Upload
david-ahoua
View
229
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
1/52
Dr. C.D. SattlerInstitut fr Geologie und Palontologie
Einfhrung in die Geowissenschaften IISommersemester 2013
Marine RohstoffeManganknollen und Manganerzkrusten
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
2/52
Manganknollen undManganerzkrusten der TiefseeVorkommen, Formation und
ZusammensetzungC.D. Sattler
(TU Clausthal, Inst. f. Geologie & Palontologie)Andrea Koschinsky
(Jacobs University Bremen)
5 cm
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
3/52
Relief des Meeresbodens im Pazifik
Hawaii
Galapagos
Tahiti
Fiji
Marianengraben
Aleuten
Kurilen
OstpazifischerRcken
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
4/52
Bildung von Minerallagersttten in der Tiefsee
Kreislauf der Metalle an Land, in der Wassersule, am bergang Wassersule zumMeeresboden und an Hydrothermalsystemen.
Quelle: Koschinsky
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
5/52
Manganknollen
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
6/52
Relief des Meeresbodens im Pazifik
Hawaii
Galapagos
Tahiti
Fiji
Marianengraben
Aleuten
Kurilen
OstpazifischerRcken
ClarionFracture
Zone
ClippertonFractur
eZone
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
7/52
Weltweites Vorkommen mariner Rohstoffe
Quelle: BGR
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
8/52
Quelle: BGR
Manganknollen-Belegungsdichte im bzw. auf dem Sediment
Kastengreifer-Probe mit Mn-Knollen (Clarion-Clipperton-Fracture Zone)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
9/52
Manganknollen-Belegungsdichte im bzw. auf dem Sediment
Kastengreifer-Probe mit groen Knollen (Peru-Becken)Quelle: BGR
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
10/52
Vorkommen von Manganknollen
Quelle: ISA
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
11/52
Vorkommen von Manganknollen
sedimentation
Plate motion
Geologische Rahmenbedingungen frdie Bildung von Manganknollen im
Zentralpazifik
seafloor
Oceanic crust
calcareous
ooze
siliceous
ooze
nodules
Equato
r
(Folie von H. Kudrass, BGR)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
12/52
2 cm
1.5 cm 30 cm
Manganknollen im PazifikManganknollen im Pazifischen Ozean
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
13/52
2 cm
1.5 cm 30 cm
Manganknollen im PazifikManganknollen im Pazifischen Ozean
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
14/52
Wachstumslagenund Kerne von
Mn-KnollenDie Kerne der Mn-Knollen knnenaus Gesteinsbruchstcken,Bruchstcken lterer Knollen,
Hartteilen von Organismen oderanderem Festmaterial bestehen.
Quelle: Rehm und Puteanus (1988)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
15/52
Die konzentrischen Lagen sind das Ergebnis sich verndernder
ozeanographischer und sedimentologischer Rahmenbdingungen.
Die Wachstumsraten schwankenzwischen wenigen mm und biszu 25 cm / Mio. J.
Wachstumslagen und Kerne von Mn-Knollen
2 cm
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
16/52
160 180 160 140 120 100 80 7040
20
0
20
40
NewZealand
Hawaii
Galapagos
Ni (%)
1.5
1.2 - 1.5
0.9 - 1.2
0.3 - 0.9
0.3
Quelle: Piper & Wil liamson (1977)
Zusammensetzung von Manganknollen
Hohe Belegungsdichten und Metallanreicherung in der Clarion Clipperton FractureZone (Zentralpazifik) und im Peru-Becken
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
17/52
160 180 160 140 120 100 80 7040
20
0
20
40
NewZealand
Hawaii
Galapagos
Ni (%)
1.5
1.2 - 1.5
0.9 - 1.2
0.3 - 0.9
0.3
Quelle: Halbach et al. (1988)
Zusammensetzung von Manganknollen
Quelle: Piper & Wil liamson (1977)
Hohe Belegungsdichten und Metallanreicherung in der Clarion Clipperton FractureZone (Zentralpazifik) und im Peru-Becken
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
18/52
Bildung hydrogenetischer, diagenetischer und Mischtyp-Knollen
HydrogenetischeFe-Mn-Kruste
HydrogenetischeFe-Mn-Knollen Mischtyp-
Knollen
Diagenetische
Mn-Knollen
Substratgestein
verfestigtes Sediment
Rckfluss insBodenwasser
Sedimentation
Anreicherungim Sediment
Diagenetischer Fluss
Knollen-Bildung
Bildungsprozesse von Mn-Knollen
Nach Koschinsky et al.
Ausfllung aus dem Meerwasser
Migration im Sediment-Porenwasser
BuseritBuserit
Fe
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
19/52
Hydrogenetisches
Wachstum
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
20/52
pHzpc (MnO2) = 2.8pHzpc (FeOOH) = 8.5pH (Meerwasser) = 8.1
-
-
---
-
--
--
MnO2
+
++FeOOH
Zn2+
Co2+
Ba2+
MnCl+
Cd2+
MoO42-
Pb(CO3)22-
HVO42-
UO2(CO3)22-
Th(OH)40
Ce3+...
Vereinfachtes elektrochemisches Modell fr die Sorption von Spurenmetall-Spezies aufelektrisch geladenen Oberflchen kolloidaler oder partikulrer Mn-Oxide und Fe-Oxyhydroxide.
Bildung hydrogenetischer Knollen:Anlagerung von Elementen aus dem Meerwasser
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
21/52
Diagenetisches
Wachstum
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
22/52
D
e
p
t
h
Concentration
O2
NO3-
Mn 2+
Fe2+
H2S/HS-
CH4
Profil des Porenwasser-Chemismus
Oberflchensediment aus dem Peru-Becken: Bildungsbereich diagenitischer
Knollen (Durchmesser 30 cm)
Bildung diagenetischer Knollen
Oberflchensediment aus dem Peru-Becken:Bildungsbereich diagenetischer Knollen(Durchmesser 30 cm)
Konzentration
Tiefe
Frhdiagenese
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
23/52
D
e
p
t
h
Concentration
O2
NO3-
Mn2+
Fe2+
H2S/HS-
CH4
Konzentration
Tiefe
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
24/52
Mineralogische Zusammensetzung vonManganknollen
Dominant Zustzlich
HydrogenetischeKnollen-MnO2 (Fe-Vernadit),Fe-Oxyhydroxide Quarz, Feldspat,Goethit, Calcit, Apatit
DiagenetischeKnollen
Buserit, Birnessit, Fe-Oxyhydroxide
Quarz, Feldspat,Zeolite, Calcit,
Tonminerale, Apatit,Baryt
Vernadit: (Mn4+,Fe3+,Ca,Na)(O,OH)2 nH2O
Buserit: (Mn,Mg,Ca,Ba,K,Na)2Mn3O12 3H2O
Birnessit: (Na,Ca,K)0.5 Mn4+,Mn3+)2O4 1.5H2O
Quelle: Hein et al. (1997)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
25/52
Manganknollen: Bildungsprozesse
Hydrogenetisch / Diagenetisch / Mischtyp
Diagenetische Knollen: Przipitation aus dem Porenwasser der Sedimente als Folge
von Redoxreaktionen in den obersten Sedimentlagen am Kontakt zum Meerwasser.Hhere Wachstumsraten (bis cm / Mio. Jahre) und hheres Mn/Fe-Verhltnis; hhereGehalte an Cu, Ni und Zn.
Hydrogenetische Knollen: Przipitation hydratisierter Mn- und Fe-Oxide direkt aus demMeerwasser; Akkumulation von Spurenmetallen durch Oberflchensorption bei niedrigerWachstumsrate (mm / Mio. Jahre). Das Mn/Fe-Verhltnis ist niedrig (ca. 2) und dieKonzentration von Co, Pt und vielen anderen Spurenelementen ist hher als beidiagenetischen Knollen.
Quelle: Halbach (1980)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
26/52
Wachstumslagen von Mn-Knollen:Interntexturen
Anschliff-Photos: typisch kolumnare Textur einer hydrogenetischen Knolle(links) und typische Laminae einer Mn-reichen, frhdiagenetischen Knolle(rechts). Helle Lagen sind Mn-reich, dunkle Fe-reich.
0,1 mm Quelle: Halbach and Puteanus (1988)
Parallel zur Wachstumsrichtung senkrecht zur Wachstumsrichtung
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
27/52
ChemischeZusammensetzung von
Manganknollen
HALBACH et al. (1988)
Quelle: Halbach & Puteanus (1988)Elementkonzentrationen in verschiedenenKnollentypen des Pazifiks
(Halbach and Puteanus, 1988)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
28/52
Stark oxidierende Bedingungen: Vernadit
Weniger oxidierende bis suboxische Bedingungen: Buserit
Mineralogische Zusammensetzung vonManganknollen
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
29/52
Quelle: Koschinsky et al. (2009)
Oberflchenoxidation (hydrogenetisch)
Absorpt ion in Buseri t (diagenetisch)
Anreicherungsfaktoren von Elementen in Manganknollen
Mittlere Elementgehalte von Manganknollen der Clarion Clipperton Fracture Zone (CCFZ) im Vergleich zuGehalten dieser Elemente in der Erdkruste.(GERM data base http://earthref.org./GERM/)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
30/52
Co 0,2%
Mn 27,0%
Fe 8,0%
Cu 1,3% Ni 1,4% DurchschnittlicheZusammensetzungvon Mn-Knollen
Nach H. Kudrass, BGR
Chemische Zusammensetzung von Manganknollen
Sauerstoff 62,1%
Ca. 3 % bestehen aus Ni,
Cu und Co
Wirtschaftlich interessanteSpurenelemente:
- Zink- Molybden- Tellur- Zirkon
- Hafnium- Niob, Tantal- Selen- Gallium, (Germanium)- (Indium)
- Platin-Gruppen-Elemente- REE + Y
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
31/52
Die meisten Spurenelemente in den Manganknollen sind im Vergleich zu denGehalten in der Erdkruste signifikant angreichert.
Neue Technologien haben das Interesse an einigen seltenen Elementen deutlichgesteigert; z.B. fr In, Ge, Zr, Hf, Ta, Nb, Se, Te, PGE, REE und andere.
Neueste Studien zeigen, dass hydrogenetische Prozesse am effektivsten sind,um diese Elemente in Manganknollen anzureichern.
Mn-Knollen: Gehalte an wirtschaftlich interessanten Metallen
Quelle:Marbler et al. (2008)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
32/52
Konzentrationsbereiche (farbige Balken, logarithmischeAchse) von Spurenelementen in 14 Manganknol len derClarion Clipperton Fracture Zone.
Quelle: Koschinsky et al. (2009)
Element-Gehalte in Manganknollen derClarion-Clipperton-Fracture-Zone
(CCFZ) im Vergleich zu Knollen ausdem Peru-Becken bzw. Krusten aus
Meeresbereichen um Hawaii
Element-Gehalte von Knollen aus dem Peru-Becken (diagenetischer Typ)
Element-Gehalte hydrogenetischer Krusten aus Hawaii (Hein et al. 2000; keine Daten fr Se, Ta, Pt)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
33/52
Quellen: USGS; Hein & Koschinsky (2012)
Metallreserven: Meer vs. Land
Metallreserven in Manganknollen und krusten im Vergleich zu Landlagersttten zzgl.Ressourcen (Zahlen in Klammern). Angaben in Mio. Tonnen.
Meeresbergbau: Manganknollen
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
34/52
Lizenzgebiete im pazifischen Manganknol lengrtel zwischen den Clarion- und Clipperton-Bruchzonen,Internationale Meeresbodenbehrde (ISA). Eingefgt sind neun Meeresschutzgebiete, deren Einrichtung durch dieInternationale Meeresbodenbehrde derzeit d iskutiert wird.
BGR
Meeresbergbau: Manganknollen
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
35/52
Meeresbergbau: Manganknollen
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
36/52
Meeresbergbau: Manganknollen
Aktuelle Entwicklung eines Manganknollen-Kollektors
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
37/52
Meeresbergbau und Umwelt am Beispiel der Mn-Knollen
Umweltbeeinflussung durch Frderung und Verhttung von Mn-Knollen. Zahlenangaben in Mio. t / Jahr.
(Abfallprodukte und Schlamm) unter Annahme von 9 Produktionsschiffen.
Quelle:Schneider & Thiel (1988)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
38/52
Manganerzkrusten
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
39/52
Weltweites Vorkommen mariner Rohstoffe
Quelle: BGR
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
40/52
Bildung von Minerallagersttten in der Tiefsee
Kreislauf der Metalle an Land, in der Wassersule, am bergang Wassersule zum
Meeresboden und an Hydrothermalsystemen.
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
41/52
Photo: Halbach
Manganerzkrusten
Mangankruste auf sog. Hyaloklastit.Durchmesser der Probe ca. 30 cm
~ 10 cm
Schema der Entstehung von Manganerzkrusten
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
42/52
Schema der Entstehung von Manganerzkrusten
Tiefseeberg(abgesunkener, ehemaliger Vulkan)
AABW
HydrogenetischeMangankrusten
Mn2+ - reichSauerstoff Minimum - Zone
O2 - reich
Vermischungs-
Zone
Nach Koschinsky (1995)
PDW: Pazifisches TiefenwasserAABW: Antarktisches Bodenwasser
Schema der Entstehung von Manganerzkrusten
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
43/52
Tiefseeberg(abgesunkener, ehemaliger Vulkan)
AABW
HydrogenetischeMangankrusten
Mn2+ - reichSauerstoff Minimum - Zone
O2 - reich
Vermischungs-
Zone
Nach Koschinsky (1995)
PDW: Pazifisches TiefenwasserAABW: Antarktisches Bodenwasser
AABW
O2 - reich
-
-
---
-
--
--
MnO2
Zn2+
Co2+
Ba2+
MnCl+
Cd2+
Ce3+
+
++
FeOOH
MoO42-Pb(CO3)22-
HVO42-
UO2(CO3)22-
Th(OH)40 ...
Schema der Entstehung von Manganerzkrusten
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
44/52
0 100 200
O2 [ mol / kg ]Mn2+ [ nmol / kg ]
1 2 3 400
1
2
3
4
Tiefe(km)
Die Sauerstoff-Minimum-Zone und Wachstum von Manganerz-Krusten
Quelle: Klinkhammer & Bender (1980)
vv
v v
v
vv
v
v
v
vv
v v
v
v v
v
v
Stark berhht ! !
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
45/52
Basalt
Sediment
MeeresstrmungMangan-
krusten BruchstckeBasalt & Krusten
Manganknollen
5 cm
ca. 1 m
Manganerzkrusten
O [ mol / kg ]Mn2+ [ nmol / kg ] Junge und alte Krustengeneration
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
46/52
5 cm
ca. 12 Mio. J.
0 100 200
O2 [ mol / kg ]Mn [ nmol / kg ]
1 2 3 400
1
2
3
4
Depth(km)
HPO42-
Modell der Phosphatisierung der alten Krustengeneration
Koschinsky et al. (1997)
Quelle: Halbach et al. (1991)
Junge und alte Krustengeneration
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
47/52
Quellen: USGS; Hein & Koschinsky (2012)
Metallreserven: Meer vs. Land
Metallreserven in Manganknollen und krusten im Vergleich zu Landlagersttten zzgl.Ressourcen (Zahlen in Klammern). Angaben in Mio. Tonnen.
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
48/52
Meeresbergbau: Mangankrusten
Karte mit vielversprechenden Vorkommen von Mangankrusten im westlichen quatorialen Pazifik
Quelle: Hein et al. (2009)
HawaiiMarianen-Graben
Meeresbergbau: Mangankrusten
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
49/52
Meeresbergbau: Mangankrusten
Quelle: Hein et al. (1990)
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
50/52
Beginnende Fragmentierung und
Ablsung von Mangankrusten amHang eines Tiefseeberges
Abrutschen von Mangankrusten-Platten an den Fu eines
Tiefseeberges
Wi t h ftli h R l d M k t
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
51/52
Wirtschaftliche Relevanz der Mangankrusten
Halbach et al. (1991)
Abschtzung fr die 200-Seemeilen Zone umHawaii, Johnston-Atoll und Palmyra-Island
Flche: 40 670 km2
Bedeckung: ca. 18 800 t / km2 = ca. 19 kg / m2
bei einer Krustendicke von 2,0 - 2,5 cm
Co: 6,9 Mio. tNi: 3,9 Mio. tMn: 189,2 Mio. t
7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal
52/52
Vielen Dank !