Experimental Analysis and Characterization of Deep-Sea Sediment Samples From Loki's Castle and Mohn's Treasure

Abstract

Verden står i dag overfor det grønne skiftet. Ved overgang til grønn energi, vil behovet for metaller som kobber, sink og kobolt øke. I tilleg til å skape et insentiv for arealkonflikter fører den kontinuerlige utnyttelsen av landbaserte forekomster til en utarming av forekomstene. Som en konsekvens er nye kilder for slike ressuser nødvendige for den framtidige elektrifisering og det framtidige energibehovet.

Disse forholdene har ført til en kontinuerlig jakt å naturressurser. Denne jakten har ført til at søkelyset i de seinere årene er blitt rettet mot slike ressurser i havdypene.

Denne oppgaven er skrevet som en del av forskningsprosjektet MarMine, som har som mål å bidra med kunnskap og forskning om mulige dyphavsmineralforekomster innenfor utvidet norsk sokkel. Sedimentprøver fra to mulige marine mineralforekomster på den arktiske midthavsryggen, er studert gjennom denne oppgaven. De to stedene representerer to forskjellige typer marine mineralforekomster, et aktivt hydrotermisk felt, Lokeslottet og et inaktivt felt, Mohnsskatten.

Sediment fra de to forekomstene ble samlet inn ved "push-core" og "scoop sampling". Sedimentene består av en blanding av tre forskjellige typer marine sedimenter; litogene, biogene og hydrogene sediment. En metode foreslått av \cite{METZ19882369} ble brukt til å estimere andelen hydrotermalt materiale i sedimentprøvene. Metoden viste hydrotermale komponenter nær 100 \% i sedimentene fra Lokeslottet, mens sedimentene fra Mohnsskatten viste hydrotermale komponenter mellom 9-28 \%. Dette skyldes at Lokeslottet er et aktivt hydrotermisk felt der svart skortsteinsrøyk raskt avsettes på den omkringliggende havbunnen. Mohnsskatten er et inaktivt felt, og sedimenter som har blitt transportert fra kontinentalsokkelen har gradvis blitt avsatt på stedet, og forårsaket høyere grad av blanding med landbasert sediment.

Jernkonsentrasjoner fra Mohnsskatten viste positiv korrelasjon med den teoretiske hydrotermale komponenten. Dette konkluderes med å være en indikator på at hydrotermal aktivitet har påvirket sammensetningen av sedimentene. Tilstedeværelsen av en magnetisk anomali på stedet bekrefter videre at stedet tidligere har vært et område preget av hydrotermal aktivitet. Bevis fra automatisert mineralogi av fragmenter fra Mohnsskatten er også en del av argumentet. Dette fragmentet viser bevis på at jernrike væsker har samhandlet med bergartene på stedet.

Klorittkonsentrasjoner ved Mohnsskatten viste også en positiv sammenheng med den hydrotermale komponenten. Ettersom kloritt er et hydrotermalt lav-temperaturs omvandlingsprodukt, er kloritt en indikator på at lavtemperaturvæsker har sirkulert gjennom sedimentene. To mulige forklaringer på observasjonen av denne kloritt foreslås. Enten har sen hydrotermal sirkulering forekommet mens temperaturen i det hydrotermale systemet har blitt avkjølt. Væsker ved lav temperatur ville da ha omvandlet de nylig avsatte sedimentene, noe som førte til en lav temperatur omvandling av sedimentene. Den andre muligheten er at området representerer et diffus utsiving av hydrotermale væsker, som er relatert til et større inaktivt hydrotermalt felt.

Sedimentene fra Lokeslottet konkluderes med å være metallholdige hydrogene sedimenter, med liten innblanding av landbaserte sedimenter. Denne konklusjonen trekkes basert på de forhøyede jernkonsentrasjonene og forhøyede hydrotermale komponenter i prøvene. Konsentrasjon av basemetaller i området plasserer Lokeslottet i en mafisk kategori, selv om forekomsten tidligere er blitt beskrevet som å ha blitt påvirket av begravde lag av sedimenter. Disse begravde sedimentpakkene er konkludert med å ikke påvirke konsentrasjonen av bly i forekomsten, og kan dermed klassifiseres som en Cu-Zn forekomst.

The world is heading for a green energy transition. Facilitating this change will require significant amounts of metals such as copper, zinc and cobalt. As terrestrial mines are exploited, progressively more land area are restricted to industrial usage. In addition to creating an incentive for land conflicts, the continuous exploitation of terrestrial deposits leads to the depletion of these mines.

As a consequence new sources for such resources are a necessity for the future increase in electrification and energy demand . The craving for such resources has led to a continuous search for natural resources, and within recent years the search has pursued the deep seas.

This thesis is written as part of the MarMine research project, which aim is to contribute with knowledge and research of the possible deep-sea mineral deposits within the Norwegian exclusive economic zone. Sediment samples from two possible marine mineral deposits located on the ultra-slow arctic mid-ocean ridge have been studied through this thesis. The two sites represent two different types of marine mineral deposits, one active hydrothermal field, Loki's Castle, and one extinct field, Mohn's Treasure.

Sediment from the two sites was collected by push-core and scoop sampling. The sediment consist of a mix of three different types of marine sediments; lithogenous, biogenous, and hydrogenous. A method proposed by \cite{METZ19882369} was utilized to estimate the proportion of hydrothermal material in the sediment samples. The method showed hydrothermal components close to 100\% in the sediments from Loki's Castle, while the sediments from Mohn's Treasure showed hydrothermal components between 9-28\%. This is due to Loki's Castle being an active hydrothermal field where black smoke settles rapidly on the surrounding seafloor. Mohn's treasure is an extinct field, and sediments transported from the continental shelf have gradually covered the site, causing a higher degree of mixing with terrestrial sediment.

Iron concentrations from Mohn's Treasure showed a positive correlation with the theoretical hydrothermal component. This is concluded to be an indicator of hydrothermal activity affecting the composition of the sediments. The presence of a magnetic anomaly at the site further confirms that the site previously has been hydrothermally active. Evidence from automated mineralogy of fragments from Mohn's Treasure is also part of the argument. This fragment shows evidence of iron-rich fluids interacting with the bedrock at the site.\\

Chlorite concentrations at Mohn's treasure also showed a positive correlation with the hydrothermal component. As chlorite is a low-temperature hydrothermal alteration product, chlorite is an indicator of low-temperature fluids percolating the sediments. Two possible explanation for the observation of this phase is proposed. Either, late-stage hydrothermal venting has occurred as the temperature of the hydrothermal system has cooled. Low-temperature fluids would then have percolated the recently deposited sediments, leading to a low-temperature alteration. The other possibility is that area represents a diffuse venting site, which is related to a larger extinct hydrothermal field. The sediments from Loki's Castle are concluded to be metalliferous hydrogenous sediments, with little mix of terrestrial compounds. This is due to the elevated iron concentrations and elevated hydrothermal components of the samples. Base metal grades recorded from the site place Loki's Castle in the category of mafic host rock lithology. The deposit is still believed to have a sedimental influence, but not strong enough to affect the Pb-grades of the deposit. Based on the base metal ratios, the deposits can also be described as a Cu-Zn deposit.