Deniz dibinden gelen iki kaya laboratuvarda kendiliğinden tutuştu

USGS'in duyurusunda bulgu, deniz tabanı masif sülfit yataklarının madenciliği ilerlerse özel olarak değerlendirilmeyi hak eden olası bir tehlike diye tanımlanıyor. Makalenin kendi ifadesi daha açık: ekzotermik tepkimelerle ısı üretimi bu yataklarda bugüne kadar hiç incelenmemişti ve gemilerde hızla başlayan tutuşmalara yol açma potansiyeli taşıyor.

Kaya nereden geldi

Escanaba Çukuru, Kaliforniya'nın kuzey kıyılarından yaklaşık 200 deniz mili açıkta, Gorda Sırtı'nın güney ucunda yer alan bir yayılma ekseni. Burada deniz tabanı iki yana açılıyor, derinde ısınan deniz suyu kayaçtan metal çözüp yukarı dönüyor ve soğuk, oksijenli suyla buluştuğu anda çözdüğü metalleri sülfür mineralleri halinde çökeltiyor. Zaman içinde bakır, çinko ve demir bakımından zengin bacalar ve yığınlar birikiyor. Jeologlar bunlara deniz tabanı masif sülfit yatağı diyor; İngilizce kısaltması SMS.

NOAA Okyanus Keşfi'nin sefer kayıtlarına göre 26 Mayıs - 14 Haziran 2022 arasında USGS, Okyanus Enerji Yönetimi Bürosu (BOEM) ve NOAA ortaklığında yürütülen çalışma, Thomas G. Thompson araştırma gemisinden Woods Hole Oşinografi Kurumu'nun uzaktan kumandalı aracı Jason ile 11 dalış yaptı; en derin noktada 3.300 metreye inildi. Demir sülfür bakımından zengin kayalar daha ilk dalışta, 3.300 metrede görüldü.

Bu bacaların çevresinde biriken malzeme, karada işletilen bakır yataklarının deniz tabanındaki taze hali sayılıyor. Ekonomik ilgi de buradan doğuyor: tonaj sınırlı ama tenör yüksek.

Oksijenin olmadığı yerde kurulan düzen, oksijenle bozuluyor

Sülfür mineralleri deniz tabanında kararlıdır, çünkü orada serbest oksijen neredeyse yok, sıcaklık düşük, basınç yüksek. Bu minerallerin oksijenle tepkimesi ise ısı verir; kimyada buna ekzotermik denir. Karada madencilerin yüz yıldır bildiği asit maden drenajı da aynı tepkimenin yavaş halidir: pirit havayla ve suyla buluşunca demir, sülfat ve asit açığa çıkar, bu sırada ısı salar.

USGS ekibinin termodinamik hesapları tam bu noktada bir ayrım yapıyor. Sülfür mineralinin yükseltgenmesi, yükseltgeyici madde oksijen olduğunda, yani deniz suyunda ya da havada olduğu gibi, çözünmüş demir iyonlarının yükseltgeyici olduğu duruma göre daha fazla ısı veriyor. Yani cevheri yüzeye çıkarmak, aynı tepkimenin en çok ısı veren biçimine kapı açmak anlamına geliyor.

Isınmanın denetimden çıkması için bir kısır döngü yeter. Gözenekli bir kaya ya da öğütülmüş toz yığını ısıyı iyi iletmez; üretilen ısı dışarı atılamazsa sıcaklık yükselir, sıcaklık yükseldikçe tepkime hızlanır, hızlanan tepkime daha çok ısı üretir. Kendiliğinden ısınma literatüründe buna ısıl kaçış denir ve sonunda malzeme alev alır. Öğütme bu döngüyü iki yönden kolaylaştırıyor: bir yandan hiç oksitlenmemiş taze yüzeyler açıyor, bir yandan da kırılma anında mekanik enerjiyi doğrudan tepkimeye veriyor.

Neden 57 örnekten yalnızca ikisi

Çalışmanın en ilginç yanı burada. Tutuşan iki kaya ağırlıklı olarak nanokristalli markasitten oluşuyordu. Markasit, pirit ile aynı kimyasal formülü taşır, yani demir disülfürdür, ama kristal dizilimi farklıdır ve pirit kadar kararlı değildir. Nanokristalli olması, kristallerin nanometre ölçeğinde minik olduğu, dolayısıyla aynı kütlede çok daha fazla yüzey bulunduğu anlamına gelir. Tepkime yüzeyde yürür; yüzey arttıkça hız artar.

Dahası bu markasit, daha önce orada bulunan başka bir mineralin, pirotinin bıçak biçimli kristallerinin yerini almış ama onların şeklini korumuş. Mineralojide buna psödomorf deniyor: içerik değişmiş, kalıp aynı kalmış. Ortaya çıkan doku ince, yaprak yaprak ve gözenekli; yani oksijenin içine kadar girebileceği bir yapı. Makalenin vurgusu şu: tutuşan iki örnek de ikincil, yani sonradan dönüşmüş minerallerden oluşuyordu ve bu ikincil mineraller ilk oluşan minerallerden daha kararsız çıktı.

Aşağıdaki sayılar USGS öncülüğündeki Scientific Reports makalesinden ve seferin NOAA Okyanus Keşfi kayıtlarından derlendi.

Karadaki madencilik bunu biliyor, ama aynı şey değil

Sülfür cevherinin kendiliğinden ısınması denizcilikte ve madencilikte tanınan bir sorundur. Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün dökme katı yük kurallarında, kısaca IMSBC Kodu'nda, kendiliğinden ısınan metal sülfür konsantreleri ayrı bir yük başlığıdır; bu yükler oksitlenmeye yatkın kabul edilir, ambardaki oksijeni tüketir ve taşınırken nem oranı, tane boyutu, havalandırma gibi kalemlerde özel önlem gerektirir.

USGS'in duyurusu tam bu noktada uyarıyor: karadaki yataklar için geliştirilmiş yaklaşımlar deniz dibi malzemesine doğrudan uygulanamayabilir. Çünkü SMS cevheri hazırlanmış bir konsantre değil, taze kaya; ve yüzeye çıktığı anda oksijenle, farklı sıcaklıkla, farklı basınçla ve nemle bir arada karşılaşıyor. Makalenin ifadesiyle, modern okyanuslardaki SMS yataklarının mineralojisi, dokusu ve bulunduğu ortam, eski kara benzerleriyle karşılaştırıldığında kendiliğinden ısınma potansiyelinin daha yüksek olduğunu düşündürüyor.

O eski kara benzerleri bizim de yakından tanıdığımız yataklar. Türkiye'de Kastamonu'nun Küre yöresindeki bakır yatakları, bir zamanlar deniz tabanında aynı biçimde oluşmuş volkanojenik masif sülfit yataklarıdır. Maden Tetkik ve Arama Dergisi'nde yayımlanan Küre incelemesine göre cevherdeki baskın mineral pirit; yanında kalkopirit, sfalerit, bornit ve markasit de bulunuyor ve markasit özellikle masif cevherle disemine cevher arasındaki geçiş zonlarında ince lameller halinde toplanmış. Aradaki fark dokuda ve geçmişte: Küre'nin cevheri jeolojik zaman boyunca gömülü kalıp dönüşmüş, deniz tabanındaki yataklar ise taze ve ince taneli.

Bulgunun sınırı

Çalışma, bütün deniz tabanı sülfit yataklarının kendiliğinden tutuşacağını söylemiyor. USGS'in kendi duyurusu bunu açıkça belirtiyor: bulgu, Escanaba Çukuru'ndan alınmış belirli örneklerin davranışını tanımlıyor, tehlikenin boyutu yataktan yatağa değişir. Aynı seferde toplanan diğer 55 örnek öğütme sırasında böyle davranmadı.

İkinci sınır şu: olay, bir laboratuvar işleminin, yani dondurarak kurutma ve öğütmenin ardından gerçekleşti. Gemi ambarında ya da bir cevher yığınında koşullar farklıdır; nem, hava akımı, yığın boyutu ve tane dağılımı sonucu değiştirir. Ekip, tutuşan ve tutuşmayan örnekleri termogravimetrik analizle, yani örneği denetimli biçimde ısıtıp kütle değişimini ölçerek karşılaştırdı. Bu yöntem minerallerin ne zaman tepkimeye girdiğini gösterir; gerçek ölçekte ne olacağını değil.

Deniz dibi madenciliği bugün büyük ölçüde izin ve kural tartışmasının içinde. Bu çalışma tartışmaya teknik bir soru ekliyor: bir yatak işletmeye açılmadan önce o yatağın cevheri havayla buluştuğunda ne yapıyor ve bunu kim ölçecek? İki örneğin davranışı en azından nereye bakılacağını söylüyor, yani pirotinden dönüşmüş nanokristalli markasite. Sırada bu ipucunun hızlı bir tarama ölçütüne dönüşüp dönüşmeyeceği var: yüzeye çıkan bir kayanın öğütülmeden önce bu ısınır mı sorusuna cevap verebilecek saha testi henüz yok.

Fotoğraf: James St. John, CC BY 2.0, Wikimedia Commons