Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal

7/21/2019 Manganknollen Und Manganerzkrusten , Geowissenschaften 2 , tu clausthal

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Dr. C.D. SattlerInstitut fr Geologie und Palontologie

Einfhrung in die Geowissenschaften IISommersemester 2013

Marine RohstoffeManganknollen und Manganerzkrusten


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Manganknollen undManganerzkrusten der TiefseeVorkommen, Formation und

ZusammensetzungC.D. Sattler

(TU Clausthal, Inst. f. Geologie & Palontologie)Andrea Koschinsky

(Jacobs University Bremen)

5 cm


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Relief des Meeresbodens im Pazifik

Hawaii

Galapagos

Tahiti

Fiji

Marianengraben

Aleuten

Kurilen

OstpazifischerRcken


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Bildung von Minerallagersttten in der Tiefsee

Kreislauf der Metalle an Land, in der Wassersule, am bergang Wassersule zumMeeresboden und an Hydrothermalsystemen.

Quelle: Koschinsky


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Manganknollen


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Relief des Meeresbodens im Pazifik

Hawaii

Galapagos

Tahiti

Fiji

Marianengraben

Aleuten

Kurilen

OstpazifischerRcken

ClarionFracture

Zone

ClippertonFractur

eZone


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Weltweites Vorkommen mariner Rohstoffe

Quelle: BGR


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Quelle: BGR

Manganknollen-Belegungsdichte im bzw. auf dem Sediment

Kastengreifer-Probe mit Mn-Knollen (Clarion-Clipperton-Fracture Zone)


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Manganknollen-Belegungsdichte im bzw. auf dem Sediment

Kastengreifer-Probe mit groen Knollen (Peru-Becken)Quelle: BGR


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Vorkommen von Manganknollen

Quelle: ISA


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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)


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2 cm

1.5 cm 30 cm

Manganknollen im PazifikManganknollen im Pazifischen Ozean


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2 cm

1.5 cm 30 cm

Manganknollen im PazifikManganknollen im Pazifischen Ozean


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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)


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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


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


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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


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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


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Hydrogenetisches

Wachstum


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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


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Diagenetisches

Wachstum


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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


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D

e

p

t

h

Concentration

O2

NO3-

Mn2+

Fe2+

H2S/HS-

CH4

Konzentration

Tiefe


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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)


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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)


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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


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ChemischeZusammensetzung von

Manganknollen

HALBACH et al. (1988)

Quelle: Halbach & Puteanus (1988)Elementkonzentrationen in verschiedenenKnollentypen des Pazifiks

(Halbach and Puteanus, 1988)


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Stark oxidierende Bedingungen: Vernadit

Weniger oxidierende bis suboxische Bedingungen: Buserit

Mineralogische Zusammensetzung vonManganknollen


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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/)


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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


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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)


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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)


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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


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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



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Aktuelle Entwicklung eines Manganknollen-Kollektors


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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)


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Manganerzkrusten


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Weltweites Vorkommen mariner Rohstoffe

Quelle: BGR


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Bildung von Minerallagersttten in der Tiefsee

Kreislauf der Metalle an Land, in der Wassersule, am bergang Wassersule zum

Meeresboden und an Hydrothermalsystemen.


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Photo: Halbach

Manganerzkrusten

Mangankruste auf sog. Hyaloklastit.Durchmesser der Probe ca. 30 cm

~ 10 cm

Schema der Entstehung von Manganerzkrusten


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Tiefseeberg(abgesunkener, ehemaliger Vulkan)

AABW

HydrogenetischeMangankrusten

Mn2+ - reichSauerstoff Minimum - Zone

O2 - reich

Vermischungs-

Zone

Nach Koschinsky (1995)

PDW: Pazifisches TiefenwasserAABW: Antarktisches Bodenwasser



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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 ...



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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 ! !


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Basalt

Sediment

MeeresstrmungMangan-

krusten BruchstckeBasalt & Krusten

Manganknollen

5 cm

ca. 1 m

Manganerzkrusten

O [ mol / kg ]Mn2+ [ nmol / kg ] Junge und alte Krustengeneration


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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


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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.


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Meeresbergbau: Mangankrusten

Karte mit vielversprechenden Vorkommen von Mangankrusten im westlichen quatorialen Pazifik


HawaiiMarianen-Graben



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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


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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


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Vielen Dank !

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