Tag Archives: oceanography

Parametrization and evaluation of marine environmental impacts produced by deep-sea manganese nodule mining

Oebius, H.U., Becker, H.J., Rolinski, S., Jankowski, J.A.

Abstract. The evaluation of marine environmental impacts resulting from the exploitation of marine resources requires the numerical description, parametrization, and modelling of such processes in order to be able to transfer, compare, and forecast the effects of anthropogenic activities in the deep sea. One of the controversial effects is the formation and behaviour of sediment clouds as a consequence of anthropogenic activities on the seafloor. Continue reading

The mesoscale sediment transport due to technical activities in the deep sea

J.A. Jankowski and W. Zielke

Abstract. This paper presents a mesoscale model for sediment transport in the deep sea resulting from technical activities such as manganese nodule mining. The model includes the temporal variability of ambient currents, the modification of the water density due to suspended sediments (density driven flow), bottom boundary-layer effects, and the influence of flocculation on the sediment settling velocity. It yields the three-dimensional sediment concentration and the bottom blanketing for time periods of up to a few weeks in areas of up to a few hundred square kilometers. The model also allows simulation of the mobilization, sorption and the transport of heavy metals. Continue reading

Mesoskalige Stofftransporte im Pazifik als Folge des Tiefseebergbaus

A project 1993-1999 concerning the mesoscale sediment transport due to deep sea mining activities. An excerpt in German follows.

Mesoskalige Stofftransporte im Pazifik als Folge des Tiefseebergbaus

Diskussion der erzielten Ergebnisse für das Discol-Referenzgebiet
Ein Absatz aus dem Schlußbericht 1995 für BMBF, verändert

J.A. Jankowski and W.Zielke

Das beschriebene numerische Modell erlaubt die Simulation des Sedimenttransports in den komplizierten Verhältnissen der ozeanischen Bodengrenzschicht über einer variierenden Bodentopographie. Die vorhandenen bathymetrischen Daten aus dem DISCOL-Gebiet im Perubecken erlauben Ausbreitungssimulation mittels des erstellten Modells für die Zeiträume von 1-2 Wochen. Um einen Vergleich zwischen verschiedenen Fällen der Parameterstudien zu ermöglichen, wurde diese Zeit auf 6 Tage begrenzt. Die Studien konzentrieren sich auf die unvermeidbaren und hauptsächlich auftretenden Tiefseebergbau-Einleitungen in der benthischen Grenzschicht. Die Stärke und Form der Einleitung entspricht dem Abbau mit Hilfe eines einzelnen Kollektors. Es wurden die verfügbaren Felduntersuchungen interpretiert und in das Modell einbezogen. Die Umgebung des DISCOL-Gebietes wird hier nur als Referenzgebiet betrachtet. Das Modell ist unabhängig von den spezifischen Eigenschaften dieses Areals und kann auf andere Tiefseegebiete angewendet werden.

Das Modell kann auf eine relativ einfache Weise kalibriert werden, besonders hinsichtlich der Hydrodynamik in der benthischen Grenzschicht sowie der Formulierungen der Sinkgeschwindigkeit. Die gesammelten Erfahrungen zeigen, daß die größten Schwierigkeiten bei der Modellierung von Sedimenttransport in der Tiefsee auf den Mangel an Verifikationsdaten zurückzuführen sind, wodurch die Zuverlässigkeit einer Prognose beeinträchtigt wird.

Um trotzdem eine Prognose zu ermöglichen, die das Verhalten des eingeleiteten Schwebstoffes in der zeitlich und räumlich variierenden natürlichen und durch die Einleitung bedingten Verhältnissen beschreiben soll, wurden die wesentlichen Parameter in deren Streuungsbereich variiert. Dadurch wird auch bei der derzeitigen Datenlage eine Abschätzung der Verweilzeit gewährleistet.

Der Streuungsbereich der hydrodynamischen sowie sedimentologischen Parameter kann mittels vorhandener Daten abgeschätzt werden, obwohl die Genauigkeit der Aussage noch nicht zufriedenstellend ist. Die für die Modellierung notwendigen Stützdaten können durch Feldarbeiten ermittelt werden, was auch teilweise durch kleinskalige Experimente erfolgen kann.

Die Gewinnung von Daten über die Anfangsbedingung der Ausbreitung benötigen Messungen in der direkten Nähe des arbeitenden Kollektors oder eines Simulators. Solche Messungen können auch Hinweise über die Konzentrationsverteilung im Moment, wenn die passive Ausbreitung durch die Hintergrundströmung beginnt und über Bedeutung und Ausmaß der induzierten Dichteströmungen liefern.

Eine vollständige Verifikation des Transportmodells kann nur während der Tests in industriellem Ausmaß unter Verwendung der Prototypen von Bergbaumaschinen und mit der Verfolgung der eingeleiteten Trübungswolke erfolgen. Die für die zweite Phase des TUSCH-Projektes geplanten kleinskaligen Experimente oder das internationale Benthic Impact Experiment (BIE, unter Leitung von NOAA) liefern hauptsächlich Stützdaten zur Modellierung und nur teilweise Verifikationsdaten.

Die Flokkulations- und Zerbrechensprozesse, die in der eingeleiteten Trübungswolke stattfinden, wurden nicht in-situ gemessen, wobei die Laborexperimente eine Abhängigkeit der Sinkgeschwindigkeit des Tiefseetons von seiner Konzentration bestätigen. Wenn die entsprechenden Daten vorhanden sind, kann das beschriebene empirische Modell der Sinkgeschwindigkeit eingesetzt werden.

Die erzielten Ergebnisse zeigen ein relativ schnelles Absinken der eingeleiteten Masse während der Simulationszeit. Die diskutierten Flokkulationsprozesse können die Verweilzeit nur verringern, weil das Zerbrechen der Partikel unter den natürlichen Bedingungen in der benthischen Grenzschicht weitgehend unbedeutend ist. Die Flokkulation kann für kontinuierliche Einleitungen oder für schwächere Strömungen eine wesentliche Rolle spielen, die weiter studiert werden sollen.

Die Studie für zusammengesetztes nicht-kohäsives Sediment, das durch meherere Sedimentklassen beschrieben wird, hat bewiesen, daß ein Bruchteil der eingeleiteten Masse, der aus den feinsten Partikeln besteht, eine längere Verweilzeit besitzen kann. In wieweit die Anzahl dieser feinen Sedimentpartikel durch die Flokkulationsprozesse in der Nähe der Einleitung reduziert wird, bleibt unbekannt. Die Schwebstoffwolke für eine zeitlich begrenzte Einleitung ist jedoch nach 6 Tagen so verdünnt (c < 1 mg/l), daß die charakteristischen Flokkulationszeiten erheblich steigen werden. ähnlich geringe Konzentrationen sind bei der kontinuierlichen Emission (hier 6 Tage) schon in der Entfernung von ungefähr 3 km von der Einleitungsstelle vorhanden. Die gröberen Fraktionen des eingeleiteten Sediments werden relativ schnell absinken (bis 6 Tage) in einem Radius von maximal 10 km von der Einleitungsstelle.

Der Reinigungsprozess der Wassersäule von diesen feinsten Partikel kann nur durch die intensiveren Flokkulationsprozessen in den ersten Stadien der Ausbreitung, wenn die Konzentrationen hoch bleiben, oder in einigen Gebieten und Jahreszeiten durch Interaktion mit schnell absinkenden, natürlich vorhandenen marine snow-Partikeln, erfolgen. Im DISCOL-Gebiet wurde marine snow nicht beobachtet.

Die Ergebnisse zeigen, daß bei den Untersuchungen der Beeinträchtigung der marinen Umwelt durch den Tiefseebergbau neben der unvermeidbaren Zerstörung und Verwühlung des Meeresbodens oder Veränderungen des chemischen Milieus, auch Freisetzungen von Schwermetallen als gleichberechtigte Gefahren angesehen werden müssen und für eine Erweiterung des Modells in Betracht gezogen werden sollen.

Das erstellte Modell ist ein erster Schritt in der Entwicklung eines zuverlässigen Werkzeuges für die zukünftige Umweltverträglichkeitstudien in den Nutzungsgebieten.

The entire text as a PDF file is available locally. It is a 86-page-long report in German.

References (reports):

  • Malcherek, A., Jankowski, J. A. and Hoyme, H. (1992). SEACLOUD: Ein analytisches Modell zur Berechnung des mesoskaligen Stofftransports als Folge des Tiefseebergbaus. Report, Institut für Strömungsmechanik und ERiB, Universität Hannover.
  • Jankowski, J.A. and Zielke, W. (1993) Mesoskalige Stofftransporte im Pazifik als Folge des Tiefseebergbaus, Zwischenbericht, Institut für Strömungsmechanik und ERiB, Universität Hannover, 136pp.
  • Jankowski, J.A. and Zielke, W. (1994) Mesoskalige Stofftransporte im Pazifik als Folge des Tiefseebergbaus, Zwischenbericht, Institut für Strömungsmechanik und ERiB, Universität Hannover, 66pp.
  • Jankowski, J.A. and Zielke, W. (1995) Mesoskalige Stofftransporte im Pazifik als Folge des Tiefseebergbaus, Schlußbericht, Institut für Strömungsmechanik und ERiB, Universität Hannover, 86pp. PDF.
  • Jankowski, J.A. and Zielke, W. (1995) Data support for the deep-sea mining impact modelling, internal report, Institut für Strömungsmechanik und ERiB, Universität Hannover, 54pp. HTML-Version.
  • Zwischenbericht 1996 zum Verbundvorhaben Auswirkungen technischer Eingriffe in das Ökosystem Tiefsee im Süd-Ost Pazifik vor Peru (ATESEPP). Förderkennzeichen 03G0106. An BMBF, Bremerhaven, 1997.
  • Auswirkungen technischer Eingriffe in das Ökosystem Tiefsee im Süd-Ost Pazifik vor Peru (ATESEPP). Förderkennzeichen 03G0106. Begutachtungsseminar, 1. Dezember 1997 in Hamburg. Ausführliche Zusammenfassungen der Vorträge. An BMBF, Bremerhaven 1997.

The overal results of the joined interdisciplinary project TUSCH (Deep Sea Evironmental Protection) are probably best overviewed by the paper collection published in December 2001 in two special issues of the journal Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, Volume 48, Issues 17–18, Pages 3427-3882 (2001), Environmental Impact Studies for the Mining of Polymetallic Nodules from the Deep Sea.

For information about similar but recent research activities in Germany it is probably recommended to start with the site JPI Oceans – Ecological Aspects of Deep-Sea Mining from Geomar Kiel and with the site of BGR projects.

Data support for modelling of deep-sea mining impacts

J.A. Jankowski and W. Zielke

Abstract The paper critically reviews the presently available experimental data from various tests and experiments connected with the deep-sea mining issue with regard to their feasibility in supporting and validating the developed numerical models. Numerical modelling is applied mainly to predetermining the plume development and seafloor blanketing caused by various sediment discharges. Continue reading

Numerical modeling of suspended sediment due to deep-sea mining

J.A. Jankowski, A. Malcherek and W. Zielke

Abstract. A numerical model was developed in order to estimate the residence time of a sediment plume generated by potential deep-sea mining activities with special attention to discharges in the bottom boundary layer. The site of the Disturbance and Recolonization Experiment (DISCOL) in the Peru Basin in the southeast Pacific Ocean was chosen as a case study. Continue reading