Новое полевое исследование выявило ненаблюдаемый ранее гидродинамический процесс, который имеет ключевое значение для оценки воздействия глубоководных горных работ. Ежедневный флаг

Глубоководное дно океана усеяно древними породами размером с картофелину, называемыми «полиметаллическими конкрециями», которые содержат никель и кобальт — минералы, которые очень необходимы для изготовления батарей, например, для питания электромобилей и хранения возобновляемой энергии, а также в ответ на такие факторы, как по мере усиления урбанизации. Глубины океана содержат огромное количество минеральных конкреций, но влияние добычи полезных ископаемых на дне океана неизвестно и весьма противоречиво.

Теперь океанографы из Массачусетского технологического института (MIT) пролили некоторый свет на этот вопрос, проведя новое исследование облака донных отложений, которое транспортное средство-сборщик может поднять, собирая конкреции с морского дна.

Исследование, появившееся в достижения науки, Сообщает о результатах исследовательского рейса в 2021 году в район Тихого океана, известный как зона Кларион-Клиппертон (CCZ), где много полиметаллических конкреций. Там исследователи оснастили прототип сборочного корабля приборами для наблюдения за возмущениями шлейфов наносов, когда корабль маневрировал по морскому дну на глубине 4500 метров под поверхностью океана. Через серию тщательно продуманных маневров. Ученые Массачусетского технологического института использовали этот композит для наблюдения за его осадочным облаком и измерения его свойств.

Их измерения показали, что корабль создавал плотный шлейф наносов на своем пути, который расползался под собственным весом в явлении, известном в гидродинамике как «поток мутности». По мере того, как столб воды постепенно рассеивался, столб оставался относительно низким, оставаясь в двух метрах от морского дна, в отличие от немедленного подъема столба воды, как предполагалось.

«Это совершенно другая картина того, как выглядят эти шлейфы, по сравнению с некоторыми предположениями», — говорит соавтор исследования Томас Пикок, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Усилия по моделированию шлейфов глубоководных горных работ должны учитывать эти процессы, которые мы идентифицировали, чтобы оценить их распространенность».

Соавторами исследования являются ведущий автор Карлос Муньос Ройо, Рафаэль Ойон и Соха Эль Мосадек из Массачусетского технологического института. и Мэтью Алфорд из Океанографического института Скриппса.

глубоководные маневры

Для сбора полиметаллических конкреций некоторые горнодобывающие компании предлагают размещать составы размером с трактор на дне океана. Транспортные средства опорожняют конкреции с некоторым осадком на своем пути. Затем конкреции и осадок отделяются внутри транспортного средства, при этом конкреции направляются по поднимающейся трубе в надводное судно, а большая часть осадка выгружается непосредственно за транспортным средством.

Пикок и его команда ранее изучали динамику шлейфа наносов, который связанные с работой надводных кораблей могут откачивать обратно в океан. В своем текущем исследовании они сосредоточились на другом конце процесса, чтобы измерить облако осадка, созданное самими коллекторами.

В апреле 2021 года команда присоединилась к экспедиции под руководством Global Sea Mineral Resources NV (GSR), бельгийского подрядчика по морским инженерным работам, исследующего CCZ в поисках способов добычи богатых минералами конкреций. Европейская научная группа Mining Impacts 2 также параллельно проводила отдельные исследования. Этот круиз был первым за более чем 40 лет испытанием сборочного автомобиля «прототипа» в зоне разлома Кларион-Клиппертон. Машина, получившая название Patania 2, имеет высоту около 3 метров, ширину 4 метра и примерно треть размера коммерческого автомобиля.

В то время как подрядчик проверял производительность сборки автомобиля, ученые Массачусетского технологического института наблюдали за облаком осадка, образующимся в следе автомобиля. Они сделали это, используя два маневра, на выполнение которых машина была запрограммирована: «автопортрет» и «автомобиль на дороге».

Оба маневра начались одинаково, машина мчалась по прямой, и все ее системы всасывания были включены. Исследователи позволили транспортному средству пройти 100 метров, собирая все конкреции на своем пути. Затем в маневре «селфи» они приказали транспортному средству отключить всасывающие системы и удвоить движение, чтобы проехать через только что созданное облако осадка. Датчики, установленные в транспортном средстве, измеряли концентрацию отложений во время этого маневра «селфи», что позволило ученым отслеживать облако в течение нескольких минут после движения транспортного средства.

Для «вождения» исследователи разместили причал с датчиками на расстоянии от 50 до 100 метров от запланированных путей транспортного средства. По мере того, как автомобиль движется вдоль собирающихся конкреций, он образует шлейф, который в конечном итоге через час или два распространяется за пределы причала. Маневр «движения» позволил команде наблюдать за осадочным облаком в течение более длительного периода времени, составляющего несколько часов, и зафиксировать эволюцию шлейфа.

выдохся

В ходе нескольких обходов марсохода Пикок и его команда смогли измерить и отследить эволюцию шлейфа наносов, создаваемого глубоководным марсоходом.

«Мы видели, что машина движется по чистой воде, и вы видите конкреции на морском дне», — говорит Пикок. «Затем вдруг появляется очень резкое облако осадка, когда машина попадает в шахту».

С помощью селфи команда наблюдала за поведением, предсказанным некоторыми предыдущими исследованиями моделирования: транспортное средство подняло большое количество отложений, которые были достаточно плотными, что даже после смешивания с окружающей водой образовался шлейф, который ведет себя как отдельная жидкость, распространяющаяся под водой. собственный вес в так называемом потоке мути.

«Поток мути распространяется под собственным весом в течение некоторого времени, в течение десятков минут, но за это время он оседает на морском дне и в конечном итоге выдыхается», — говорит Пикок. «После этого океанские течения становятся сильнее, чем нормальная диффузия, и отложения превращаются в океанские течения».

Исследователи подсчитали, что к тому времени, когда отложения дрейфовали через якорную стоянку, от 92 до 98 процентов отложений либо осели обратно, либо остались в пределах двух метров от морского дна в виде низкого облака. Однако нет никакой гарантии, что осадок всегда будет оставаться там, а не дрейфовать дальше в толщу воды. Недавние и будущие исследования исследовательской группы исследуют этот вопрос с целью дальнейшего понимания шлейфов отложений глубоководных горных работ.

«Наше исследование действительно показывает, как выглядит первоначальное нарушение отложений при определенном типе процесса добычи конкреций», — говорит Пикок. «Важным выводом является то, что при сборе этого типа происходят сложные процессы, такие как потоки мути. Таким образом, любая попытка смоделировать воздействие глубоководной добычи должна учитывать эти процессы».

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом, ARPA-E, The Eleventh Hour Project, Benioff Ocean Initiative и Global Sea Mineral Resources. Исследовательская группа заявила, что спонсоры не играли роли ни в одном из аспектов анализа исследования.