چشم ‌انداز منابع معدنی آینده

مقدمه

گرهک‌های منگنز (گرهک‌های آهن ـ منگنز، گرهک‌های فرومنگنز، گرهک‌های چند فلزی) توده‌هایی متشکل از اکسید آهن‌ـ منگنز هستند که از ته‌نشست (برهم‌افزایی¹ ) لایه‌های اکسید در اطراف یک هسته در سطح پوشیده از رسوب در اقیانوس‌های عمیق تشکیل می‌شوند. این گرهک‌ها شکل‌ها و اندازه‌های مختلفی دارند و دارای مقادیر چشمگیری نیکل، مس،‌کبالت، لیتیم‌، مولیبدن،‌ زیرکونیم و عناصر خاکی کمیاب هستند.

گرهک‌های منگنز (تصویر1) از اوایل قرن نوزدهم شناخته شده بود، اما بعد از جنگ‌ جهانی دوم بود که این گرهک‌ها به‌علت توانایی‌شان در جذب سطحی فلزات از آب دریا، به‌طور مفصل مورد مطالعه قرار گرفتند. در بسیاری از مطالعات اولیه، دانشمندان میان گرهک‌های منگنز و پوسته‌های منگنز تفاوتی قائل نمی‌شدند. توجه به ارزش بالقوه این گرهک‌ها، در اواخر دهه 1950 و اوایل دهه 1960 آغاز شد. در این زمان، جان مِرو پایان‌نامه دکترای خود را درباره این گرهک‌ها نوشت و مقاله‌ای در مجله «زمین‌شناسی اقتصادی» منتشر کرد و سپس آن را به‌صورت کتابی به رشته تحریر درآورد. تا اواسط دهه 1970، شرکت‌های بزرگی برای کاوش و معدن‌کاوی گرهک‌های منگنز در منطقه شکستگی کلاریون ـ کلیبرتون  (²CCZ) در شمال شرق اقیانوس آرام تأسیس شد (تصویر 2). این منطقه به‌علت داشتن مقادیر زیادی نیکل، مس و منگنز و توزیع متراکم گرهک‌ها،‌ هنوز هم یکی از بزرگ‌ترین مناطق اقتصادی اقیانوس‌های کره‌ زمین است. در حالی‌که قرار بود معدن‌کاوی گرهک‌ها در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980 آغاز شود، به علت کاهش بهای فلزات در بازار جهانی،‌ این تصمیم هرگز عملی نشد. از آن زمان کاوش‌های بسیاری برای مطالعه گرهک‌های CCZ انجام شده است و در حال حاضر، 15 پروژه توسط متولی بین‌المللی بستر دریا³ (ISA) برای اکتشاف این نهشته‌ها در نظر گرفته شده است. در اوایل، توجه به گرهک‌ها به‌خاطر مقدار زیاد نیکل، مس و منگنز موجود در آن‌ها بود، اما مطالعات بعدی نشان داد که گرهک‌ها مقادیر قابل ملاحظه‌ای از سایر فلزات اساسی مورد نیاز برای فناوری پیشرفته و فناوری سبز را نیز در خود دارند.

تصویر 1. مقطع عرضی یک گرهک بزرگ با قطر 6/13 سانتی‌متر از کوه دریایی لومیلیک در منطقه EEZ جزایر مارشال. ساختاری شبیه به تنه درخت در این گرهک مشاهده می‌شود که نتیجه ته‌نشست اکسیدهای آهن ـ منگنز به ‌دور این هسته است (اقتباس از 2013 ، SPC).

پیدایش و توزیع

گرهک‌های منگنز، کنکرسیون‌هایی هستند که در سطح رسوباتِ پوشاننده دشت‌های مغاکی در همه اقیانوس‌های زمین تشکیل می‌شوند. این گرهک‌ها در جایی به‌وجود می‌آیند که سرعت رسوبگذاری کم (کمتر از 10 سانتی‌متر در هزار سال) باشد (تصویر 2). سرعت رسوبگذاری وقتی کم خواهد بود که: 1. دشت مغاکی از حاشیه قاره دور باشد،‌ 2. حاشیه قاره در مجاورت درازگودال اقیانوسی عمیق قرار داشته باشد، 3. پهنای فلات قاره زیاد باشد، یا 4. در منطقه‌ای خشک و کم باران واقع باشد. سرعت رسوبگذاری در اقیانوس‌های باز در جاهایی کم است که از منطقه تولیدمثل زیست‌شناختی زیاد یا جریان‌های بالارونده شدید (مانند استوایی با تولیدمثل زیاد) دور باشند.

تصویر2. گرهک‌های منگنز در همه اقیانوس‌ها وجود دارند اما فقط در چهار منطقه، تجمع آن‌ها به‌اندازه‌ای زیاد است که آن مناطق ارزش اقتصادی پیدا کرده‌اند. (اقتباس از هین، 4014).

گرهک‌ها معمولاً اندازه‌ای در حدّ توپ گُلف (غالباً 1 تا 12 سانتی‌متر) دارند اما به‌طورکلی اندازه آن‌ها از چند میلی‌متر (میکروگرهک‌ها) تا حدود 20 سانتی‌متر متغیر است. (تصویر3). هر چه ورود فلزات از منشأ دیاژنتیکی بیشتر باشد، اندازه گرهک نیز افزایش می‌یابد. گرهک‌های دارای بیشترین ارزش اقتصادی،‌ در مناطقی مشاهده می‌شوند که تولیدمثل اولیه در آب‌های سطحی، در حدّ متوسط باشد.

 

تصویر3. تغییر در فراوانی و اندازه گرهک‌های منگنز در منطقه کلاریون ـ کلیپرتون الف. گرهک‌های کوچک با فراوانی اندک، ‌ب. گرهک‌های کوچک با فراوانی زیاد،‌ ج. گرهک‌های بزرگ با فراوانی زیاد، د. گرهک‌های ریز و درشت با فراوانی زیاد (اقتباس از 2013. SPC).

بیشتر گرهک‌های منگنز در اعماق حدود 3500 تا 6500 متری دریا تشکیل می‌شوند،‌ اما ممکن است در تپه‌ها و پشته‌هایی با ارتفاع چند صد متر و کوه‌های دریایی با بلندای 2 کیلومتر در دشت‌های مغاکی وجود داشته باشند. گرهک‌ها می‌توانند روی همه ساختارهای مذکور تشکیل شوند، به‌شرطی که رسوب آن‌ها را پوشانده باشد.

گرهک‌های جمع‌آوری شده از این ساختارها با گرهک‌های دشت مغاکی تفاوت دارند. این تفاوت شامل دو مورد است: گرهک‌های کوه‌های دریایی فقط منشأ آبزاد (هیدروژنتیک⁴) دارند و غالباً هسته آن‌ها را قطعه‌سنگ‌های بزرگ تشکیل می‌دهند، اما گرهک‌های دشت مغاکی معمولاً هسته‌ای کوچک دارند.

بیشترین تجمع گرهک‌های غنی از فلز را در مناطق زیر می‌توان مشاهده کرد: منطقه CCZ در شمال‌شرق اقیانوس آرام (تصویر 2) که از منطقه اقتصادی انحصاری⁵ (EEZ) مکزیک تا طول جغرافیایی هاوایی گسترش می‌یابد؛ حوضه پرو در جنوب شرق اقیانوس آرام؛ حوضه پنرین⁶ در مرکز اقیانوس آرام جنوبی؛ حوضه مرکزی اقیانوس هند. گرهک‌های منگنز در CCZ، روی رسوبات مغاکی را در منطقه‌ای با وسعت تقریبی ده میلیون کیلومتر مربع (شامل 75 کیلوگرم گرهک در هر متر مربع از بستر دریا) می‌پوشانند، اما غالباً مقدار متوسط آن‌ها کمتر از 15 کیلوگرم است (تصویر 4). فراوانی گرهک‌ها در این منطقه را می‌توان ناشی از سرعت اندک رسوبگذاری،‌ فراوانی مواد مورد نیاز برای هسته‌بندی منگنز و آهن به دور این هسته‌ها و تولیدمثل متوسط در آب‌های سطحی دانست.

تصویر4. برآورد فراوانی متوسط گرهک‌ها در چهار منطقه اصلی (اقتباس از 2013،‌ SPC).

روش تشکیل

گرهک‌های منگنز از ته‌نشست اکسیدهای منگنز و آهن به دور هسته‌هایی که غالباً شامل قطعات گرهک‌های قدیمی‌ترند،‌ به‌وجود می‌آیند. کانی‌های منگنز و آهن در گرهک‌ها، دو منشأ دارند: آب سرد دریا (آبزاد یا هیدروژنتیک) و آب‌های منفذی رسوبات (دیاژنتیک). گرهک‌ها می‌توانند کاملاً آبزاد (مانند حوضه پنرین؛ تصویر 2) یا کاملاً دیاژنتیک (مانند حوضه پرو؛ تصویر 2) باشند اما بیشتر آن‌ها فلزات را از هر دو منبع به‌دست می‌آورند (تصویر 5).

گرهک‌های آبزاد بسیار آهسته رشد می‌کنند (حدود 1 تا 5 میلی‌متر در میلیون سال) گرهک‌های دیاژنتیک 250 میلی‌متر در میلیون سال است. از آنجا که بیشتر گرهک‌ها از هر دو منشأ به وجود می‌آیند،‌ سرعت متوسط رشد آن‌ها در حدود چند ده میلی‌متر در میلیون سال است. سرعت متوسط رشد گرهک‌ها تقریباً 4 مرتبه کمتر از سرعت رسوبگذاری است. با این وجود، گرهک‌ها در سطح رسوبات باقی می‌مانند. علت واقعی این موضوع، هنوز مشخص نیست.

سیالات منفذی رسوبات،‌ منبع اصلی نیکل، مس و منگنز هستند، اما آب دریا منبع اصلی کبالت است. فلزات موجود در سیال منفذی، از واکنش‌های اکسایش ـ کاهش دیاژنتیک در لایه‌های بالایی رسوبات حاصل شده و به درون کانی‌های اکسید منگنز که در بستر دریا در حال تشکیل هستند وارد می‌شوند.

نقش باکتری‌ها و مواد آلی در تشکیل گرهک‌ها هنوز به‌خوبی مشخص نشده است. باکتری‌ها و قارچ‌ها، اکسایش 2+ Mn را تا چند مرتبه افزایش می‌دهند. این موضوع باعث شده است که تصور شود در بیشتر محیط‌ها (آب شیرین،‌ آب دریا و خاک) اکسیدهای منگنز چهار ظرفیتی یا (IV)Mn عمدتاً منشأ زیستی دارند. البته هنوز پرسش‌های بسیاری پیش ‌روی ما هستند که پاسخ‌ به آن‌ها نیاز به بررسی‌های بیشتری دارد.

تصویر 5. تشکیل گرهک‌های منگنز. این فرایند در  اعماق3500 تا 6500 متر رخ می‌دهد (اقتباس از 2013، SPC).

ترکیب

گرهک‌های منگنز عمدتاً از کانی‌های  MnO2 ـ δ (ورنادیت⁷ آبزاد)، منگانیت⁸ A°10 (آسبولان⁹، بوسریت¹⁰، تودوروکیت¹¹ دیاژنتیک)، و به مقدار کمتر بیرنزیت¹² دیاژنتیک تشکیل شده‌اند. همچنین مقادیر کمتری از اُکسی‌هیدروکسیدهای بی‌شکل آهن مشاهده می‌شود. مقادیر اندکی از کانی‌های آلومینوسیلیکاتی آواری و کوارتز و کانی‌های اوتی‌ژن ¹³ (به‌وجود آمده از دگرسانی مواد دیگر مانند شیشه آتش‌فشانی، کانی‌ها، میکروفسیل‌ها) نیز وجود دارند. یکی از خواص فیزیکی مهم گرهک‌های منگنز، ساختمان ورقه‌ای و تونلی کانی‌های دیاژنتیک اکسید منگنز است. این ساختمان‌ها امکان جذب مقادیر بزرگی از نیکل، مس و سایر فلزات از سیالات منفذی رسوبات را فراهم می‌کنند.

مقدار منگنز در گرهک‌ها مشخصاً 3 تا 6 برابر بیشتر از آهن است (جدول 1)؛ در حالی‌که در پوسته‌های MnـFe (نوع دیگری از مواد معدنی اقیانوس‌های عمیق) برعکس است. مقدار منگنز در گرهک‌های دیاژنتیک می‌تواند بیش از 30 درصد باشد. نیکل و مس از لحاظ اقتصادی بیشترین اهمیت را دارند و مقدار آن‌ها به‌ترتیب از 38/0 درصد تا 32/1 درصد و از 23/0 تا 07/1 درصد متغیر است (جدوا 1؛ %1/0 = ppm 1000). همچنین مقدار نیکل، مس و لیتیم در گرهک‌ها بیشتر از پوسته‌های MnـFe است؛ اما مقدار سایر فلزات کمیاب و عناصر خاکی کمیاب (REE) در پوسته‌ها بیشتر است. تقاضا برای لیتیم در بازار جهانی در حال افزایش است. علت این موضوع، کاربرد لیتیم در باتری‌های قابل شارژ است. مقدار لیتیم در گرهک‌های CCZ در حدود ppm 131 است، اما مقدار آن در گرهک‌های دیاژنتیک بیشتر است (مقدار ppm 311 در گرهک‌های حوضه پرو). مقدار REEها در گرهک‌ها نیز ارزش اقتصادی دارد، اما معمولاً دو تا شش برابر کمتر از پوسته‌های منگنز است. حداکثر مقدار REEها در گرهک‌های CCZ، حدود 08/0 درصد است. منشأ عمده این عناصر، آبزاد است. مقدار پلاتین در گرهک‌ها بسیار کمتر از پوسته‌های منگنز است و ارزش اقتصادی ندارد. مقدار متوسط سایر فلزات ارزشمند به‌صورت زیر است. کبالت (05/0 تا 4/0 درصد)، مولیبدن (262 تا 600 ppm)، زیرکونیم (307 تا 752 ppm).

عیار بالای کانه‌ها به همراه چند عامل دیگر باعث افزایش توجه به معدنکاوی گرهک‌های منگنز شده است. تعدادی از این عوامل عبارتند از: 1. افزایش جمعیت و افزایش تقاضا برای اجناسی که فلزات کمیاب در آن‌ها به‌کار رفته است، 2. کاهش عیار معادن موجود در قاره‌ها، 3. مشکلات مربوط به باطله‌برداری جهت رسیدن به کانی‌ها ارزشمند در قاره‌ها. علاوه بر این، فرایند معدنکاوی گرهک‌ها نیاز به فناوری پیشرفته ندارد و آن‌ها را تقریباً به آسانی می‌توان از بستر دریا جدا کرد.

ملاحظات زیست ‌محیطی

معدنکاوی گرهک‌های منگنز نیز همانند سایر فعالیت‌های معدنکاوی، بر محیط‌زیست بی‌تأثیر نخواهد بود. بنابراین قبل از هر گونه اقدامی، باید مشکلات زیست‌محیطی حاصل از معدنکاوی گرهک‌های منگنز را خوب بررسی کرد. معدنکاوی این گرهک‌ها، بخش‌هایی از بستر دریا را آشفته و رسوبات را شناور خواهد کرد. در نتیجه، جریان‌ها رسوبات را تا فواصل طولانی حمل خواهند کرد. علاوه براین، ترکیب شیمیایی آب دریا در این مناطق تغییر خواهد کرد. همچنین سروصدا، ارتعاش و نور منتشر شده از دستگاه‌ها، می‌تواند باعث جذب یا فرار جانداران گردد. همه این تغییرات، بر شرایط زیست‌محیطی جانداران ـ به‌ویژه انواع کف‌زی ـ تأثیر خواهد گذاشت. بنابراین باید به‌دنبال فناوری‌هایی بود که از مشکلات احتمالی جلوگیری کند.

جمع‌بندی

گرهک‌های منگنز در سطح رسوبات در همه دشت‌های مغاکی که سرعت رسوبگذاری در آن‌ها کم است (کمتر از 10 سانتی‌متر در هزار سال) یافت می‌شوند. این گرهک‌ها معمولاً با سرعت چند ده میلی‌متر در میلیون سال رشد می‌کنند و با این وجود، در سطح رسوبات باقی می‌مانند. علت این موضوع هنوز روشن نشده است. گرهک‌ها عمدتاً‌ از کانی‌های منگنز تشکیل شده‌اند. این کانی‌ها از آب دریا و از سیالات منفذی رسوبات ته‌نشین می‌شوند و فلزات فراوانی را همراه با سایر عناصر از این دو منبع،‌ به‌دست می‌آورند. فلزات ضروری برای بسیاری از فناوری‌ها از جمله نیکل، مس، کبالت، مولیبدن، لیتیم و REEها در این گرهک‌ها جمع شده‌اند. بنابراین برنامه‌ریزی برای اکتشاف و استخراج آن‌ها در آینده،‌ عاقلانه خواهد بود. در حال حاضر پانزده قرارداد برای اکتشاف گرهک‌ها با ISA بسته شده است که بیش از یک میلیون کیلومتر مربع از بستر دریا را در برمی‌گیرد.

پی‌نوشت

1. accretion

2. Clarion and Clipperton Zone

3. International Seabed Authority

4. hydrogenetic

5. Exclusive Economic Zone

6. penrhyn basin

7. Vernadite

8. manganate

9. asbolan

10. buserite

11. todorokie

12. birnessite

13. authigenic

منابع

1. Cronan D. S. (2008) Manganese nodules. In: Steele J. H., Turekian k.k. & Thorpe S. A. (eds.) of Ocean Sciences, Elsevier Ltd, 2nd edn, Vol3, 488-495.

2. Hein J.r.(2014) Manganese nodules. In: Harff, J., Meschede, M., Petersen, S., Thiede, J. (eds.) Encyclopedia of Marine Geosciences, Springer Science Science Business Media Dordrecht.

3. Hein J. R., K. Mizell, A. Koschinsky & T.A. Conrad (2013) Deep – ocean mineral deposits as a source of critical metals for high – and green – technology applications: Comparison with land – based resources. Ore Geology Reviews, 51. 1-14.

4. Hein J. R. & Koschinsky A. (2014) Deep – oceam ferromanganese crusts and nodules. In Holland, H. D., and Turekian, K.K.(eds.) Treatise on Geochemistry, Chapter 11. Oxfrd: Elsevier, 13, 273 – 291.

5. SPC (2013). Deep Sea Minerals: Manganese Nodules, a physical, biological, environmental, and technical review. Baker, E., and Beaudoin, Y. (eds.) Vol. 1 B, Secretariat of the Pacifc Community.