심해 광물 채굴에서 발생하는 중수 배출 플룸

심해 광물 채굴

심해 다금속 결절 채광 연구 활동은 최근 몇 년 동안 상당히 증가했지만 예상되는 환경 영향 수준은 여전히 ​​확립되고 있습니다. 환경 문제 중 하나는 침전물 기둥이 중수 기둥으로 배출되는 것입니다. 우리는 Clarion Clipperton Fracture Zone의 퇴적물을 사용하여 전용 현장 연구를 수행했습니다. 음향 및 난류 측정을 포함하여 기존 및 신규 기기를 모두 사용하여 연기 기둥을 모니터링하고 추적했습니다. 우리의 현장 연구는 모델링이 배출 근처의 중수 기둥의 특성을 안정적으로 예측할 수 있으며 퇴적물 응집 효과가 중요하지 않다는 것을 보여줍니다. 플룸 모델은 Clarion Clipperton Fracture Zone에서 상업 규모의 작업에 대한 수치 시뮬레이션을 실행하는 데 사용됩니다. 주요 시사점은 연기의 영향 규모가 환경적으로 허용 가능한 임계값 수준, 배출된 퇴적물의 양 및 Clarion Clipperton Fracture Zone의 난류 확산도 값에 의해 현저하게 영향을 받는다는 것입니다.

 

심해 채굴로 인해 생성된 퇴적물 기둥과 환경문제

다금속 단괴의 심해 채굴은 육상 매장량에 비해 상당한 니켈, 코발트, 구리 및 망간 자원으로 인해 새로운 글로벌 채굴 산업으로 고려되고 있습니다. 그러나 환경 문제는 생성될 퇴적물 기둥의 규모와 영향입니다. 두 가지 유형의 기둥이 이러한 활동과 잠재적으로 연관되어 있습니다. 필연적으로 해저를 주행하는 결절 수집 차량에 의해 생성된 퇴적물 기둥이 있을 것입니다. 또한 일부 채광 제안은 물과 결절과 함께 발생한 일부 퇴적물, 결절 미세 입자 및 선박의 결절을 청소하는 데 사용되는 물을 포함하는 표면 작업 선박에서 중수 퇴적물 기둥을 배출하는 것을 고려합니다. 중수 배출 물질은 때로 광미라고 불리지만 광미는 광석 처리 후 남은 폐기물이며 현재까지 해상에서 노듈 채광 작업에서 광미를 방출하는 알려진 제안이 없습니다. 고려 중인 중수 방출에 대한 대안은 동일한 물질을 해저에 더 가까운 지역화된 방식으로 시도하고 방출하는 것입니다. 광합성 활동 및 수직 이동과 같은 과정에 대한 영향을 완화하기 위해 중수 플룸은 이광성 또는 무광성 영역에서 방출될 가능성이 높습니다. 중수 연기가 환경에 미치는 영향을 평가하려면 연기에 두 가지 다른 단계가 있음을 이해하는 것이 중요합니다. 첫 번째는 초기 플룸 깊이와 희석을 설정하는 방출 직전(즉, 이류하는 해류가 차지하기 전)에서 발생하는 동적 플룸 단계입니다. 동적 플룸의 물리적 과정은 수직 성층화와 수직 전단력이 특징인 배경 해양 환경에서 특정 초기 물리적 조건과 함께 퇴적물을 함유한 물의 급격한 하강 및 난류 희석입니다. 관련 길이 및 시간 척도는 각각 수십에서 수백 미터, 분에서 수십 분입니다. 그 후, 두 번째 단계는 주변 플룸 단계이며, 이 단계에서 주요 프로세스는 퇴적물의 이류, 침전 및 난류 확산입니다. 주변 기둥의 적절한 길이와 시간 척도는 동적 기둥보다 훨씬 큽니다. 주변 연기 거동을 연구하기 위해 이전 연구는 500 m 깊이에서 중수 방출에 대한 10년 간의 시뮬레이션을 실행했습니다. 수천 킬로미터에 걸친 미세한 퇴적물의 이동이 확인되었는데, 이는 놀라운 일이 아닙니다. Clarion Clipperton Fracture Zone(CCFZ) 전체에 걸쳐 500~1500 m 깊이의 해류는 크기와 방향 모두에서 시공간적 변동성을 갖는 0.01~0.1 m s–1 범위에 있습니다. 이러한 조건에서 10μm 직경의 입자는 3000 m를 침강하는 데 약 1년이 걸리며, 그 시간 규모에서 배경 전류는 물질을 먼 거리로 이동할 수 있습니다. 그러나 환경적 관점에서 결정해야 할 중요한 지표는 부유 퇴적물 농도, 침전 속도 및 해저 퇴적과 같은 양입니다. 공간(500 km)과 시간(1개월)에서 조잡하게 분해된 Segschneider와 Sundermann14의 모델은 백그라운드 속도와 비교하여 광산 현장에서 수백 킬로미터 내에서 수십 년에 걸쳐 연간 수 mm의 퇴적률을 예측했습니다. 그러나 가정된 퇴적물 배출 속도는 상업 규모의 노듈 채굴 작업에 대해 추정된 것보다 10배 더 높았고 시뮬레이션은 주변 플룸 초기 조건을 결정하기 위해 동적 플룸 모델을 사용하지 않았습니다. 보다 최근의 심해 결절 채광 퇴적물 플룸 모델링 노력은 해저의 수집 차량에서 나온 퇴적물 플룸에 초점을 맞추었습니다. 중수 연기에 대한 주요 불확실성은 응집의 역할이며, 이에 따라 개별 입자가 더 큰 플록으로 응집됩니다. 중수 플룸 연구에서 Rzeznik et al.13은 침전물을 수동 추적자로 취급하여 동적 플룸에 대해 응집이 중요하지 않다고 묵시적으로 가정했습니다. 최근 연구에서 Gillard et al.19은 다양한 농도와 전단 속도에서 중앙 입자 크기가 20 μm인 CCFZ 퇴적물의 응집을 분석했습니다. 그들의 결과는 농도가 최대 500 mg L-1이고 전단 속도가 10 s-1 미만인 경우 응집으로 인해 수 분에서 수십 분의 시간 척도에서 mm 규모의 플록이 생성된다는 것을 보여주었습니다. 이러한 더 큰 플록의 침강 속도는 수 mm s-1로 동적 기둥 거동에 잠재적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 엔지니어링 현장 데이터는 중수 연기 방출에 대한 자료가 부족합니다. 표면 연기 방출은 Blake Plateau21와 CCFZ22에서 심해 광업 환경 연구(DOMES) 노력의 일환으로 수행되었습니다. 중수주와 비교할 때 배경 해류는 해수면 근처에서 더 강하고 혼합층은 매우 다른 계층화 프로파일을 나타내므로 이러한 연구는 중수 기둥의 진화에 대한 통찰력을 상대적으로 거의 제공하지 않습니다. 가장 관련성이 높은 연구는 홍해에서의 MESEDA 실험이었습니다. 에코사운더 측정은 400 m 깊이에서 방출된 연기를 모니터링하는 데 사용되었으며 추적자로 추가된 미량의 이리듐은 방출 지점에서 90 km 떨어진 곳에서 감지되었지만 특정 농도는 보고되지 않았습니다. 일부 보완적인 모델링이 수행되었지만 정량적 결과가 거의 확립되지 않았으며 최종 결론은 추가 연구가 필요하다는 것이었습니다. 엔지니어링 현장 데이터가 부족함에도 불구하고 열수 분출구에서 방출되는 것과 같은 자연 기둥의 모델링 및 현장 연구에서 통찰력을 얻을 수 있습니다. 긍정적인 부력을 지닌 동적 열수 기둥은 수직 범위가 최대 수백 미터이고 희석 계수가 104를 초과할 수 있습니다(즉, 배출 농도가 104배 감소). 열수 분출구와 관련된 주변 기둥은 배경 조류의 영향을 크게 받는 해양 분지 전반에 걸쳐 감지할 수 있는 신호를 가지고 있습니다. 중수 기둥에 대한 현재 지식 격차를 해결하기 위해 우리는 태평양 남부 캘리포니아 앞바다에서 PLUMEX 현장 연구를 수행했습니다. 혼합, 저장 및 펌핑 시스템은 상업용 채광 작업의 동적 체제 특성으로 플룸을 바다로 배출하기 위해 설계 및 사용되었습니다. 현장 실험의 핵심은 CCFZ 퇴적물을 이용한 플룸의 배출이었다. 실시간 수치 모델 예측은 현장 실험과 병행하여 실행되어 현장 연구 지역에서 해양 조건 및 해당 주변 연기 이류를 예측했습니다. 여기에서 우리는 PLUMEX 현장 연구의 결과를 제시합니다. 이러한 결과는 응집의 큰 영향 없이 동적 기둥 모델링의 사용을 검증합니다. 따라서 검증된 동적 연기 기둥 모델을 사용하여 CCFZ에서 상업적인 단절 채굴 작업으로 생성된 주변 중수층 기둥의 해양 규모 수치 시뮬레이션을 위한 현실적인 소스 조건을 제공합니다.

 

방전 작업 및 매개변수

R/V Sally Ride는 2018년 2월 26일부터 3월 5일까지 캘리포니아 해안에서 50 km 떨어진 태평양에서 운영되었습니다. 펌핑 시스템은 바다 표면 근처에서 선박으로 물을 끌어와 고농축 혼합물과 결합하도록 구성되었습니다. 침전물이 포함된 물 또는 염수에 Rhodamine 염료를 첨가한 다음 파이프를 통해 깊이 있는 혼합물을 배출합니다. 전형적인 방출 시간은 45분이었고, 이것은 잘 정립된 동적 플룸 거동 및 추적하기에 충분히 큰 결과 주변 플룸을 보장하기에 충분히 길었습니다. 방출하는 동안 선박은 정지 상태였으며 선박 주변의 동적 기둥은 PADS(Phased Array Doppler Sonar)와 수직 프로파일러(epsilometer)로 모니터링되었습니다. 파이프 노즐에서 배출된 유체 덩어리가 동적 플룸의 바닥으로 내려가는 데 약 1-3 분이 걸렸고, 그 후 해류에 의해 운반되는 주변 플룸의 일부가 되었습니다. 45분의 방전 기간이 끝나면 CTD 케이지를 사용한 tow-yo 프로파일링을 통해 생성된 주변 기둥을 추적하고 모니터링했습니다. 주변 기둥 추적은 선상 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)에 의해 측정된 현재 속도를 사용하는 이류 모델 및 MIT-MSEAS로 얻은 해류 예측의 두 가지 운영 도구로 지원되었습니다.

 

동적 연기 모니터링

배의 우현 쪽에서 배출 파이프에 인접한 PADS(Phased Array Doppler Sonar) 시스템은 동적 플룸의 후방 산란 강도에 대한 단면 이미지를 얻었습니다. Saltwater Plume 1은 59.5 ± 0.3 m의 방출 깊이에서 105 m의 깊이까지 하강하며, 기저부의 특징적인 폭은 20 m입니다. 95 m 깊이까지 약간의 반동이 있습니다. 이에 비해 CCFZ 퇴적물 기둥과 바닷물 기둥 2는 바닷물 기둥 1보다 수직 범위가 더 작습니다. 퇴적물과 바닷물 기둥 2 기둥은 초기 부력과 운동량 플럭스가 더 낮기 때문입니다. 동적 플룸의 수직 범위는 F01/4N-3/4이며, 바닷물 플룸 1은 초기 부력 플럭스가 7배 더 크고 평균 부력 빈도가 약 3배 낮기 때문에 수직 범위를 가질 것으로 예상됩니다. PADS 관찰에 따른 다른 두 실험 기둥의 3배입니다. 또한 주목할만한 점은 CCFZ 퇴적물과 Saltwater 2 플룸의 PADS 이미지가 동일한 동적 특성을 갖지만 하나는 퇴적물을 사용하여 생성되고 다른 하나는 바닷물을 사용하여 생성된 2개의 플룸에 대해 동일한 거동을 나타낸다는 것입니다. 이것은 퇴적물이 플룸 밀도에만 영향을 미치는 수동 추적자 역할을 한다는 것을 보여줍니다. 각 이미지 위에 겹쳐진 DP1 동적 기둥 모델의 예측은 모양 및 최대 깊이 측면에서 PADS 데이터와 잘 일치함을 보여줍니다. 45분의 동적 연기 방출 동안 우리는 탁도 센서, 형광계(플룸 물에 추적자로 추가된 로다민 염료의 농도 측정) 및 전도도, 온도를 측정하는 맞춤형 프로파일러(엡실로미터)로 빠른 수직 프로파일링을 수행했습니다. 우리는 CCFZ 퇴적물 기둥 방출 동안 얻은 프로파일의 한 예를 제시합니다. 엡실로미터의 위치는 배출관의 후방으로 ~30 m이므로 동적 플룸의 하강 부분이 아니라 플룸의 확산 부분에서 측정이 이루어졌습니다. 예상대로 연기 기둥은 매우 난류(O(10−6) W kg−1)였으며 난기류의 운동 에너지 소산 속도는 해양 배경 수준(O(10−9) W kg−1)보다 3배나 높았습니다. CCFZ 플룸에 대해 입실계로 측정한 최대 플룸 깊이는 79.1 ± 0.5m이며 퍼짐 플룸 두께는 5~9 m 사이이며 이는 전체 플룸 길이의 30~50%에 해당하며 일정합니다. 다른 실험실 및 현장 관찰과 함께. 로다민 염료와 침전물 농도는 초기 배출 농도의 1~2%인 특성 값을 가졌습니다. 이 상당한 감소는 난류 동반으로 인한 것입니다. 이러한 희석 수준은 동적 기둥의 실험실 실험 및 현장 측정의 관찰 결과와 잘 일치합니다. 엡실로미터는 기둥의 염분과 온도 신호를 명확하게 감지했습니다. 난기류는 밀도 프로파일에서 정적 불안정성을 생성할 만큼 충분히 강력했습니다. 이는 연기 기둥이 중성 부력 수준에 도달하지 않았으므로 여전히 추가 반발 및 혼합 경향이 있음을 나타냅니다. . 이것은 엡실로미터 측정과 비교하여 DP2 동적 플룸 모델(중성 부력 수준에서 플룸을 모델링함)이 플룸 깊이를 약간 과소 예측하고 측정 위치에서 플룸 희석을 과대 예측한다는 사실에 의해 뒷받침됩니다. 전반적으로 엡실로미터에 의해 기록된 연기 깊이 및 희석 계수는 모델 예측 및 PADS 데이터와 잘 일치합니다. 결과는 Fig. 2와 3은 응집이 동적 기둥에 대한 중요한 요소가 아님을 보여줍니다. 모델 예측과 관찰은 잘 일치하며 mm s-1 침전 속도를 갖는 mm 규모 플록이 존재했다면 발생하지 않았을 것입니다. 또한, 엡실로미터 형광 및 탁도 신호가 잘 일치합니다. 추적 염료에 비해 큰 응집체가 형성되고 정착된 경우 이러한 신호는 수십 cm 오프셋되고 이 두 신호의 크기와 형태에 눈에 띄는 차이가 있을 것입니다. 동적 플룸에 대한 응집의 영향 부족은 쉽게 이해됩니다. Gillard et al.19은 높은 난류 전단 속도(>10 s-1)와 낮은 농도(<10 mg L-1)에서 응집의 양과 플록의 크기가 감소한다고 보고했습니다. 동적 CCFZ 기둥의 평균 초기 에너지 소산 속도는 >O(1) m2 s-3이고 이 난류 수준은 배출 시 퇴적물을 초기에 분해하기에 충분합니다. 그것이 하강함에 따라 동적 플룸의 분해된 퇴적물은 빠르게 희석됩니다(1~2 분의 시간 범위에 걸쳐). 이것은 응집에 도움이 되지 않는 충분히 낮은 농도 O(10 mg L-1)에 도달하기 전에 응집에 도움이 되는 적당한 농도와 난류 수준에서 짧은 시간을 보내기 때문에 응집의 역할을 제한합니다. 심해 채광 중수기둥 부근에서 고려하기 위해 침전물 낙진 및 간질액 상승을 포함하는 제안된 현상은 관찰되지 않았다. 이는 퇴적물의 초기 난류 분해와 동적 플룸의 상대적으로 짧은 시간 규모가 입자 침전 속도를 매우 낮게 유지했기 때문입니다.