נודולות מנגן

חתך של נודולת מנגן, ניתן להבחין במבנה השכבות האופייני

נודולות מנגן (אנגלית: Manganese Nodules), או, תצבירים רב מתכתיים (Polymetallic Nodules), הן תצבירי סלע עם תכולת מתכות גבוהה מאוד, בעיקר של מנגן וברזל, הפזורים על קרקעיות כל האוקיינוסים, בעיקר בעומקים של 4 עד 6 ק"מ.

תיאור

נודולות המנגן, בנויות משכבות של מינרלי מנגן וברזל אשר משוקעות סביב ליבה, בדומה לבצל. עיקר המינרלים הם תחמוצות והידרוקסידים. הליבה עשויה להיות מיקרוסקופית והיא על פי רוב חתיכת סלע, או שריד של בע"ח כמו חלק משלד, שן וכו'. העובי של השכבות משתנה בהתאם לקצב ההשקעה ולשלביה. גודל הנודולות נע בין מספר מילימטרים ועד עשרות סנטימטרים, כאשר הגודל הממוצע הוא כשל ביצה או תפוח אדמה (5 ס"מ). הצפיפות הגושית הממוצעת של נודלות המנגן היא 1.35 גרם לסמ"ק. נודולות המנגן הן סלעים שנוצרו בתהליכי השקעה בים, בשל כך, הן בעלי נקבוביות גבוהה (מיקרוסקופית ברובה), בסדר-גודל של כ-60%. כמו כן, שטח הפנים של הנודולות, עשוי להגיע לכ-150 מ"ר לגרם, זאת בשל האופי המחוספס של הנודולות. הנודולות שוכבות (בצורה חצי משוקעת, עד לעומק של כמה עשרות סנטימטרים) על קרקעית האוקיינוס ולעיתים קרובות הם מכוסות חלקית על ידי משקעים. הנודולות עשויות להימצא כמעט בכול עומק, אך הן נמצאות בריכוזים גדולים רק בעומקים שמתחת ל-4 קילומטרים. הפריסה העולמית של נודולות המנגן היא גבוהה ביותר, יש מקומות שבהן הנודולות מהוות כ-70 אחוזים מהכיסוי הכולל של הקרקעית. הנודולות הן בעלי פוטנציאל כלכלי גדול מאד שכן הן עשויות לשמש כמחצב עבור מתכות מעבר חשובות, בעיקר מנגן, ברזל, קובלט ונחושת, אך גם כמקור למתכות נדירות. על פי רוב אזורים בעלי פוטנציאל כרייה כלכלי הם כאלה שבהן צפיפות הנודולות הן מעל ל-10 קילוגרם למטר רבוע.

היסטוריה

נודולות המנגן התגלו לראשונה בסוף המאה ה-19 (1868) בים קארה (אוקיינוס הקרח הצפוני) לא הרחק מחופיה הצפוניים של סיביר. משלחת המחקר צ'לנג'ר, הייתה הראשונה שביצעה עבודת מחקר מקיפה בנושא. המשלחת מצאה שנודולות המנגן נמצאים בקרקעית של כל האוקיינוסים בעולם. בשנות ה-50 של המאה ה-20 הוחל במחקר מדעי אינטנסיבי אודות נודולות המנגן. בתחילה התמקד המחקר בהיבטים הקשורים למינרלוגיה ולפריסה של הנודולות על פני האוקיינוסים. בהמשך, ובעיקר משנות ה-80 ניתן דגש רב למחקרים גאולוגיים שעסקו בלימוד מנגנוני ההיווצרות וההשקעה של הנודולות ובדגש למחקרים שהראו שלנודולות פוטנציאל להוות ארכיון ייחודי למאורעות ולשינויים גאולוגים שהתרחשו בכדור הארץ כמו השתנות השדה המגנטי ודפוסיו, לכימיה הימית ולשטפי הקרינה הקוסמית שהגיעו לכדור הארץ.

נודולות מנגן

פריסה של נודולות מנגן על קרקעית הים

נודולות מנגן

מנגנון ההיווצרות

כבר משלב גילוי הנודולות, הן עוררו מחקר פורה בדבר עצם היווצרותן. בתחילה היו שחשבו שנודולות המנגן אינן אלא תוצרי בלייה של משטחי בזלת תת-ימיים, אך לאחר בחינה מדוקדקת של מבנה הנודולות, הנחה זו נשללה, והובן שהתאוריה ההגיונית יותר עשויה להיות קשורה לתהליכי השקעה (בשל המבנה השכבתי דמוי הבצל). מנגנון ההיווצרות, המקובל כיום, של נודולות המנגן הוא מנגנון השקעה כימי, לפיו, על פני שטח מסוים (שמתפקד כאתר התגרענות) מתרחשת תגובת חמצון של קטיוני מנגן (Mn⁺²) וברזל (Fe⁺³) על ידי חמצן שמומס בים (O₂) יחד עם אניון ההידרוקסיד (^-OH). התוצרים מתגובה זו (MnO₂, FeO(OH)) הם קשי תמס, ועל כן נשארים משוקעים ומוצמדים למשטח. תהליך זה ממשיך ללא הרף, אך בקצבים נמוכים מאוד מאוד.

ההשקעה של המינרלים, עשויה להתרחש ישירות ממי הים על פני השטח החשופים של הנודולה (הידרוגנזה), או מאינטראקציה של מי הים עם הנודולה דרך הסדימנט (דיאוגנזה). תהליכי ההשקעה דרך הסדימנט (דיאוגנזה) מהירים בהרבה מתהליכי ההשקעה הישירים ממי הים, על כן, החלקים של הנודולה שטמונים בתוך הבוץ האוקייני, מתפתחים מהר יותר, ולכן לנודולות מבנה דמוי אגס (או ביצה), הכולל חלק רחב (זה שהיה טמון בקרקעית), וחלק צר יותר (שהיה חשוף למי הים).

אזורים עם פעילות וולקנית הכוללים נביעות הידרותרמיות מהווים מקור גדול וחשוב מאד לאספקתם של היסודות המתכתיים שבונים את נודולות המנגן. עם זאת, המים היוצאים מהנביעות אינם אידיאלים להתפתחות של נודולות בגלל הטמפרטורה הגבוהה והחומציות הגבוהה, אך מתאימים בגלל תכולת מתכות. זרמים ימיים יכולים להוביל חלק מהמומסים האלה לאתר מרוחק יותר שבו הם יושקעו ליצירת נודולות.

התנאים להתפתחות נודולות המנגן

• שפע יחסי של גרעיני נוקליאציה.
• מי-עומק העשירים יחסית בחמצן - הדרוש לתהליכי החמצון ויצירת התחמוצות.
• עומק - בעומקים גדולים יש התפתחות טובה ומהירה של הנודולות, בין היתר בשל כושר המסה גבוה של חמצן.
• טמפרטורה- טמפרטורות נמוכות מועדפות לתהליכי השקעה (בנוסף, חמצן מתמוסס טוב יותר במים קרים).
• PH- סביבה בסיסית מועדפת.
• סביבה ימית בעלת קצבי השקעה כללית נמוכים – של פחות מ-10 ס"מ ל-1000 שנה.
• פעילות ביולוגית על גבי הנודולות - המזרזות את קצב ההשקעה, ומונעת את קבורתה בסדימנט. על מנת שהנודולות יוכלו להתפתח יש צורך בסילוק של משקעים אחרים מפני השטח של הנודולה, שכן, אם קצב ההשקעה הכללי באזור יהיה מהיר מקצב ההשקעה של מינרלי המתכת על הנודולה הדבר יביא לקבורה של הנודולה ולניתוקה ובכך למניעת המשך ההתפתחות שלה. ההנחה המקובלת היא שיצורי ים מסוימים (Benthic Creatures), אחראים על ניקיון הנודולות מהמשקעים, הם למעשה ניזונים ממיקרואורגניזמים שנמצאים בתוך הבוץ האוקייני (ומשפיעים על מהירות ההשקעה, על ידי האצת תהליכי השקעה של מתכות ממי הים כחלק מהפעילות המטבולית שלהן, כך שבמהלך תזונתם הם חושפים את הנודולות מכיסוי המשקע שהצטבר על גביהן.
• פעילות ביולוגית יצרנית בינונית במים העליונים – נודולות המנגן מתפתחות בהתאמה ל- Carbonate Compensation Depth- או CCD, אשר מושפעת גם מהפעילות היצרנית במים של פני השטח. מעל לעומק זה, היחס בין קצב ההספקה או הייצור של קלציום קרבונט, לקצב ההשקעה שלו, נוטה לכיוון ההשקעה, בעוד שבעומק שמתחת ל-CCD, שיווי-המשקל ינוע לכיוון המסה של הקלציום קרבונט. מעל ל-CCD הקלציט יהיה המשקע הדומיננטי, מה שאומר שהתפתחות של נודולות מנגן לא תהיה מועדפת.

נביעות הידרותרמיות, מהוות מקור חשוב לאספקת היסודות הבונים את הנודולה

אספקת היסודות לנודולה

שני מקורות עיקריים לאספקת היסודות הבונים את הנודולות, האחד, תשטיפים של בלית מהיבשה, בעיקר דרך הנהרות הנשפכים לאוקיינוסים, מקווי החוף ומאינטראקציות של הים עם היבשה דרך מי התהום. והשני, דרך מקורות תת-ימיים, כגון, נביעות הידרותרמיות. הנודולות, לכן מתפתחות במלכודות ימיות, כלומר, אזורים של שקעים טופוגרפיים הממוקמים בין שני מקורות האספקה הגדולים של היסודות הבונים אותן (בין אדן היבשות, ובין אזורי פתיחה אוקייניים המכילים לרוב נביעות הידרותרמיות).

ההרכב הכימי

היחסים האחוזיים בין היסודות השונים המרכיבים את נודולות המנגן משתנים מאד בין האוקיינוסים השונים ואף בתוך אזורים שונים באותו אוקיינוס. כמו כן, לעומק בו מתפתחת הנודולה יש השפעה מכרעת על ההרכב המינרלוגי שלה. נודולות המנגן בנויות בעיקר מתחמוצות מנגן וברזל ממוימות (הידראטים). מצב הערכיות העיקרי של קטיוני המנגן והברזל במינרלים הוא 2+. לעיתים קרובות מוחלפים אטומי המנגן והברזל באטומים של מתכות אחרות (על פי סדר שכיחות יורד – מבוסס על ממוצע עולמי): אלומיניום (Al), סידן (Ca), נתרן (Na), מגנזיום (Mg), אשלגן (K), טיטניום (Ti), ניקל (Ni), נחושת (Cu), קובלט (Co), בריום (Ba), אבץ (Zn), עופרת (Pb) וסטרונציום (Sr). לעיתים רחוקות יותר הן מוחלפים באטומים של מתכות נדירות (על פי סדר שכיחות יורד – מבוסס על ממוצע עולמי): ציריום (Ce: 510 ppm), ניאודימיום (Nd: 152 ppm), לנתן (La: 108 ppm), סמריום (Sm: 36 ppm), גדוליניום (Gd: 35 ppm), דיספרוסיום (Dy: 31.5 ppm), תוריום (Th: 25 ppm), ארביום (Er: 16.8 ppm), איטרביום (Yb: 15.3 ppm), אירופיום (Eu: 8.4 ppm), אוסמיום (Os: 1.4 ppm), ובריכוזים נמוכים ביותר גם אירידיום (Ir: 10 ppb), פלדיום (Pd: 6 ppb) וזהב (Au: 3 ppb.

היסודות העיקריים הבונים את נודולות המנגן

ההשתנות היחסית של הרכב היסודות בנודולה קשורה בעיקר לשני גורמים:

• סוג המתכות המומסות במי הים:

נודולות שמתפתחות באזורים עם פעילות וולקנית ענפה, המלווה בפליטות גדולות של מתכות מומסות, יכילו כמויות גדולות של מתכות אלו. התהליך מתחיל בחלחול של מי ים דרך מערכות סידוק בקרקעית. המים באים במגע עם סלעים חמים מאד או מגמה, הם מצליחים להמיס לתוכן מתכות ולהעלותן חזרה אל פני השטח, תוך העשרה מקומית של מי הים בריכוזים גדולים מאד של מתכות.

• סוג התחמוצת (מנגן או ברזל) שנמצאת בנודולה:

שני המינרלים העיקריים בנודולות המנגן הם תחמוצת מנגן (בתצורה של MnO₂), ותחמוצת ברזל (בתצורה של FeOOH). בעת ההשקעה של מינרלים אלו, נוצרת על גביהן מטען חשמלי שמאוזן בכל העת עם יונים המומסים במי הים. תחמוצות המנגן מפתחות סביבן מטען שלילי, בעוד שתחמוצות הברזל מפתחות סביבן מטען חיובי. תופעה זו מספקת הסבר להבדלים בהרכב היסודות המתכתיים הבונים את הנודלות. נודולות שמתפתחות בסביבה העשירה בברזל יספחו אליהן מתכות בעלות מטען שלילי, והדבר אפשרי, כיוון שבמי הים, חלק מהמתכות נמצאות כקומפלקסים שלהן מטען מצטבר שלילי, כדוגמת אורניום (המופיע במי הים כ- (UO2(CO3)2^-2, מוליבדן (MoO4^-2), תוריום (Th(OH)₄), טלור (-H5TeO₆), הפניום (^-Hf(OH)₅) ועופרת (Pb(CO3)2^-2), בעוד שלנודולות המתפתחות בסביבה העשירה במנגן יש העדפה גבוהה יותר לספיחת מתכות עם מטען חיובי, כדוגמת: נחושת (שנמצאת במי הים כיון Cu⁺²), קובלט (Co⁺²), ניקל (Ni⁺²), טיטניום (Ti⁺²), בריום (Ba⁺²) ואבץ (Zn⁺²). כלומר, ככל שתכולת המנגן גבוהה יותר, אזי נצפה למצוא ריכוזים גבוהים יותר של קובלט, נחושת וניקל, ולהפך, כשריכוז הברזל בנודולה גדול יותר.

איתור ומיפוי

שדה נודולות מנגן תת-ימי

משנות ה-30 של המאה ה-20 הוחל במיפוי שיטתי מודרני של קרקעית הים. כבר אז הופקו מפות טופוגרפיות של קרקעית הים אולם היכולות לזהות בבירור מיקרו-מאפיינים טופוגרפיים של קרקעית הים היה בלתי אפשרי עד לסוף שנות ה-70, אז נעשה שימוש לראשונה בגלאים רב אלומתיים מבוססי סונאר (Multibeam Echo Sounders), חיישניים אלה מסוגלים לייצר מפה בתימטרית ברזולוציה גבוהה במיוחד. היא מבוססת על פליטה של שידורי סונאר בצורה של מניפה (מגוף הספינה). גלי הקול נעים במהירות של 1500 מטרים בשנייה (עבור הטווח המימי). כשהם פוגעים בקרקעית הם מוחזרים ממנה אל עבר הגלאי שמסוגל לחשב את זווית ההחזרה וזמן ההחזרה (ומתוך כך את המיקום המדויק של העצם מהגלאי). גלאים מסוג זה מסוגלים לסרוק רצועה ברוחב של 20 קילומטרים בעומק של 4 קילומטרים. כיום השימוש בטכנולוגיות מיפוי בטימטרי מבוססות סונאר עודנו קיים כשהוא עבר סידרה של שיפורים עם השנים. השיפור העיקרי קשור לאופן הצגת המידע על המחשב שבספינה. המכשור כיום מאפשר הצגה של תוצרי מיפוי בזמן אמת, כמו כן, עם שילוב של איכון מבוסס לווין (GPS) ניתן להפיק מפות מדויקות להפליא. טכנולוגיות המיפוי החדישות ביותר כוללות שימוש ברובוט ימי שעליו מותקנות מצלמות ומערכות סונאר. הרובוט מסוגל לבצע מיפוי עצמאי של השטח תוך שידור של הנתונים אל ספינת האם ובנוסף יש ביכולתו לבצע דגימות עצמאיות של קרקעית הים. הרובוט מסוגל לשאת עמו כמה קילוגרמים של נודולות, ולהעלותן לפני השטח.

פריסה עולמית ופוטנציאל כלכלי

הפריסה העולמית של נודולות המנגן היא כאמור מאד רחבה. נודולות המנגן נמצאות למעשה בכול גופי המים, וכמעט בכל סביבות ההשקעה הימיות. סוגי הסביבות בהן הייתכנות למציאת נודולת המנגן היא הגבוהה ביותר: רכסים ורמות תת-ימיים, בסמיכות לאזורי פתיחה, בגופי מים פנים-יבשתיים היושבים על קווי מפגש טקטוניים, בסמיכות למתלולים תת-ימיים חריפים, ועל פני קרקעית הים העמוק, בעומקים של 2 עד 6 ק"מ. מבין האוקיינוסים השונים, האוקיינוס השקט מכיל באופן יחסית את הריכוזים הגדולים ביותר של נודולות המנגן.

נודולות המנגן הן תופעה בקנה מידה יוצא דופן בפריסה העולמית שלה ובחשיבות הכלכלית שלה כמחצב למתכות. הערכות מדעיות ראשונות שנעשו, אודות הכמות הכללית של נודולות המנגן על פני כול האוקיינוסים, היא בסדר גודל של כ-1.5 טריליון טונות. בשנת 1981, צומצמה ההערכה לכדי 500 מיליארד טונות.

אזור קלארין-קליפרטון (Clarion–Clipperton), בצפון האוקיינוס השקט (מדרום מערב למקסיקו), זוכה לעניין הרב ביותר, בתחום הכרייה, זאת בשל היותו אזור עם הפוטנציאל הגדול ביותר של כרייה של נודולות מנגן. מדובר על שטח בגודל של כ-3 מיליון קילומטרים רבועים, עם צפיפות נודולות של כ-15 ק"ג למטר רבוע (הגבוהה ביותר הידועה). כדי לקבל הבנה אמתית אודות הפוטנציאל האדיר של אזור זה, די להתבונן בעובדה הבאה: הכמות המשקלית הטוטאלית של: מנגן, נחושת, ניקל, קובלט, מוליבדן, ליתיום, טונגסטן, תליום, טלור, איטריום, וניאוביום בנודולות המנגן באזור זה, גדולה מהכמות המשקלית הטוטאלית של כל המאגרים היבשתיים הידועים של המתכות הללו גם יחד. אחת המדינות, הגדולות, שמגלה עניין בפוטנציאל הטמון בכרייה של נודולות המנגן (ובאוצרות ימיים נוספים) היא סין. החל משנות ה-2000, סין היא היצרנית הגדולה והמובילה בעולם של: ברזל (39% מהייצור העולמי), מנגן (25%), מוליבדן (39%), עופרת (43%), אבץ (25%), קדמיום (23%), זהב (13%) ועוד מתכות רבות, כשהיא גם היצרנית הגדולה בעולם של קבוצת המתכות הנדירות (REE), עם כ-97% מהייצור העולמי של מתכות אלו. רוב המתכות הללו, נכרות בשטח היבשתי של סין, דבר המביא לחיסול מתמיד של היסודות הללו במכרות. על כן, סין מעוניינת לפתח מקורות נוספים לאספקה של המתכות הללו, שאחת המרכזיות הן נודולות המנגן.

אף על פי כן, הדרך לניצול מסחרי של נודולות המנגן אינו פשוט, מעבר להיבטים הטכנולוגים וההנדסיים הכרוכים בכך, ישנם מחסומים חוקיים לכרייה שכזו, כך ששטחי הנודולות האפשריים לכרייה מצטמצמים באופן משמעותי. מעבר לאזור קלארין-קליפרטון, ישנם עוד מקומות שעשויים לשמש כאתרי כרייה. תחשיבים כלכליים שבוצעו הראו שעל מנת להגדיר שטח מסוים כאזור בעל פוטנציאל כרייה כלכלי של נודולות מנגן על האתר לאפשר פעילות כרייה רציפה של 20 עד 25 שנה לפחות ולהכיל כמות נודולות בשיעור של בין 480 ל-13,500 מיליון טונות באיכות גבוהה. כשנודולה באיכות גבוהה היא כזו שתכולת המתכות בה היא כדלקמן: מנגן 27% עד 30%, ניקל 1.25-1.5%, נחושת 1-1.4%, קובלט 0.2-0.25%. על פי תחשיבים אלו, נמצא שכמות אתרי הכרייה המתאימים בעולם הם כ-225.

שיטות כרייה

תרשים מוצע של כריית נודולות המנגן באמצעות גרירת שרשראות

כריית נודולות באמצעות קצירה על ידי רובוט (החומר שנקצר מועבר באמצעות צינור אל ספינת האם)

כרייה של נודולות המנגן היא תהליך הכרוך בקשיים טכנולוגיים והנדסיים, הקשורים לעצם הכרייה בסביבה ימית (וקורוזיבית) וללחצים הגדולים הקיימים במעמקי הים (400 אטמוספירות עבור כרייה בעומק של 4 ק"מ. לשם השוואה עומק הירידה המרבי של צוללת גרעינית הוא כ-3 ק"מ, כאמור משיקולים בטיחותיים). כמו כן, כרייה של נודולות המנגן מלווה בהתנגדויות חזקות מצד ארגונים סביבתיים, בשל הפגיעה האקולוגיות הקשה שלפעולות מסוג עשויות לגרום לסביבה הימית. על אף האתגרים והקשיים הללו, ובשל האמרתן המתמדת של מחירי המתכות בעולם, עלתה האטרקטיביות הכלכלית של כרייה של נודולות המנגן.

החל משנות ה-70 של המאה ה-20 החלו גופים שונים (חלקן מהמגזר הממשלתי וחלקן מהמגזר הפרטי) לבצע ניסויים בשיטות כרייה מסחריות של נודולות המנגן. השיטות העיקריות שנוסו כללו הורדה של שלשלאות מתכת אל קרקעית הים וגרירה שלהן על ידי שתי ספינות השטות במקביל זה לזה (Continuous Line Bucket). בשיטה זו, הנודולות נעקרות ממקומן ונגררות בצברים עם כיוון התנועה של הספינות. לאחר מכן מבוצע איסוף של הצברים באמצעות כפות הידראוליות אל תוך הספינות. שיטות אחרות כוללות הורדה של מכונות כרייה (Self-propelled collector crusher) אל קרקעית הים. המכונות מבצעות כרייה של הנודולות וגריסה שלהן, תוך שהן מעבירות את החומר הגרוס במעלה צנרת (באמצעות שאיבה) אל ספינת האם.

ראו גם

• כרייה במים עמוקים
• חוק הים
• נביעה הידרותרמית
• אזור התהומות
• משלחת צ'לנג'ר
• פרויקט אזוריאן
• סונאר
• תיארוך
• תיארוך רדיומטרי
• גאוכימיה
• גאולוגיה ימית
• גאולוגיה כלכלית
• אוקיינוגרפיה
• אוקיינוגרפיה כימית

לקריאה נוספת

• Chung, J. S., 2009: Deep-Ocean Mining Technology III : Developments. 1–7., The International Society of Offshore and Polar Engineers
• Cronan, D. S., & Tooms, J. S. (1967, April). Geochemistry of manganese nodules from the NW Indian Ocean. In Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts (Vol. 14, No. 2, pp. 239IN15249-248). Elsevier
• Hein, J. R., 2016: Manganese Nodules A physical, biological, environmental, and technical review., Secretatiat of the Pacific Community
• Hein, J. R., Mizell, K., Koschinsky, A., & Conrad, T. A. (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
• K.H. WOLF, Glasby, G. P., & Read, A. J. (1976). Deep sea manganese nodules. Handbook of stratabound and stratiform ore deposits, 7, 295-340
• Mero, J. L. (1965). The mineral resources of the sea (Vol. 1). Elsevier
• Scott, S., R. Editor, J. Hein, A. S. W, C. Hobbs, and C. Morgan, 2008: Mineral Deposits in the Sea : Second Report, ECOR Panel on Marine Mining
• Somayajulu, B. L. K., 2000: Growth rates of oceanic manganese nodules : Implications to their genesis, palaeo-earth environment and resource potential. 78, 300–308., Current Science

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא נודולות מנגן בוויקישיתוף

• כרייה של נודולות המנגן, סרטון, סרטון באתר יוטיוב
• כרייה ומחקר של נודולות המנגן, סרטון, סרטון באתר יוטיוב
• כרייה של נודולות מנגן על ידי UK Seabed Resources, סרטון, סרטון באתר יוטיוב
• כתבה על הקשר בין פעילות בקטריות להתפתחות נודולות המנגן

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

22640329נודולות מנגן