yudovich and Ketris (2005) report that Hg contents in condensate from
fumarole gases ranged up to 0.11 mg/kg at the Kamchatka Peninsula, and even higher (up to
0.40 mg/kg) at fumaroles in Japan and Guatemala. In Yellowstone National Park in the western
USA, Hg is present at concentrations of 12 to 640 ng/L in waters of hot springs and geysers
(Ball et al., 2006), although Hg minerals were not recognized in precipitates there (White et al.,
1970). Saline waters at Sulfur Bank and Wilbur Springs in the California Coast Range contained
about 1,500 ng/L of Hg, and cinnabar and metacinnabar precipitate at Sulfur Bank (White et
al., 1970).
Occurrence and Mobility of Mercury in Groundwater
http://dx.doi.org/10.5772/55487
119

---

Fleischer (1970) compiled literature values for Hg in crustal rocks, worldwide. Average values
for mafic igneous rocks ranged from 0.001 to 0.240 mg/kg, whereas for silicic igneous rock,
averages ranged from 0.005 to 0.190 mg/kg, except for igneous rocks from the Crimea and
Donets Basin, where the average Hg contents ranged from 0.250 to 17.6 mg/kg. Average Hg
contents of sandstones and limestones ranged from 0.018 to 5.70 mg/kg, and in shales from
0.05 to 2.3 mg/kg, with the higher contents typically found in the Russian shales. In metamor‐
phic rocks, contents ranged from 0.060 to 2.50 mg/kg.
Many of the widely used sources of coal contain high concentrations of Hg; these include from
China (Pirrone et al., 2010), Ukraine (Kolker et al., 2009), and Texas, USA (Tewalt et al., 2001).
Coal burning is a major source of Hg release into the atmosphere (Wang et al., 2004); but
potential effects on groundwater are mostly unknown. The Hg content of coals ranges from
0.01 to 1.85 mg/kg, with the highest content found in some Chinese coals (Pirrone et al., 2010
and references therein). Much of the Hg in coals is in associated pyrites, with contents that can
be 10 mg/kg or greater (Yudovich & Ketris, 2005). Direct effects from coal seams on ground‐
water may not be obvious, however. Cravotta (2008) did not find detectable Hg concentrations
in samples of waters discharging from abandoned coal mines in Pennsylvania, USA.