Comment se forment les nodules polymétalliques de manganèse ?

Océanographie - Géologie - Ressources minérales Voir descriptif détaillé

Comment se forment les nodules polymétalliques de manganèse ?

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Etat de l’art

Les nodules polymétalliques de manganèse sont des concrétions rocheuses déposées sur le plancher marin et composées de couches concentriques d’hydroxydes de fer Fe(OH)2 et de manganèse Mn(OH)2 autour d’un noyau minéral. Ce noyau, parfois microscopique, peut lui aussi être complètement transformé en minéraux manganésifères par cristallisation. Il peut être d’origine diverse et être constitué d’un fragment de magma, un débris de coquille, une dent de requin, voire un reste d’un ancien nodule.

Nodule de manganèse.Wikipédia.

L’épaisseur et la régularité des couches concentriques reflètent les phases successives de croissance. Sur certains nodules, ces phases sont discontinues et présentent des différences importantes d’un côté à l’autre. De tailles variables, les nodules peuvent être très petits et visibles seulement au microscope ou former de très grosses masses sphériques de plus de 20 centimètres. Toutefois, la plupart des nodules mesurent entre 5 et 10 centimètres de diamètre et ont en moyenne la grosseur d’une pomme de terre. Leur surface est généralement lisse, parfois rugueuse, mamelonnée (globuleuse) ou irrégulière. La partie inférieure, enfouie dans les sédiments, est généralement moins lisse que la partie supérieure. Du fait de leur teneur en éléments économiques, les nodules sont recherchés là où leur exploitation est rentable.

Nodules sur le fond marin. Wikipédia.

Répartition géographique

Les nodules polymétalliques ont été découverts à la fin du XIXe siècle dans la mer de Kara, dans l’océan Arctique, au large des côtes sibériennes (1868). Par la suite, l’expédition scientifique du H.M.S Challenger (1872-1876) a permis de constater qu’on en trouvait dans la plupart des océans du globe et aujourd’hui, des nodules ont même été trouvés dans certains lacs. Les nodules reposent sur le fond (plancher sédimentaire), le plus souvent à demi enterrés. Certains sont complètement recouverts par les sédiments et il est arrivé que des nodules soient remontés alors qu’ils étaient invisibles sur les photographies.

Leur abondance est extrêmement variable. Ils peuvent couvrir plus de 70 % du fond et sont alors contigus. On estime toutefois que, pour présenter un intérêt économique, leur abondance doit être supérieure à 10 kilogrammes par mètre carré, de 15 kilogrammes par mètre carré en moyenne dans les zones de plusieurs dizaines de kilomètres carrés. On en trouve à toutes les profondeurs, mais les plus fortes concentrations ont été repérées entre 4 000 et 6 000 mètres.

Répartition mondiale des nodules polymétalliques. ddc.arte.tv

L’emplacement de ceux qui présentent un intérêt économique est connu. Trois régions ont été choisies pour la prospection industrielle : le centre du Pacifique
nord-central, le bassin du Pérou dans le Pacifique sud-est et le centre de l’océan Indien nord. Dans ces régions, le fond marin se trouve à une profondeur de 4 à 5 km. Les champs exploitables peuvent être visualisés grâce à une simulation géostatistique établie à partir de la photographie en continu du fond. Dans les zones les plus favorables, ils mesureraient de 1 à 5 kilomètres de large sur 10 à 18 kilomètres de long et seraient orientés au nord. Ils pourraient couvrir 35 % du fond et contenir 15 kilogrammes de nodules par mètre carré.

Composition chimique

La composition chimique des nodules varie selon le type de minéraux manganésifères et selon l’importance et la nature du noyau. Les analyses chimiques des nodules ayant un intérêt économique montrent qu’ils sont constitués de différents éléments chimiques, dont les principaux sont :

  • manganèse (29,40 %) ;
  • fer (6,00 %) ;
  • nickel (1,34 %) ;
  • cuivre (1,25 %) ;
  • cobalt (0,25 %) ;
  • titane (0,60 %) ;
  • aluminium (2,90 %)
    et sodium, magnésium, silice, zinc, oxygène et hydrogène (32,16 %).

Mécanisme de formation

La genèse des nodules est encore loin d’être résolue et demeure un sujet de débat. Enrico Bonatti (1986) a proposé quatre explications sur leur origine :

  • « hydrogénétique » : lente précipitation des éléments métalliques à partir de l’eau de mer, conduisant à des concrétions (masses de matière rocheuses) ayant des teneurs équivalentes en Fe et Mn et une teneur relativement forte en Ni+Cu+Co,
  • « hydrothermale », réaction des eaux chaudes acides et riches en métaux avec les eaux froides océaniques donnant des concrétions généralement riches en fer, pauvre en Mn et (Ni+Cu+Co),
  • « diagénétique », remobilisation et précipitation du manganèse à l’interface eau-sédiment ce qui donne des nodules riches en Mn et pauvres en Fe et (Ni+Cu+Co),
  • « halmyrolitique », décomposition par l’eau de mer des débris basaltiques source des constituants métalliques.
Section transversale d’un nodule polymétallique. Source : International Seabed Authority.

Ces théories dites « minérales » sont en opposition à celles dites « biologiques » de Graham et Cooper (1959) pour qui les débris d’organismes seraient responsables des enrichissements en Cu et Ni. Malgré l’incertitude au sujet de ces théories, il semble cependant que plusieurs processus soient indispensables à la genèse des nodules :

  • le faible taux de sédimentation laisse aux concrétions ferro-manganèsifères la possibilité de croître avant que leur enfouissement ne les séparent des conditions favorables à leurs développement,
  • les hydroxydes métalliques en provenance de la matière vivante contiennent du cuivre et du nickel pouvant être incorporés aux concrétions manganèsifères,
  • le manganèse semble provenir de l’érosion des basaltes et essentiellement des phénomènes hydrothermaux observés le long des rides médio-océaniques (zone d’écartement des plaques tectoniques),
  • la précipitation est favorisée par l’activité biologique de certains micro-organismes.

A raison de 1 à 5 millimètres de dépôt par million d’années, les nodules peuvent dépassent facilement les 10 million d’années d’ancienneté mais l’âge des nodules de l’océan Pacifique central est de l’ordre de 2 à 3 millions d’années.
Il existe des cas connus de formations très rapides de dépôt de ferro-manganèse autour d’épaves de navires Goldberg (1958) ou de bougies de moteurs Andrews (1972). Un formation rapide de ces dépôts modifie les schémas sur leur l’origine car, si les nodules se forment lentement, les origines « hydrogénétique » ou bien« diagénétique » peuvent être retenues. Si par contre, ils se forment rapidement, une source de métaux autre que l’eau de mer est nécessaire et dans ce cas, les origines « hydrothermale » ou encore « halmyrolitique » sont favorisées.

Perspectives

Les connaissances acquissent jusqu’à présent permettent de classer les nodules polymétalliques parmi les minerais d’intérêt économique méritant une attention particulière de la part des sociétés minières. En 2015, une équipe de chercheurs de l’université de Hambourg et du Helmholtz Centre for Ocean Research à Kiel est allée prélever des organismes des fonds abyssaux mais au lieu de cela, les océanographes et biologistes du vaisseau de recherche allemand SONNE ont remonté des nodules de manganèse de la taille de boules de billard. Ils ont ainsi découvert par hasard le plus grand champ de “nodules polymétalliques” de l’océan Atlantique, dont l’étendue totale est encore inconnue.

Un des nodules où l’on voit les stries des dépôts (Ph. Thomas Walter)

Cette découverte constitue une mine d’informations sur le climat et les événements océaniques depuis plus de 10 millions d’années. En effet, les scientifiques insistent sur l’intérêt de préserver et étudier ces formations dont les stries à croissance très lente servent d’archives climatiques, à l’instar des carottes de glace extraites des pôles. L’exploration sous-marine future de cette région du monde devrait aider à élucider leur mécanisme de mise en place tout comme elle permettra sans doute d’envisager leur exploitation minière.

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