Dans certaines parties de l'océan profond, dispersés sur le fond marin, se trouvent des roches de la taille d'une balle de baseball recouvertes de minéraux accumulés au cours de millions d'années. Une région du Pacifique central, appelé la zone de fracture Clarion Clipperton (CCFZ), est estimé à contenir de vastes réserves de ces roches, appelés « nodules polymétalliques, " qui sont riches en nickel et en cobalt, des minéraux couramment extraits à terre pour la production de batteries lithium-ion dans les véhicules électriques, ordinateurs portables, et les téléphones portables.

À mesure que la demande pour ces batteries augmente, les efforts se poursuivent pour exploiter l'océan à la recherche de ces nodules riches en minéraux. De tels schémas d'exploitation sous-marine proposent de faire descendre des véhicules de la taille d'un tracteur pour aspirer les nodules et les envoyer à la surface, où un navire les nettoierait et rejetterait tout sédiment indésirable dans l'océan. Mais les impacts de l'exploitation minière en haute mer, tels que l'effet des sédiments rejetés sur les écosystèmes marins et comment ces impacts se comparent à l'exploitation minière traditionnelle terrestre, sont actuellement inconnus.

Maintenant océanographes au MIT, la Scripps Institution of Oceanography, et ailleurs ont mené pour la première fois une expérience en mer pour étudier le panache de sédiments turbulents que les navires miniers pourraient potentiellement rejeter dans l'océan. Sur la base de leurs observations, ils ont développé un modèle qui fait des prédictions réalistes de la façon dont un panache de sédiments généré par les opérations minières serait transporté à travers l'océan.

Le modèle prédit la taille, concentration, et l'évolution des panaches de sédiments dans diverses conditions marines et minières. Ces prédictions, disent les chercheurs, peut maintenant être utilisé par les biologistes et les régulateurs environnementaux pour évaluer si et dans quelle mesure ces panaches auraient un impact sur la vie marine environnante.

"Il y a beaucoup de spéculations sur l'impact environnemental [de l'exploitation minière en haute mer], " dit Thomas Peacock, professeur de génie mécanique au MIT. "Notre étude est la première du genre sur ces panaches pélagiques, et peut être un contributeur majeur aux discussions internationales et à l'élaboration de réglementations au cours des deux prochaines années. »

L'étude de l'équipe paraît aujourd'hui dans Communications Nature :Terre et environnement .

Les co-auteurs de Peacock au MIT incluent l'auteur principal Carlos Muñoz-Royo, Raphaël Ouillon, Chinmay Kulkarni, Patrick Haley, Chris Mirabito, Rohit Supekar, André Rzeznik, Éric Adams, Cindy Wang, et Pierre Lermusiaux, avec les collaborateurs de Scripps, le US Geological Survey, et des chercheurs en Belgique et en Corée du Sud.

À la mer

Les propositions actuelles d'exploitation minière en haute mer devraient générer deux types de panaches de sédiments dans l'océan :500 mètres sous la surface ; et éventuellement des "panaches pélagiques" qui sont évacués par des canalisations qui descendent 1, 000 mètres ou plus dans la zone aphotique de l'océan, où la lumière du soleil pénètre rarement.

Dans leur nouvelle étude, Peacock et ses collègues se sont concentrés sur le panache médian et sur la façon dont les sédiments se disperseraient une fois déchargés d'un tuyau.

"La science de la dynamique du panache pour ce scénario est bien fondée, et notre objectif était d'établir clairement le régime dynamique de ces panaches afin d'éclairer correctement les discussions, " dit Paon, qui est le directeur du Laboratoire de dynamique environnementale du MIT.

Pour cerner ces dynamiques, l'équipe a pris la mer. En 2018, les chercheurs sont montés à bord du navire de recherche Sally Ride et ont navigué à 50 kilomètres au large des côtes du sud de la Californie. Ils ont apporté avec eux des équipements conçus pour décharger des sédiments à 60 mètres sous la surface de l'océan.

"En utilisant les principes scientifiques fondamentaux de la dynamique des fluides, nous avons conçu le système pour qu'il reproduise entièrement un panache à l'échelle commerciale, sans avoir à descendre à 1, 000 mètres ou naviguer plusieurs jours au milieu de la CCFZ, " dit le paon.

Pendant une semaine, l'équipe a mené un total de six expériences de panache, en utilisant de nouveaux systèmes de capteurs tels qu'un sonar Doppler à réseau phasé (PADS) et un epsimètre développé par les scientifiques Scripps pour surveiller où les panaches se sont déplacés et comment ils ont évolué en forme et en concentration. Les données recueillies ont révélé que les sédiments, lorsqu'il est initialement pompé hors d'un tuyau, était un nuage très turbulent de particules en suspension qui se mélangeaient rapidement à l'eau de l'océan environnante.

"Il y avait des spéculations que ce sédiment formerait de gros agrégats dans le panache qui se déposeraient relativement rapidement dans l'océan profond, " dit Peacock. " Mais nous avons trouvé que la décharge est si turbulente qu'elle brise le sédiment en ses plus beaux morceaux constitutifs, et par la suite, il se dilue si rapidement que les sédiments n'ont alors aucune chance de se coller. »

Dilution

L'équipe avait précédemment développé un modèle pour prédire la dynamique d'un panache qui serait rejeté dans l'océan. Lorsqu'ils ont introduit les conditions initiales de l'expérience dans le modèle, il a produit le même comportement que l'équipe a observé en mer, prouvant que le modèle pouvait prédire avec précision la dynamique du panache à proximité du rejet.

Les chercheurs ont utilisé ces résultats pour fournir l'entrée correcte pour les simulations de la dynamique océanique afin de voir jusqu'où les courants porteraient le panache initialement libéré.

« Dans une opération commerciale, le navire rejette toujours de nouveaux sédiments. Mais en même temps, les turbulences de fond de l'océan mélangent toujours les choses. Vous atteignez donc un équilibre. Il y a un processus de dilution naturel qui se produit dans l'océan qui définit l'échelle de ces panaches, " Peacock dit. "Ce qui est essentiel pour déterminer l'étendue des panaches, c'est la force de la turbulence océanique, la quantité de sédiments rejetés, et le niveau de seuil environnemental auquel il y a un impact.

Sur la base de leurs découvertes, les chercheurs ont développé des formules pour calculer l'échelle d'un panache en fonction d'un seuil environnemental donné. Par exemple, si les régulateurs déterminent qu'une certaine concentration de sédiments pourrait être préjudiciable à la vie marine environnante, la formule peut être utilisée pour calculer jusqu'où s'étendrait un panache au-dessus de cette concentration, et quel volume d'eau océanique serait touché au cours d'une exploitation minière de nodules de 20 ans.

« Au cœur de la question environnementale entourant l'exploitation minière en eaux profondes se trouve l'étendue des panaches de sédiments, " dit Peacock. " C'est un problème à plusieurs échelles, à partir de sédiments à l'échelle du micron, aux écoulements turbulents, aux courants océaniques sur des milliers de kilomètres. C'est un grand puzzle, et nous sommes particulièrement bien équipés pour travailler sur ce problème et fournir des réponses fondées sur la science et les données."

L'équipe travaille maintenant sur des panaches collecteurs, étant récemment revenu de plusieurs semaines en mer pour effectuer le premier suivi environnemental d'un véhicule collecteur de nodules dans l'océan profond depuis plus de 40 ans.

Cette recherche a été financée en partie par la MIT Environmental Solutions Initiative, le programme UC Ship Time, le MIT Policy Lab, le projet 11th Hour de la Fondation de la famille Schmidt, l'Initiative Océan de Benioff, et la Fondation Bancaria "la Caixa".

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.