Deep-sea mining of seafloor massive sulfides and seafloor manganese nodules : deposit modelling and market potential

Rahn, Mirjam Christina; Kukla, P. A. (Thesis advisor); Lottermoser, Bernd Georg (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Neue Technologien, eine kohlenstoffemissionsarme Zukunft und eine wachsende Weltbevölkerung führen in den kommenden Jahrzehnten zu einem steigenden Metallbedarf. Die Ressourcen an Land werden immer seltener und schwieriger zu nutzen, daher müssen neue Lagerstättentypen erschlossen werden. Tiefseevorkommen wie Manganknollen (SMnN) oder Massivsulfide (SMS) enthalten große Mengen an Metall wie Kupfer, Kobalt, Mangan, Nickel, Seltene Erden und Edelmetalle. Für die Lagerstättenbewertung müssen umfangreiche Erkundungen durchgeführt werden, um eine genaue Vorstellung von der Dimension und dem Metallgehalt zu erhalten. In der Tiefsee ist dies aufgrund der anspruchsvollen technologischen Bedingungen in diesen großen Tiefen (bis zu 6.5 km Wassertiefe für SMnN) und durch hohe Investitions- und Betriebsausgaben schwieriger. Metallgehalte von Tiefsee Lagerstätten können jedoch auch mit Interpolationsmethoden zwischen vorhandenen Probendaten, Kastengreiferproben für SMnN und Bohrdaten für SMS, vorläufig geschätzt werden. In dieser Arbeit werden zwei Lagerstätten aus Explorationsdaten analysiert und modelliert, um Metallressourcen zu bewerten, gefolgt von einem Kapitel zur Bewertung des zukünftigen Marktes für Tiefseebergbau Maschinen. Die in dieser Arbeit modellierte 3D-SMS-Lagerstätte befindet sich entlang des Mittelatlantischen Rückens (MAR) und ist Teil des definierten „Virtual Blue“ Lagerstättenclusters, das aus 30 Lagerstätten mit einer Gesamttonnage von 40 Millionen Tonnen Erz besteht. Das Referenzbeispiel wurde unter Verwendung vorhandener Bohrdaten einer SMS-Lagerstätte in einem Backarc-System modelliert, und durch die Berechnung von zwei Transform-Faktoren an eine Lagerstätte am Mittelatlantischen Rückens angepasst, die die unterschiedlichen Metallwerte im Sediment und Erzkörper abbilden. Im Mittelpunkt der Modellierung standen die wirtschaftlich relevanten Metalle Cu, Zn, Ag und Au. Für diese wurden die Durchschnittswerte der Lagerstätte Solwara-1 (Back-arc Becken) im Verhältnis zu den Werten der Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) am MAR gesetzt. Das Ergebnis dieser Transformation ist ein SMS Lagerstättenmodell mit der räumlichen Verteilung und Geometrie einer gut explorierten Lagerstätte, jedoch mit durchschnittlichen Gehalten, die Metallanreicherungen am MAR widerspiegeln. Mit der Modellierungssoftware Leapfrog wurden Interpolationen der Metallwerte und ein Blockmodell erstellt, um schließlich die Ressourcen innerhalb der Lagerstätte zu berechnen. Diese Studie berechnete eine Lagerstätten - Gesamttonnage von 3,8 Mio. t mit 3,3 Mio. t innerhalb der Erzzone, und 0,54 Mio. t im Sedimentkörper. Der entwickelte Workflow- und Modellierungsansatz kann mit erweiterten Datensätzen angepasst oder auf einen anderes Arbeitsgebiet angewendet werden.Die in dieser Studie bearbeitete SMnN Lagerstätte ist Teil des östlichen deutschen Lizenzgebietes (E1), welches sich in der Clarion-Clipperton-Zone (CCZ) im Pazifik befindet. Auf einer 255 km² großen Fläche wurden 55 Kastengreifer-Proben mit Informationen über die Belegungsdichte der Manganknollen und den Metallgehalt von Kobalt, Nickel und Kupfer entnommen und analysiert. Mit Hilfe von Ordinary Kriging wurde in ArcGIS eine Rasterkarte mit der Belegungsdichte (Gewicht der Manganknollen pro m²) erstellt, aus der eine Ressourcenabschätzung abgeleitet wurde. Die interpolierten Häufigkeitswerte reichen im Arbeitsgebiet von 10,29 kg/m² bis 21,31 kg/m² bei einem Durchschnitt von 16,51 kg/m² (Trockengewicht). Im Ergebnis wird eine Lagerstätte mit etwa 4 Mio. t, die 114.000 t einer Gesamttonnage für Kupfer, Nickel und Kobalt und 1.178.000 t Mangan enthält, vorhergesagt. Die Berechnungen des Ressourcenmodells deuten darauf hin, dass das gewählte Gebiet ein hohes Potenzial für den Abbau von Manganknollen hat. Dies ist insbesondere auf das geringe morphologische Relief und die Belegungsdichte der Knollen von mehr als 10 kg/m² zurückzuführen.Das letzte Kapitel dieser Arbeit behandelt die Analyse des zukünftigen Tiefseebergbau-Marktes. Unterteilt in einen kurzfristigen (Jahre 2028-2047) und langfristigen (Jahre 2048-2067) Ausblick, wurden mehrerer Szenarien der zukünftigen Entwicklung des Tiefseebergbau-Marktes entwickelt. Der Fokus der Studie lag auf dem wirtschaftlichen Umsatzpotenzial für in Europa ansässige Hersteller von Bergbaumaschinen. Es wurden Bewertungen des weltweiten Lagerstättenpotenzials, der Profitabilität, der Metallmärkte, des Rechts, der Investitionen und der Wettbewerber vorgenommen. Unterschiedliche Annahmen und Prognosen führten zu einer Reihe von Szenarien, die möglicherweise repräsentativ für die zukünftige Entwicklung des DSM-Sektors sind. Es wurden vier kurzfristige und sieben langfristige Szenarien betrachtet, die zu 0-43 Bergbauprojekten für SMnN-Mining und 1-11 Projekten für den Abbau von SMS-Lagerstätten führten. Der für diese Studie entwickelte Workflow kann jederzeit mit neuen Informationen über den Tiefseebergbau aktualisiert werden, und kann sich nach Bedarf mit der Entwicklung der Weltwirtschaft und der Technologien dynamisch ändern. Die Wirtschaftlichkeitsberechnungen in dieser Studie zeigen ein mögliches Umsatzpotenzial von 2 - 31 Mrd. \$ kurzfristig (2028-2047) und weitere 23 - 82 Mrd. \$ langfristig (2048-2067) auf, bezogen auf weltweit spezialisierte Tiefsee-Bergbaumaschinen Hersteller. Die Arbeitsabläufe und die wichtigsten Ergebnisse der vorgestellten Fallstudien zur Modellierung von Erzlagerstätten in der Tiefsee und die in der Arbeit erfolgte Marktbewertung von Tiefseebergbau können ohne Weiteres in anderen Studien, die sich auf den Tiefseebergbau und andere neue Explorationsprojekte konzentrieren, angewendet werden.

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