توسعه صنایع مبتنی بر باتری‌های پیشرفته و شتاب حرکت به سوی زیرساخت‌های الکتریکی، نیاز به فلزاتی مانند مس، روی، نیکل و کبالت را به بالاترین سطح رسانده است. در پی این تقاضای فزاینده، کانسارهای متراکم کف اقیانوس‌ها به عنوان یکی از اهداف اصلی صنایع معدنی مطرح شده‌اند. با این حال، برنامه‌های استخراج از اعماق دریا همواره به دلیل پیچیدگی‌های فنی و آسیب‌های بالقوه به زیست‌بوم‌های ناشناخته دریایی با مخالفت‌های جدی کارشناسان همراه بوده است. اکنون کشفی تازه در آزمایشگاه‌های کانی‌شناسی، لایه جدیدی از تهدیدهای عملیاتی را آشکار کرده است. سنگ‌های فلزی به دست آمده از کف اقیانوس هنگام پردازش و آزمایش روی خشکی ناگهان و بدون هیچ عامل خارجی مشتعل شده‌اند.
این رخداد پیش‌بینی‌نشده معادلات مهندسی و ایمنی را برای شرکت‌های علاقه‌مند به معدن‌کاری دریایی بر هم می‌زند. پیش از این، محور اصلی بحث‌ها پیرامون آلودگی صوتی، برهم خوردن رسوبات کف دریا و تهدید گونه‌های نادر آبزی شکل گرفته بود. اکنون مسئله ایمنی جانی خدمه و پایداری سازه‌ای کشتی‌های ترابری در میان آب‌های آزاد به دغدغه‌ای فوری تبدیل شده است. اگر سنگ‌های برداشت‌شده پس از خروج از آب و در مجاورت هوا مستعد آتش‌سوزی باشند، کل زنجیره انتقال، فرآوری اولیه و انبارداری در ناوگان‌های اقیانوس‌پیما با خطری مهارنشدنی روبه‌رو خواهد شد.
پیامدهای اشتعال خودبه‌خودی کانی‌ها بر ایمنی استخراج از اعماق دریا
در سال 1401 خورشیدی، تیمی از پژوهشگران سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده با همکاری اداره مدیریت انرژی اقیانوسی و سازمان ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده ماموریتی تحقیقاتی را در ناودیس اسکانابا به انجام رساندند. این منطقه در بستر اقیانوس آرام و در محدوده اقتصادی انحصاری آمریکا نزدیک به مرز ایالت‌های اورگن و کالیفرنیا قرار دارد. فعالیت چاه‌های گرمابی در این ناودیس باعث تشکیل توده‌های غنی از سولفیدهای آهن، مس و روی شده است. دانشمندان به کمک یک شناور هدایت‌پذیر از راه دور توانستند 57 نمونه سنگ هیدروترمال را از چهار بخش مختلف این پهنه جمع‌آوری کنند تا ساختار بلوری و ترکیبات آن‌ها را ارزیابی نمایند.
حادثه غیرمنتظره در جریان آماده‌سازی نمونه‌ها درون آزمایشگاه رخ داد. پژوهشگران نمونه‌ها را به روش خشک‌انجمادی رطوبت‌زدایی کردند و سپس برای سنجش‌های طیف‌سنجی تحت خردایش مکانیکی قرار دادند. در کمال شگفتی، دو نمونه از این سنگ‌های سولفیدی حین سایش ناگهان خودبه‌خود آتش گرفتند و دمای آن‌ها به سرعت از مرز 100 درجه سلسیوس عبور کرد. این حرارت شدید ساختار کانی‌ها را به طور کامل اکسید کرد و پودری خاکستری بر جای گذاشت. گزارش علمی این رویداد در نشریه ساینتیفیک ریپورتس انتشار یافت و توجه زمین‌شناسان و فعالان صنایع معدنی را به خود جلب کرد.
نخستین فرضیه پژوهشگران بر وجود ترکیبات آلی مانند نفت هیدروترمال یا قیر طبیعی در بافت سنگ‌ها تمرکز داشت. در بسترهای رسوبی زیردریایی، گاهی حرارت ماگما مواد آلی را به هیدروکربن‌های فرار تبدیل میکند که می‌توانند در تماس با اصطکاک مشتعل شوند. با این وجود، تحلیل‌های دقیق شیمیایی فرضیه وجود هرگونه ماده آلی سوختنی را به طور کامل رد کرد. آزمایش‌ها مشخص کردند که عامل اصلی رویداد، نوعی واکنش شیمیایی نامتعارف در کانی مارکاسیت با ساختار نانوبلوری بوده است.
سازوکار نانوبلوری مارکاسیت و واکنش حرارتی در مجاورت هوا
مارکاسیت از نظر ترکیب عنصری همانند پیریت نوعی دی‌سولفید آهن است، اما نحوه آرایش اتمی آن در علم کانی‌شناسی تفاوت بنیادین دارد. پیریت دارای سیستم بلوری مکعبی و پایدار است، در حالی که مارکاسیت شبکه‌ای راست‌لوزی دارد که از نظر علم ترمودینامیک پایداری بسیار کمتری نشان میدهد. زمانی که سیالات بسیار گرم خروجی از منافذ گرمابی با آب سرد کف اقیانوس برخورد می‌کنند، فرایند انجماد سریع رخ میدهد. این افت حرارتی شدید اجازه رشد بلورهای منظم و پایدار را نمی‌دهد و کانی‌ها در ابعاد نانومتری تشکیل می‌شوند.
ساختار نانوبلوری به این معناست که ذرات تشکیل‌دهنده سنگ دارای نسبت سطح به حجم بسیار بالایی هستند. در عمق چند هزار متری دریا، فشار هیدرواستاتیک سنگین، سرمای مداوم و غلظت ناچیز اکسیژن محلول، این ساختار ناپایدار را در شرایط تعادل نگه می‌دارد. اما هنگامی که سنگ‌ها به سطح آب کشیده می‌شوند و خردایش مکانیکی روی آن‌ها صورت می‌گیرد، شرایط دگرگون میشود. این فرآیند مساحت تماس ذرات با اکسیژن محیط را هزاران برابر گسترش میدهد و هم‌زمان اصطکاک فیزیکی، انرژی فعال‌سازی اولیه واکنش را تامین میکند.
اکسیداسیون نانوبلورهای مارکاسیت در تماس با اکسیژن هوا یک واکنش گرمازای پرسرعت است. هنگامی که این ماده خرد شود و رطوبت محافظ خود را از دست بدهد، گرمای آزادشده درون توده سنگ به دام می‌افتد. با حبس گرما، دمای داخلی به صورت تصاعدی بالا می‌رود تا جایی که کانی خودبه‌خود آتش می‌گیرد. این سازوکار رفتاری مشابه احتراق خودبه‌خودی زغال‌سنگ خردشده در انبارها دارد، اما به دلیل خلوص بالای سطوح واکنش‌پذیر در کانی‌های بستر دریا، شدت و شتاب این رویداد بسیار بیشتر و کنترل آن دشوارتر است.
بحران لجستیک دریایی و ریسک های سرمایه گذاری در معدن کاری اقیانوسی
آشکار شدن این ویژگی شیمیایی، طراحی تجهیزات فرآوری اولیه روی کشتی‌های معدنی را با چالش جدی روبه‌رو میکند. برنامه‌های عملیاتی مرسوم بر این پایه استوار بودند که سنگ‌های استخراج‌شده بلافاصله روی عرشه شناور خرد شوند تا آب آن‌ها جدا شده و بار فشرده برای حمل آماده شود. اکنون روشن شده است که اگر فرآیند خردایش و آب‌زدایی در مجاورت هوای آزاد انجام شود، انبارهای کشتی در میانه اقیانوس در معرض حریق‌های خودبه‌خودی مهیبی قرار خواهند گرفت که کنترل آن‌ها با تجهیزات متداول غیرممکن است.
مهار آتش‌سوزی‌های ناشی از کانی‌های سولفیدی با روش‌های سنتی اطفای حریق امکان‌پذیر نیست. استفاده از آب بر روی توده‌های داغ سولفیدی نه تنها حریق را مهار نمی‌کند، بلکه موجب واکنش‌های شدید، تولید بخار اسیدی و آزادسازی حجم بالایی از گاز سمی دی‌اکسید گوگرد میشود. این گاز تنفس پرسنل را مختل کرده و خطرات مرگباری به دنبال دارد، ضمن اینکه موجب خوردگی شدید سازه فلزی کشتی خواهد شد. تنها راه پیشگیری از این خطر، تجهیز تمام محفظه‌های خردایش و مخازن انبار به سامانه‌های تزریق گاز خنثی نظیر نیتروژن مایع است تا اکسیژن هوا از محیط حذف شود.
نصب و نگهداری سامانه‌های تزریق گاز خنثی و حسگرهای حرارتی پیشرفته، هزینه‌های سرمایه‌ای ساخت کشتی‌های معدنی را به شدت افزایش میدهد. تامین مداوم نیتروژن مایع در ماموریت‌های طولانی اقیانوسی نیازمند زنجیره لجستیک پیچیده و مصرف بالای سوخت است. از سوی دیگر، شرکت‌های بیمه دریایی که بدون این تهدید نیز با تردید به استخراج بستر دریا نگاه می‌کردند، اکنون ریسک حریق خودبه‌خودی بار را در محاسبات خود لحاظ خواهند کرد. افزایش هزینه‌های بیمه و الزامات ایمنی سخت‌گیرانه، توجیه اقتصادی طرح‌های بهره‌برداری از ذخایر مس و روی اقیانوس را به شدت شکننده میکند.
تفاوت اساسی میان کانسارهای زمینی و دریایی، عامل تعیین‌کننده دیگری در محاسبات مهندسی است. ذخایر سولفیدی روی خشکی طی میلیون‌ها سال در معرض هوا و عوامل فرسایشی قرار داشته‌اند و بخش‌های به شدت ناپایدار آن‌ها دچار دگرگونی شده است. در نقطه مقابل، کانی‌های بستر دریا برای نخستین بار از شرایط بدون اکسیژن خارج می‌شوند. در این میان، مناطقی مانند پشته میانی اقیانوس اطلس شمالی، پهنه‌ای که به سبب چرخه آب‌ها و مطالعات تغییرات اقلیمی اقیانوس اطلس کانون توجه قرار دارد، دارای ساختارهای زمین‌شناسی مشابهی است که می‌تواند چنین کانی‌های حساسی را در خود پنهان کرده باشد.
مرجع بین‌المللی بستر دریا تا به امروز قراردادهای اکتشافی گوناگونی را برای پشته میانی اقیانوس اطلس شمالی و پشته جنوب غربی اقیانوس هند به ثبت رسانده است، گرچه هنوز استخراج تجاری در هیچ‌یک از این پهنه‌ها آغاز نشده است. مذاکرات حقوقی در این سازمان برای تصویب مقررات بهره‌برداری سال‌هاست به دلیل مخالفت‌های محیط‌زیستی به بن‌بست رسیده است. شناسایی ریسک اشتعال خودبه‌خودی سنگ‌ها، ابعاد جدیدی به این مناقشات می‌افزاید، چرا که هرگونه مهار ناقص آتش یا فرسایش کانی‌های داغ می‌تواند اسید و فلزات سنگین را وارد ستون‌های آب سطحی کند و زنجیره غذایی دریا را به خطر اندازد.
در حال حاضر ابهامات فراوانی درباره میزان فراوانی مارکاسیت نانوبلوری در سایر چاه‌های گرمابی جهان وجود دارد. دانشمندان هنوز نمی‌دانند آیا این رفتار خطرناک تنها به ناودیس اسکانابا وابسته است یا به عنوان ویژگی مشترک در دیگر منابع سولفیدی عمیق نیز مشاهده خواهد شد. علاوه بر این، تعیین دقیق مرزهای بحرانی رطوبت، دما و دانه بندی ذرات برای مهار واکنش اکسیداسیون نیازمند آزمایش‌های میدانی گسترده است. مشخص شدن این پارامترها نشان خواهد داد که آیا صنایع معدنی می‌توانند فناوری‌های مهار حرارت را با هزینه‌ای منطقی توسعه دهند یا پدیده اشتعال در آزمایشگاه، رویای استخراج ثروت از بستر اقیانوس‌ها را برای سال‌ها متوقف خواهد کرد.
