Pioneering nodule mining: Some words on GSR and on what we are doing

The M/V Normand Energy (foreground) chartered by GSR for testing the pre-prototype mining vehicle Patania II and the M/V Island Pride (background) chartered by BGR to study the environmental impacts of the mining trials. Photo: GSR

Deutsche Version siehe unten

Francois Charlet, Global Sea Mineral Resources, Belgium

The transition to clean energy technology, the growing population and urbanization are requiring specific metals such as nickel, cobalt, manganese, and copper. Polymetallic nodules contain these metals in a significant quantity.

Intuitively, going to the deep seafloor for these metals could make a lot of sense from an environmental and social responsibility standpoint.  Even so, a detailed and independent scientific study must be carried out to evaluate the impacts on the deep-sea environment. 

For this reason, Global Sea Mineral Resources (GSR – part of the DEME Group) has been collaborating with the European research Project MiningImpact since 2018, to jointly contribute to the understanding of the environmental effects of collecting such mineral resources from the seafloor.

For the second time, I am joining a cruise with scientists from the MiningImpact consortium as GSR representative – this time on board the German research vessel SONNE.  After studying marine geology and sedimentology at the University of Lille in France and receiving a master’s degree in sediment dynamics in 2001, I began my professional life at Ghent University in Belgium as a research assistant at the Renard Center of Marine Geology (RCMG). During this time, I studied paleoclimatology through geophysical seismic data of marine and lacustrine sediment deposits in Chile (Lake District), Russia (Lake Baikal) and Africa (Lake Challa).

In 2005, I joined the DEME-Group as a marine geologist, and worked worldwide, mainly on soil investigations dedicated to dredging and environmental remediation projects. In 2013, I moved on to GSR as Exploration Manager. My duties are to lead exploration and research expeditions at sea as part of the 15-year exploration contract that GSR has signed with the International Seabed Authority (ISA) for the study of polymetallic nodules in the Clarion-Clipperton Zone (CCZ). Up to now, I have led 5 successful offshore campaigns dedicated to resource assessment and environmental baseline studies, both in the CCZ and in the Cook Islands Exclusive Economic Zone (CI EEZ). Further, I have participated in three other offshore expeditions dedicated to the testing of deep-sea technology and environmental monitoring.

As during the last expedition, it’s very interesting for me to see the wide range of scientific studies being carried out by the MiningImpact team. And there is always plenty of opportunities for me to actively contribute to the work. This time I am mainly involved with the box corer sampling and with geomechanical measurements in sediment cores in the laboratory. To provide some background to the work being carried out during this expedition, I collected some information on what has been done and achieved so far with a focus on GSR activities.

From April to mid-May 2021, GSR successfully tested a pre-prototype nodule collector named Patania II at commercial driving speeds and nodule pick-up rates. The trial took place in the GSR (Belgian-sponsored) and BGR (German-sponsored) contract areas of the Clarion-Clipperton Zone (NE Pacific Ocean). Simultaneously, the MiningImpact scientists independently monitored GSR’s collector technology trial from a separate vessel, chartered by the German Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR). The “MANGAN2021” campaign was focused on the monitoring of the mid to far-field sediment plume by deploying a complete set of sensors (ADCPs, landers, oxygen profilers, turbidity meters…) and marine vehicles (ROV, AUV) around the test mining area. Furthermore, immediate environmental effects of the removal of nodules and the deposition of plume material were studied.

Meanwhile, the monitoring conducted on board the GSR vessel was performed in collaboration with the Massachusetts Institute of Technology (MIT) and the University of Ghent (MarBiol). The scientists used acoustic sensors (Acoustic Doppler Current Profilers – ADCPs), turbidity meters, and a particle settlement camera) and collected water samples to evaluate the plume of re-suspended sediment in the near-field environment of the pre-prototype vehicle. These devices were mounted on the seafloor nodule collector to take the closest measurements. Oceanographic moorings with ADCPs and turbidity meters were also deployed to investigate the physical characteristics (concentration, grain-size, speed, altitude, etc.) of the medium-field sediment plume. 

GSR’s pre-prototype nodule collector Patania II during deployment from the M/V Normand Energy. Photo: GSR

For the GSR trial area, 171 x 50m-long lanes have been completed along 3 strips (55 lanes on strip 1, 31 lanes on strip 2 and 85 lanes on strip 3) in 40 hours (19-21 April). The total mined surface cleared from nodules is estimated at 30,899 square-meters. The track length driven was ~8,550m (8.5 km) and the total track length driven for all 4 Mining Strips (Mined Area + Lightbulb turns) was 21,375 m (21 km). 

The second nodule collection trial (8-9 May), performed in the BGR contract area during a period of 24 hours, was also successfully achieved. Patania II was able to perform 118 lines of 50m-long along one single strip. With a collector width of 4m-wide, the total mined surface area is evaluated to 23,600 square-meters, for a total track length driven of 5,900m (5.9km). 

Photo taken by the front camera of Patania II before the mining test. It shows a top view of the hydraulic collector head and the seabed at 4450m depth that is covered with polymetallic nodules. Photo: GSR

The MIT environmental monitoring, during and immediately after the 2021 trial in the GSR contract area, showed that 3 to 8 cm of sediment had been removed from the seafloor along with the nodules and the initial form of the sediment plume was a low-lying turbidity current. Researchers from MIT found that for the test areas studied, 92-98% of the sediment was deposited locally or was in suspension below 2 m altitude, with suspended sediment concentrations on the order of a few milligrams per liter. 

The current SO295 offshore campaign will provide new information on ecosystem effects of potential future mining. By employing state-of-the-art scientific equipment, researchers shall be able to better determine the spread of the sediment plume and how it resettles. They will also be able to assess medium-term effects of nodule removal and coverage with plume material on biodiversity across different faunal classes as well as benthic processes. 

Environmental monitoring is a key component of GSR’s development program, ensuring the effects of its activities are understood, can be accurately predicted and lead to the development of appropriate environmental management strategies. 

GSR acknowledges that before polymetallic nodule collection can occur at a commercial scale, it needs to be demonstrated that such activities can be managed to ensure the effective protection of the marine environment. The trial and ongoing studies will serve as a foundation for reliable modelling of commercial operations and will inform the next phase of engineering development as well as environmental management.

Deutsche Version

Manganknollenabbau-Pioniere: Ein paar Worte zu GSR und zu unserer Arbeit

Francois Charlet, Global Sea Mineral Resources, Belgien

Für die Energiewende, die wachsende Weltbevölkerung und die Urbanisierung werden verschiedene Metalle, wie Nickel, Kobalt, Mangan und Kupfer, benötigt. Manganknollen (oder genauer: polymetallische Knollen) enthalten diese Metalle in erheblicher Menge.

Intuitiv betrachtet könnte ein Abbau von Metallen in der Tiefsee aus ökologischer und sozialer Sicht sinnvoll sein. Daher müssen detaillierte und unabhängige wissenschaftliche Studien durchgeführt werden, um die Auswirkungen auf die Tiefseeumwelt zu bewerten. 

Aus diesem Grund arbeitet Global Sea Mineral Resources (GSR – Teil der DEME-Gruppe) seit 2018 mit dem europäischen Forschungsprojekt MiningImpact zusammen, um gemeinsam zum Verständnis der Umweltauswirkungen der Gewinnung solcher Bodenschätze vom Meeresboden beizutragen.

Zum zweiten Mal nehme ich als GSR-Vertreter an einer Fahrt mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des MiningImapct-Konsortiums teil – dieses Mal an Bord des deutschen Forschungsschiffs SONNE.  Nach meinem Studium der Meeresgeologie und Sedimentologie an der Universität Lille in Frankreich, das ich 2001 mit einem Master in Sedimentdynamik abgeschlossen habe, begann ich meine berufliche Laufbahn an der Universität Gent in Belgien als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Renard Center für Marine Geologie (RCMG). In dieser Zeit untersuchte ich die Paläoklimatologie von marinen und lakustrinen Sedimentablagerungen anhand geophysikalischer seismischer Daten in Chile (Lake District), Russland (Baikalsee) und Afrika (Challa-See).

Im Jahr 2005 trat ich der DEME-Gruppe als Meeresgeologe bei und arbeitete seitdem weltweit, hauptsächlich an Bodenuntersuchungen für Dredging- und Umweltsanierungsprojekte. Im Jahr 2013 bin ich als Explorationsleiter zu GSR gewechselt. Meine Aufgabe ist die Leitung von Explorations-Expeditionen auf See im Rahmen des 15-jährigen Explorationsvertrags, den GSR mit der Internationalen Meeresbodenbehörde (ISA) für die Untersuchung von polymetallischen Knollen in der Clarion-Clipperton-Zone (CCZ) abgeschlossen hat. Bislang habe ich fünf erfolgreiche Offshore-Kampagnen zur Ressourcenerkundung und zur Durchführung von Umweltstudien sowohl in der CCZ als auch in der Ausschließlichen Wirtschaftszone der Cookinseln geleitet. Darüber hinaus habe ich an drei weiteren Offshore-Expeditionen teilgenommen, die der Erprobung von Tiefseetechnologie und der Umweltüberwachung gewidmet waren.

Wie schon bei der letzten Expedition, ist es für mich wieder sehr interessant, das breite Spektrum an wissenschaftlichen Studien zu sehen, die vom MiningImpact-Team durchgeführt werden. Und es gibt immer viele Möglichkeiten für mich, mich aktiv an der Arbeit zu beteiligen. Diesmal bin ich hauptsächlich an der Probennahme mit dem Kastengreifer und an geomechanischen Messungen an Sedimentkernen im Labor beteiligt. Um ein wenig Hintergrundwissen über die Arbeiten während dieser Expedition zu vermitteln, habe ich einige Informationen über die bisherigen Arbeiten und Ergebnisse zusammengestellt, wobei der Schwerpunkt auf den GSR-Aktivitäten liegt.

Von April bis Mitte Mai 2021 testete GSR erfolgreich einen Prototyp eines Knollensammlers mit dem Namen Patania II mit kommerziellen Fahrgeschwindigkeiten und Knollenaufnahmeraten. Der Versuch fand in den Explorationsgebieten von GSR (unter belgischem Sponsoring) und BGR (unter deutschem Sponsoring) in der Clarion-Clipperton-Zone im Nordostpazifik statt. Gleichzeitig untersuchten die Wissenschaftler des MiningImpact-Projekts den Kollektortechnologie-Test von GSR von einem separaten Schiff aus, das von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) gechartert wurde. Die “MANGAN2021”-Kampagne konzentrierte sich auf die Überwachung der vom Fahrzeug erzeugten Sedimentwolke in mittlerer bis weiter Distanz, indem ein Netzwerk von Sensoren (ADCPs, Lander, Sauerstoffprofiler, Trübungsmesser…) und Meeresfahrzeugen (ROV, AUV) um das Testabbaugebiet herum eingesetzt wurde. Darüber hinaus wurden die unmittelbaren Umweltauswirkungen des Manganknollenabbaus und der Ablagerung von Material aus der Sedimentwolke untersucht.

Die von GSR gecharterte M/V Normand Energy (im Vordergrund) für den Test von Patania II, einem Fahrzeug-Prototypen für den Tiefseebergbau, und die von der BGR gecharterte M/V Island Pride (im Hintergrund) zur Untersuchung der Umweltauswirkungen der Tiefseebergbautests. Foto: GSR

Das Monitoring des Tests von Bord des GSR-Schiffes wurde in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Gent (MarBiol) durchgeführt. Die Wissenschaftler setzten akustische Sensoren (Acoustic Doppler Current Profiler – ADCPs), Trübungsmesser und eine Kamera zur Beobachtung der Partikelsedimentation und sammelten Wasserproben, um die Wolke des aufgewirbelten Sediments in unmittelbarer Umgebung des Prototypenfahrzeugs zu bewerten. Diese Geräte wurden direkt auf dem Knollenkollektor montiert. Ozeanographische Verankerungen mit ADCPs und Trübungsmessern wurden ebenfalls eingesetzt, um die physikalischen Eigenschaften (Konzentration, Korngröße, Geschwindigkeit, Höhe usw.) der Sedimentwolke in mittlerer Distanz zu untersuchen. 

Der Prototyp eines Knollenkollektors Patania II von GSR beim Ausbringen von der M/V Normand Energy. Foto: GSR

Für das GSR-Testgebiet wurden in 40 Stunden (19.-21. April) 171 x 50 m lange Bahnen auf drei Streifen (55 Bahnen auf dem ersten Streifen, 31 Bahnen auf dem zweiten und 85 Bahnen auf dem dritten Streifen) abgefahren. Die gesamte abgebaute Fläche, auf der die Knollen entfernt wurden, wird auf 30.899 m² geschätzt. Die gefahrene Streckenlänge betrug ~8.550 m (8,5 km) und die gesamte gefahrene Streckenlänge für alle vier Abbaustreifen (Abbaugebiet + Kehren) betrug 21.375 m (21 km). 

Der zweite Test (8.-9. Mai), der im BGR-Explorationsgebiet über einen Zeitraum von 24 Stunden durchgeführt wurde, war ebenfalls erfolgreich. Patania II war in der Lage, 118 Reihen von 50 m Länge entlang eines einzigen Streifens abzufahren. Bei einer Gesamtstreckenlänge von 5.900 m (5,9 km) und einer Kollektorbreite von 4 m wird die gesamte abgebaute Fläche auf 23.600 m² geschätzt. 

Von der Frontkamera von Patania II aufgenommenes Foto vor dem Abbautest. Es zeigt eine Draufsicht auf den hydraulischen Kollektorkopf und den Meeresboden in 4450 m Tiefe, der mit polymetallischen Knollen bedeckt ist. Foto: GSR

Die Untersuchungen des MIT während und unmittelbar nach dem Test im Jahr 2021 im GSR-Vertragsgebiet haben gezeigt, dass zusammen mit den Knollen 3 bis 8 cm Sediment vom Meeresboden entfernt wurden und die Sedimentwolke zunächst die Form einer Trübeströmung in Bodennähe hatte. Forscher des MIT fanden heraus, dass in den untersuchten Testgebieten 92-98 % des Sediments lokal abgelagert wurde oder unterhalb von 2 m Höhe in Suspension war, wobei die Konzentration der suspendierten Sedimente in der Größenordnung von einigen Milligramm pro Liter lag. 

Die aktuelle SO295-Expedition wird neue Informationen über die Auswirkungen eines möglichen künftigen Bergbaus auf das Ökosystem liefern. Durch den Einsatz modernster wissenschaftlicher Ausrüstung werden die Forscher in der Lage sein, die Ausbreitung der Sedimentwolke und die Ablagerung des suspendierten Materials besser zu bestimmen. Daneben werden Erkenntnisse erwartet, die über die mittelfristigen Umweltauswirkungen der Entfernung von Knollen und der Bedeckung mit Material aus der Sedimentwolke Auskunft geben. Dabei werden u.a. die Konsequenzen für die biologische Vielfalt in verschiedenen Tierklassen sowie auf benthische Prozesse bewertet. 

Die Umweltüberwachung ist ein Schlüsselelement der GSR Aktivitäten. So wird sichergestellt, dass die Auswirkungen verstanden werden, genau vorhergesagt werden können und zur Entwicklung geeigneter Umweltmanagementstrategien genutzt werden. 

GSR ist sich darüber im Klaren, dass vor einer kommerziellen Gewinnung von Manganknollen der Nachweis erbracht werden muss, dass derartige Aktivitäten so gesteuert werden können, dass ein wirksamer Schutz der Meeresumwelt gewährleistet ist. Der Test und die laufenden Studien werden als Grundlage für eine zuverlässige Modellierung eines kommerziellen Abbaus dienen und Informationen für die nächste Phase der technischen Entwicklung sowie für das Umweltmanagement liefern.

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