Deutsche Version siehe unten

Felix Janssen, HGF-MPG bridge group for Deep Sea Ecology and Technology at the Max Planck Institute in Bremen and the Alfred Wegener Institute in Bremerhaven, Germany

Already some two weeks ago we arrived with research vessel SONNE in the first working area 11° north of the equator and approx. 1500 kilometer off the west coast of Mexico. Separated by more than 4000 m of water we are just above one of the prime targets of possible future deep-sea mining: polymetallic nodule fields that are widespread on the deep seafloor in the Clarion Clipperton Zone (CCZ). The CCZ extends from our position up to Hawaii, an area almost half the size of Europe. The nodules, which grew to potato shape and size in millions of years, contain several valuable metals including nickel, cobalt, and copper. Technologically – and maybe also economically – harvesting seems to become feasible.

Apart from technical complications a possible exploitation faces two difficulties: First, the nodules occur as one sole layer at the surface of the sediments and, hence, represent a two-dimensional resource. In comparison to land mining, vast areas have to be cleared of nodules for the same yield and the main disturbance happens at the uppermost part of the seafloor ecosystem where most organisms reside. Secondly, the deep-sea ecosystems and their sensitivity to external changes are much less understood in comparison to their terrestrial counterparts and detailed environmental consequences of industrial-scale mining are hard to predict, but very much long-lasting.

Consequently, while interests of industry to tap into this resource are rising, marine environmental sciences increase efforts to get a thorough understanding of the organisms and processes in the area and their vulnerability before mining commences.

One and a half years ago the Belgian company DEME GSR was the first to test a caterpillar-tracked nodule collector pre-prototype in international waters – both in the Belgian and the German license area for polymetallic nodule exploration. While still not full size, the 4-m wide and 12-m long vehicle ‘PATANIA II’ collected the nodules by a water jet removing nodules and surface sediments from the seabed just the same way as the future, larger exploitation machinery is expected to do it. These tests offered our research team in the pan-European project ‘MiningImpact‘ the opportunity to carry out an independent scientific assessment of the impacts and the environmental consequences connected to nodule mining.

One and a half year ago, many of us have been on a scientific expedition that took place in parallel to GSR’s collector test to carry out independent observations of the physical disturbance and its immediate effects. In addition to the loss of nodules from the ‘PATANIA II’ test tracks we could observe that large areas surrounding the test site got covered by sediments. These were suspended by the collector, dispersed in the bottom water in form of a plume, and settled gradually away from the source on the seabed. As we had to leave the area shortly after the end of the test, we could only look at immediate ecosystem consequences.

Back in the region we are now keen to see longer-term effects. How did communities of seafloor organisms change? Did organisms survive the direct impact by the collector or were able to re-colonize the nodule-free disturbance tracks? How does the resettlement of blanketing layers in the surrounding areas affect the fauna dwelling in and on the seafloor? Is there a threshold in blanketing layer thickness where effects become negligible?

While we were of course curious to see conditions in the sites affected by the collector test, we first needed to be patient. We started investigations in a reference area that we also visited in 2019 and that was selected to serve for comparison with the area that has been disturbed by the collector for our recent investigations as well as for post-impact studies to come. Understanding baseline conditions in pristine areas and how these vary with time is crucial to separate impact-related changes from natural variability and possible trends that may occur independently of the disturbance related to nodule removal.

During this first part of the expedition, the scientific workflow on board was established. Different teams of scientists, engineers, and technicians on board with diverse tasks and methods have to coordinate the sequence of stations, sharing of instruments, and samples. However, as we have a long-standing collaboration and generally work towards the same aim it did not take long at all to get going. Also some technical hick-ups could be solved along the way and we are now enthusiastic to sample and investigate the areas that were affected by the collector test.

In the next several weeks members of the scientific party will introduce their respective focus areas and instrument and will report on their impressions from life on board. We would be pleased if you would follow us (and bear with us if work on board gets intense and contributions get out delayed – just as this one…).

Deutsche Version

SONNE Expedition SO295: auf den Spuren der Umweltauswirkungen von Tiefseebergbau

Felix Janssen, HGF-MPG Brückengruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie am Max-Planck-Institut in Bremen und Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven, Deutschland

Vor nun bereits rund zwei Wochen sind wir mit dem Forschungsschiff SONNE im ersten Arbeitsgebiet 11° nördlich des Äquators und ca. 1500 Kilometer vor der Westküste Mexikos angekommen. Getrennt durch eine mehr als 4000 Meter mächtige Wassersäule, befinden wir uns direkt über einem der Hauptziele eines möglichen zukünftigen Tiefseebergbaus: ausgedehnte Felder polymetallischer Knollen oder Manganknollen auf dem Tiefseeboden in der so genannten Clarion-Clipperton-Zone (CCZ). Die CCZ erstreckt sich von unserer momentanen Position bis Hawaii, ein Gebiet, das fast halb so groß ist, wie Europa. Die Knollen, die in Millionen von Jahren zu Kartoffelform und -größe heranwuchsen, enthalten verschiedene wertvolle Metalle, darunter Nickel, Kobalt und Kupfer. Technologisch – und vielleicht auch wirtschaftlich – scheint ein Abbau machbar zu sein.

Abgesehen von technischen Herausforderungen steht eine mögliche Ausbeutung vor zwei Schwierigkeiten: Erstens kommen die Knollen nur als dünne Schicht an der Oberfläche der Sedimente vor und stellen somit eine so genannte zweidimensionale Ressource dar. Im Vergleich zum Landbergbau müssen für die gleiche Ausbeute riesige Flächen von den Knollen befreit werden. Dabei findet die Hauptstörung im obersten Teil des Ökosystems des Meeresbodens statt, wo sich die meisten Organismen aufhalten. Zweitens sind die Ökosysteme der Tiefsee und ihre Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen im Vergleich zu den terrestrischen Ökosystemen viel weniger erforscht, und die Umweltfolgen des industriellen Bergbaus sind schwer vorherzusagen, aber lang andauernd.

Während das Interesse der Industrie an der Erschließung dieser Ressource zunimmt, bemühen sich die marinen Umweltwissenschaften daher verstärkt darum, ein gründliches Verständnis der Organismen und Prozesse in diesem Gebiet und ihrer Sensitivität gegenüber Störungen zu erlangen. Wenn möglich, bevor folgenschwere Entscheidungen über einen Abbau getroffen werden.

Vor eineinhalb Jahren führte das belgische Unternehmen DEME GSR den ersten Test eines von Raupenantrieben bewegten Knollenkollektors in internationalen Gewässern durch – sowohl im belgischen als auch im deutschen Explorations-Lizenzgebiet. Das 4 m breite und 12 m lange Fahrzeug ‘PATANIA II’ sammelte die Knollen mit Hilfe eines Wasserstrahls ein. Dabei wurden die Knollen zusammen mit den Oberflächensedimenten vom Meeresboden entfernt, auf die gleiche Weise, wie es auch für künftige, größeren Fördermaschinen erwartet wird. Diese Tests boten unserem Forschungsteam im Rahmen des paneuropäischen Projekts ‘MiningImpact’ die Möglichkeit, eine unabhängige wissenschaftliche Bewertung der mit einem Knollenabbau verbundenen Auswirkungen und Umweltfolgen vorzunehmen.

Vor eineinhalb Jahren haben viele von uns an einer Expedition teilgenommen, die parallel zum Kollektortest stattfand, um die physikalischen Störungen und ihre unmittelbaren Auswirkungen unabhängig zu beobachten. Neben dem Verlust von Knollen auf den Teststrecken von ‘PATANIA II’ konnten wir beobachten, dass große Flächen rund um das Testgelände mit Sedimenten bedeckt wurden. Diese wurden vom Kollektor aufgewirbelt, verteilten sich im bodennahen Wasser als Sedimentwolke und setzten sich nach und nach in der Umgebung ab. Da wir das Gebiet kurz nach Beendigung des Tests verlassen mussten, konnten wir nur die unmittelbaren Folgen für das Ökosystem betrachten.

Zurück vor Ort, sind wir nun an den längerfristigen Auswirkungen interessiert. Wie haben sich die Gemeinschaften der Meeresbodenorganismen verändert? Haben die Organismen die direkte Einwirkung des Kollektors überlebt oder konnten sie die knollenfreien Störungsspuren neu besiedeln? Wie wirkt sich die Abdeckung mit aufgewirbelten Sedimenten in den umliegenden Gebieten auf die im und am Meeresboden lebende Fauna aus? Können wir einen Schwellenwert für die Dicke des abgelagerten Materials bestimmen, unterhalb dessen die Auswirkungen vernachlässigbar werden?

Natürlich waren wir neugierig auf die Bedingungen in den vom Kollektortest betroffenen Gebieten, mussten uns aber zunächst in Geduld üben. Wir begannen mit Untersuchungen in einem Referenzgebiet, das wir bereits 2019 beprobt hatten. Dieses wurde für einen Vergleich mit dem Gebiet, das durch den Kollektor gestört wurde ausgewählt – sowohl für unsere aktuellen Untersuchungen als auch für künftige Folgeuntersuchungen. Das Verständnis der natürlichen Bedingungen in unberührten Gebieten und ihrer Variabilität zu verschiedenen Zeiten ist entscheidend, um durch einen Tiefseebergbau verursachte Veränderungen von natürlichen Schwankungen und Trends zu unterscheiden, die unabhängig von der Störung durch die Knollenentnahme auftreten können.

Während dieses ersten Teils der Expedition wurde der wissenschaftliche Arbeitsablauf an Bord etabliert. Verschiedene Teams von Wissenschaftlern und Technikern an Bord mit unterschiedlichen Aufgaben und Methoden müssen die Abfolge der Stationen, die gemeinsame Nutzung von Instrumenten und die Aufteilung der Proben koordinieren. Da wir seit langem zusammenarbeiten und alle ein gemeinsames Ziel verfolgen, hat sich alles nach kürzester Zeit eingespielt. Auch einige technische Startschwierigkeiten konnten gleich in den ersten Tagen gelöst werden. Mittlerweile sind wir bereits eifrig dabei, die Gebiete zu beproben und zu untersuchen, die vom Kollektorversuch betroffen waren.

In den nächsten Wochen werden die Mitglieder der wissenschaftlichen Teams an Bord die jeweiligen Schwerpunkte ihrer Arbeit und ihre Methoden und Geräte vorstellen und über ihre Eindrücke vom Leben an Bord berichten. Wir freuen uns, wenn Sie Lust haben, auf diese Weise der Expedition zu folgen (und bitten Sie schon jetzt um Geduld, wenn die Arbeit an Bord intensiv ist und Beiträge verspätet erscheinen – so wie dieser hier…).