“Uw vraag zal worden beantwoord, antwoordde Kapitein Nemo. Laat mij u eerst vertellen dat er op de bodem van de zee afzettingen zijn van zink, ijzer, zilver en goud, waarvan de winning zeker mogelijk zou kunnen zijn.”
- Jules Verne, Twintigduizend mijlen onder zee (1870)
Op de bodem van de (diep)zee komen ertsen voor van koper, zink, mangaan, zeldzame aardmetalen (REE), kobalt, nikkel, vanadium en molybdeen. In dit artikel wordt verteld hoe ze ontstaan. Ook kunnen bij sommige van deze ertsen onverwachte of zelfs onbekende levensvormen voorkomen. Verder komen de volgende vragen aan de orde: kunnen de ertsen worden ontgonnen, c.q. worden ze al ontgonnen? En zo ja, mag dat wel? Want van wie is de zeebodem eigenlijk? Van iedereen of van niemand? Zijn er eigenlijk wel regels voor?
Typen onderzeese ertsafzettingen
Ertsen gerelateerd aan magmatische processen
Deze categorie bestaat uit de ertsen gerelateerd aan onderzees vulkanisme/magmatisme. Deze magmatische systemen komen vooral voor bij mid-oceanische ruggen: langgerekte, onderzeese, vulkanische gebergteketens.
Waterige, door de zeebodem sijpelende oplossingen worden verhit door invloed van onderzees magmatisme. Deze vloeistoffen raken door oplossing van mineralen uit het gesteente verrijkt aan ijzer, koper, zink, zwavel, en mogelijk ook goud en zilver. Ook kan menging met magmatische vloeistoffen optreden.
Via breuken kunnen deze hydrothermale vloeistoffen ook weer aan de oppervlakte van de zeebodem komen. Daar koelen ze af, waardoor afzetting van onder meer koper- en zinksulfiden optreedt. Dit gebeurt op zeedieptes van 4–6 km.
Reactie van de oplossingen met zeewater leidt ook tot vorming van soms meters hoge CaSO4-rijke kegels en torens. De oplossingen die uitstromen vanuit deze kegels en torens zien er zwart uit door de grote hoeveelheid uitgestoten sulfide. Toen deze structuren voor het eerst waargenomen werden, zagen de ontdekkers een analogie met schoorstenen met zwarte rook. Ze werden daarom Black Smokers (“Zwarte Rokers”) genoemd. Sulfiden komen voor nabij (maar ook in) de schoorstenen en vormen onderzeese massieve sulfide-afzettingen.
Deze afzettingen (in grootte variërend van een paar duizend ton tot ongeveer 5 miljoen ton) zijn erg rijk aan metalen, en de grote onder hen zijn in potentie lucratief om te ontginnen. Alleen al de concentraties koper in deze afzettingen (gemiddeld 3,6 gewichtsprocent) zijn, gezien de grote vraag naar koper op de wereldmarkt, zeer de moeite waard. Grote kopermijnen op het land werken vaak met gehaltes van rond de 0,5-1,0 gewichtsprocent.
Fascinerend detail is dat vlak bij deze schoorstenen, op dieptes waar géén licht meer doordringt, leven voorkomt. Deze ecosystemen functioneren op basis van chemosynthese (met zwavel) in plaats van op basis van fotosynthese. We vinden er bijvoorbeeld een verder niet voorkomende soort kokerworm: de zogenaamde Reusachtige Kokerworm (Riftia pachyptila) met een lengte tot ongeveer 2,5 meter. Ook komen hier diverse aangepaste soorten van (blinde) zeedieren voor. Vóór de ontdekking van deze Black Smokers in 1979 waren deze levensvormen onbekend.
Hydrothermaal gevormde fosforieten
Fosforieten zijn een ander onderzees type ertsen, deels gerelateerd aan hydrothermale processen. Fosforieten zijn fosfaathoudende gesteentes die minstens 20% fosfaat bevatten. Fosforieten kunnen behalve een hydrothermale ook een biologische oorsprong hebben, of door diagenese van kalksteen zijn ontstaan. Fosforieten worden vooralsnog alleen op het land gewonnen, waar de ertsen door latere geologische processen terecht zijn gekomen.
REY-muds
In 2011 is door Japanse onderzoekers een nieuw soort afzetting ontdekt: Rare Earth Element-rijke en Yttrium-rijke (REY) muds (modders). De modders bestaan uit metaalhoudende klei, zeolitische klei, en rode klei uit de diepzee. Deze modders komen voor in de zuidoostelijke en noordelijke Stille Oceaan. Geanalyseerde modder bevat totaal 0,2–0,3 gewichtsprocent REY. Diktes tot 10 meter zijn waargenomen. Bovendien zijn deze modders rijk aan vanadium, kobalt, nikkel, zink, molybdeen en mangaan. De afzettingen zijn mogelijk gerelateerd aan hydrothermale activiteit van mid-oceanische ruggen.
De onderzoekers houden echter een slag om de arm: omdat om diverse redenen over korte afstanden grote fluctuaties in dikte zouden kunnen voorkomen, is nog veel meer onderzoek nodig om iets te kunnen zeggen over winbare voorraden. Ontginning is nog niet aan de orde.
Ertsen gerelateerd aan geochemische processen in zeewater
Mangaanknollen
De belangrijkste ertsen uit deze groep zijn de zogenaamde mangaanknollen. Deze vormen zich op de oceaanbodem, waar zeer langzame sedimentatie plaatsvindt (< 7 µm/jaar).
Uitwerpselen en overblijfselen van organismen komen uiteindelijk op de oceaanbodem terecht. Deze bevatten kleine hoeveelheden metalen. Onderzees vulkanisme draagt ook bij aan de concentratie metalen in zeewater. Opgelost Fe en Mn slaan neer als ijzer- en mangaanoxides in concentrische lagen op vaste deeltjes, zoals zandkorrels en (haaien)tanden. Zo ontstaat een bal of nodule (knol). Deze ballen bevatten ook kobalt, koper en nikkel, en hebben de afmetingen van aardappels. De aangroeisnelheid van deze nodules is zeer laag: ze vormen zich gedurende miljoenen jaren.
De nodules komen wereldwijd voor, maar op bepaalde plaatsen komen er meer voor dan op andere. De reden hiervoor is niet precies bekend. De knollen komen gewoonlijk voor op een diepte van 4000–6000 m.
In de jaren zeventig van de vorige eeuw werden deze knollen gewonnen, maar exploitatie is gestopt. Dit had te maken met de grote diepte waarop de nodules voorkomen en de daarom hoge prijs van de winning. In 1968 werd geschat dat de prijs om 5000 ton mangaanknollen (droog gewicht) per dag op te dreggen ongeveer $150 miljoen (per dag) zou bedragen. Daarmee waren de kosten van transport en verwerking nog niet meegerekend. De verwachte opbrengst lag zo rond de $53 miljoen, sterk verliesgevend dus. Omdat de prijs van mangaan in jaren zeventig sterk steeg en verwacht werd dat deze hoog zou blijven, is winning van de knollen kortstondig geprobeerd, maar dit bleek uiteindelijk economisch niet haalbaar.
De prijs van mangaan is sterk aan fluctuaties onderhevig. Eind jaren zeventig/begin jaren tachtig van de vorige eeuw steeg de prijs van mangaanknollen van ongeveer 20 US$- cent/kg naar bijna het dubbele, om een paar jaar later weer naar ongeveer een derde van die waarde terug te vallen. Voor het zuivere metaal, waar dus nog waarde aan toegevoegd is, is er in de afgelopen 5 jaar een viervoudige variatie (voornamelijk omlaag) te zien geweest. De winning van mangaanknollen is dus niet op termijn rendabel.
Kobalt-rijke korsten op seamounts
Hellingen van onderzeese bergen (seamounts) en vulkanen op 800–2500 meter diepte in de Stille Oceaan zijn vaak bedekt met een korst van kobalt, titanium, cerium, mangaan en nikkel. Het belangrijkste metaal is kobalt, gevolgd door mangaan. Ook deze afzettingen zijn waarschijnlijk grotendeels neergeslagen uit zeewater, misschien onder invloed van bacteriën. Hydrothermale activiteit is ook mogelijk. De vormingstijd is vermoedelijk enkele tientallen miljoenen jaren.
De korsten zijn gemiddeld ongeveer 2,5 cm dik. Als 1,7% van de oceaankorst ermee bedekt is, betekent dat, gezien de concentratie aan kobalt, ongeveer 1 miljard ton kobalt. De wereldvoorraad op het land wordt geschat op ongeveer 15 miljoen ton. Het midden van de Stille Oceaan lijkt het meest geschikt voor mijnbouw. Winning is echter, gezien de geringe dikte van de korsten, technisch problematisch.
Afzettingen gerelateerd aan subductieprocessen.
Hierbij gaat het om onderzeese hydrothermale mangaanafzettingen die voorkomen bij een aantal eilandbogen (Tonga-Kermadec Rug, Ogasawa trog, Bonin boog, Mariana boog en de Bismarck Archipel). Als gevolg van de ontwatering van sedimenten die onderhevig zijn aan subductie, komen grote volumes aan oplossingen vrij. Deze oplossingen hebben hoge concentraties aan mangaan, die neerslaan als hydrothermale mangaanafzettingen. De diepte waarop deze afzettingen voorkomen varieert van 110–8350 m. Deze afzettingen hebben vaak een ruimtelijke relatie met die van seamounts, welke ook vaak bij subductiezones voorkomen. De korsten zijn relatief dun (centimeters tot soms een decimeter). Dit maakt winning technisch moeilijk en duur. De sterke fluctuaties van de prijs van mangaan maakt ontginning nog eens extra onrendabel.
Afzettingen Gerelateerd aan Sedimentaire Processen
Placers of placer-afzettingen komen wereldwijd voor en zijn relatief hoge concentraties van waardevolle, tegen verwering resistente, zware mineralen. Deze mineralen zijn in verhouding tot gesteentevormende mineralen zwaar door hun hoge dichtheid. Voorbeelden zijn diamant, monaziet, zirkoon en granaat. De concentraties ontstaan door sedimentaire processen op het land of in ondiepe kustwateren. Placers en zware mineraalzanden (onder water) worden met baggermethodes ontgonnen.
Placers met diamant komen voor langs de kust van Namibië (zowel op het land als in de zee). Het gebied van de diamantplacers heet het Sperrgebiet. Deze naam is ontstaan in de vroegere kolonie Duits Zuidwest-Afrika in 1908. De meeste diamant wordt in de zee gewonnen. Dit heeft te maken met de concentratie en grootte van de diamanten: beide nemen toe zeewaarts.
Onderzeese tin-placers (met cassiteriet, SnO2) komen voor bij China, Thailand, Birma, Maleisië (Kinta Valley) en Indonesië (Bangka en Belitung – Billiton). Deze landen leveren ongeveer 80% van het tin in de wereld. Het tin is vooral onder water te vinden op de zogenaamde Sunda-shelf bij Indonesia, een gedeelte van het land dat onder water ligt sinds het laatste glaciaal.
Ertswinning op zee
Ertswinning op zee komt tot nu toe voor in ondiepe kustwateren. Dat gebeurt met baggerschepen of cutterzuigers (snijkopzuigers). Er is echter een groot nadeel aan het winnen van grondstoffen op de zeebodem (diep of ondiep): door de winning wordt het lokale onderzeese biologische milieu verstoord. En dat valt helemaal niet op! Het gebeurt allemaal ver beneden je, en het zeeoppervlak ziet er na afloop natuurlijk nog net zo uit als voorheen…
Het is dus niet onmogelijk dat complete (wellicht nog onbekende) biologische leefgemeenschappen vernietigd worden zonder dat men er weet van heeft. Men zegt wel eens dat we meer weten van het oppervlak van de Maan en van Mars dan van de (diep)zeebodem.
Tot nu toe werd diepzee-mijnbouw niet uitgevoerd, maar dat gaat veranderen. Het Canadese Nautilus Minerals Inc. gaat proberen om als eerste massieve sulfide-afzettingen te ontginnen, en wel in de Bismarckzee, op een diepte van 1600 meter. Begin van productie wordt verwacht in 2013. Verder wil Nautilus Minerals licenties verkrijgen voor mijnbouw in de EEZ en territoriale wateren van Papoea-Nieuw-Guinea, Fiji, Tonga, de Salomons Eilanden en Nieuw Zeeland.
Ook het Amerikaanse Neptune Minerals Inc. gaat proberen massieve sulfide-afzettingen te exploiteren. Het Austalische Bluewater Metals Pty Ltd. is eveneens bezig om exploratie- en exploitatie-rechten te verkrijgen voor de zuidelijke Stille Oceaan. Grote mijnbouwbedrijven als Anglo-American, BHP Billiton, en Rio Tinto Minerals zijn aandeelhouders in de nieuwe kleine bovengenoemde bedrijven.
Het Nederlandse IHC Deep Sea Dredging & Mining, onderdeel van IHC Merwede, heeft aangekondigd ook diepzee-mijnbouw te gaan uitvoeren.
Maar je kunt je met betrekking tot die schatten op de zeebodem ook de volgende vraag stellen: van wie is de diepzee? Van iedereen of van niemand? Mag je er dus doen wat je maar wilt, of mag dat niet?
In 1982 is geprobeerd dit op te lossen met een conferentie over de VN Conventie over het Zeerecht (UNCLOS = United Nations Convention on the Law Of the Sea). Als gevolg van de UNCLOS is de Exclusive Economic Zone of EEZ ingesteld: een gebied 200 mijl (~370 km) offshore van kusten, waarin kuststaten exclusieve rechten hebben. (Dit geldt natuurlijk daar waar mogelijk: de landen moeten ver genoeg uit elkaar liggen). Het verdrag is ingegaan op 16 november 1994, na ondertekening door 158 landen, inclusief Nederland. Dit zijn zo goed als alle landen met kustwateren. Het verdrag geldt voor álle wereldzeeën, en voor álle delfstoffen. Nederland wint in haar 200 mijl zone olie en gas, dus dat valt er ook onder. Ook heeft de UNCLOS geleid tot de oprichting van de International Seabed Authority (ISA) die toeziet op mijnbouw buiten de EEZ.
Door het UNCLOS-verdrag zijn er regels gesteld voor onderzeese mijnbouw, ook wat betreft milieueisen (Artikel 194). Deze betreffen o.a. lozing of storting van giftige of schadelijke stoffen, vanaf het land, vanaf schepen of via de atmosfeer. Ook regels m.b.t. noodgevallen, onbedoelde lozingen en dergelijke zijn opgenomen.
Als gevolg van de schaarste aan grondstoffen zal de ontginning van diepzee-afzettingen gaan toenemen, in eerste instantie waarschijnlijk vooral voor koper. Ondanks alle regels is dat voor het leven op de zeebodem helaas een slecht vooruitzicht.
Bronnen:
- Corliss et al., ‘Submarine Thermal Springs on the Galápagos Rift’, Science 203 (1979) 1073-1083.
- Evans, A.M., ‘Ore Geology and Industrial Minerals, An Introduction’, 3th ed. (1993). Blackwell Scientific Publications, 390 pp.
- Glasby, G.P., ‘Hydrothermal manganese deposits in Island Arcs and related to subduction processes: a possible model for genesis’, Ore Geology Reviews 4 (1988) 145-153.
- Hannington et al., ‘Estimating the Metal Content of SMS Deposits’, Oceans 2011, International Conference, Kona Hawaii, 19-22 september 2011.
- Hoagland, P., ‘Manganese Nodule Price Trends. Dim Prospects for the Commercialization of Deep Seabed Mining’, Resources Policy 19 (1993) 287-298.
- Hoagland et al., ‘Deep-sea mining of seafloor massive sulfides’, Marine Policy 34 (2010) 728-732.
- International Seabed Authority, ISA (2006) Cobalt-rich crusts, 4 pp.
- Kato et al., ‘Deep-sea mud in the Pacific Ocean as a potential resource for Rare Earth Elements’, Nature Geoscience 4 (2011) 535-539.
- London Metal Exchange
- Metal Pages
- Scott, S.D., ‘Deep Ocean Mining’, Geoscience Canada 28 (2001) 87-96.
- Sorensen & Mead, ‘A Cost-Benefit Analysis of Ocean Mineral Resource Development: The Case of Manganese nodules’, American Journal of Agricultural Economics 50 (1968) 1611-1620.
Zie ook:
- Ertsen (Kennislinkdossier)
- Mijnbouw op de zeebodem (Kennislinkartikel van KIJK)
- Zeldzame Aardelementen (Kennislinkartikel)
- Goud, Goudertsen en Goudwinning (Kennislinkartikel)
- IJzer, ijzererts en ijzer maken (Kennislinkartikel)
- Koper en Koperertsen, Molybdeen (Kennislinkartikel)
- Nikkel en Nikkelertsen (Kennislinkartikel)
- De ijzerertsen van Kiruna, Zweden (Kennislinkartikel)