מנגנון ההיווצרות, המקובל כיום, של נודולות המנגן הוא מנגנון השקעה כימי, לפיו, על פני שטח מסוים (שמתפקד כאתר התגרענות) מתרחשת תגובת חמצון של קטיוני מנגן (Mn+2) וברזל (Fe+3) על ידי חמצן שמומס בים (O2) יחד עם אניון ההידרוקסיד (-OH). התוצרים מתגובה זו (MnO2, FeO(OH)) הם קשי תמס, ועל כן נשארים משוקעים ומוצמדים למשטח. תהליך זה ממשיך ללא הרף, אך בקצבים נמוכים של סנטימטרים למיליוני שנים. קצב ההיווצרות הממוצע הוא 1.9 מילימטר במיליון שנה, וטווח הגילאים הממוצע לנודולה הוא בין 10 ל-150 מיליון שנה.
ההשקעה של המינרלים, עשויה להתרחש ישירות ממי הים על פני השטח החשופים של הנודולה (הידרוגנזה), או מאינטראקציה של מי הים עם הנודולה דרך הסדימנט (דיאוגנזה).
תהליכי ההשקעה דרך הסדימנט (דיאוגנזה) מהירים בהרבה מתהליכי ההשקעה הישירים ממי הים, על כן, החלקים של הנודולה שטמונים בתוך הבוץ האוקייני, מתפתחים מהר יותר, ולכן לנודולות מבנה דמוי אגס (או ביצה), הכולל חלק רחב (זה שהיה טמון בקרקעית), וחלק צר יותר (שהיה חשוף למי הים).
אזורים עם פעילות וולקנית הכוללים נביעות הידרותרמיות מהווים מקור גדול וחשוב מאוד לאספקתם של היסודות המתכתיים שבונים את נודולות המנגן. עם זאת, המים היוצאים מהנביעות אינם אידיאלים להתפתחות של נודולות בגלל הטמפרטורה הגבוהה והחומציות הגבוהה, אך מתאימים בגלל תכולת מתכות. זרמים ימיים יכולים להוביל חלק מהמומסים האלה לאתר מרוחק יותר שבו הם יושקעו ליצירת נודולות.
אספקת היסודות לנודולה.
שני מקורות עיקריים לאספקת היסודות הבונים את הנודולות, האחד, תשטיפים של בלית מהיבשה, בעיקר דרך הנהרות הנשפכים לאוקיינוסים, מקווי החוף ומאינטראקציות של הים עם היבשה דרך מי התהום.
והשני, דרך מקורות תת-ימיים, כגון, נביעות הידרותרמיות.
הנודולות, לכן מתפתחות במלכודות ימיות, כלומר, אזורים של שקעים טופוגרפיים הממוקמים בין שני מקורות האספקה הגדולים של היסודות הבונים אותן (בין אדן היבשות, ובין אזורי פתיחה אוקייניים המכילים לרוב נביעות הידרותרמיות).
ההרכב הכימי.
היחסים האחוזיים בין היסודות השונים המרכיבים את נודולות המנגן משתנים מאוד בין האוקיינוסים השונים ואף בתוך אזורים שונים באותו אוקיינוס. כמו כן, לעומק בו מתפתחת הנודולה יש השפעה מכרעת על ההרכב המינרלוגי שלה.
נודולות המנגן בנויות בעיקר מתחמוצות מנגן וברזל ממוימות (הידראטים). מצב הערכיות העיקרי של קטיוני המנגן והברזל במינרלים הוא 2+. לעיתים קרובות מוחלפים אטומי המנגן והברזל באטומים של מתכות אחרות (על פי סדר שכיחות יורד – מבוסס על ממוצע עולמי): אלומיניום (Al), סידן (Ca), נתרן (Na), מגנזיום (Mg), אשלגן (K), טיטניום (Ti), ניקל (Ni), נחושת (Cu), קובלט (Co), בריום (Ba), אבץ (Zn), עופרת (Pb) וסטרונציום (Sr). לעיתים רחוקות יותר הן מוחלפים באטומים של מתכות נדירות (על פי סדר שכיחות יורד – מבוסס על ממוצע עולמי): ציריום (Ce: 510 ppm), ניאודימיום (Nd: 152 ppm), לנתן (La: 108 ppm), סמריום (Sm: 36 ppm), גדוליניום (Gd: 35 ppm), דיספרוסיום (Dy: 31.5 ppm), תוריום (Th: 25 ppm), ארביום (Er: 16.8 ppm), איטרביום (Yb: 15.3 ppm), אירופיום (Eu: 8.4 ppm), אוסמיום (Os: 1.4 ppm), ובריכוזים נמוכים ביותר גם אירידיום (Ir: 10 ppb), פלדיום (Pd: 6 ppb) וזהב (Au: 3 ppb.
ההשתנות היחסית של הרכב היסודות בנודולה קשורה בעיקר לשני גורמים:
נודולות שמתפתחות באזורים עם פעילות וולקנית ענפה, המלווה בפליטות גדולות של מתכות מומסות, יכילו כמויות גדולות של מתכות אלו. התהליך מתחיל בחלחול של מי ים דרך מערכות סידוק בקרקעית. המים באים במגע עם סלעים חמים מאוד או מגמה, הם מצליחים להמיס לתוכן מתכות ולהעלותן חזרה אל פני השטח, תוך העשרה מקומית של מי הים בריכוזים גדולים מאוד של מתכות.
שני המינרלים העיקריים בנודולות המנגן הם תחמוצת מנגן (בתצורה של MnO2), ותחמוצת ברזל (בתצורה של FeOOH). בעת ההשקעה של מינרלים אלו, נוצרת על גביהן מטען חשמלי שמאוזן בכל העת עם יונים המומסים במי הים. תחמוצות המנגן מפתחות סביבן מטען שלילי, בעוד שתחמוצות הברזל מפתחות סביבן מטען חיובי. תופעה זו מספקת הסבר להבדלים בהרכב היסודות המתכתיים הבונים את הנודלות. נודולות שמתפתחות בסביבה העשירה בברזל יספחו אליהן מתכות בעלות מטען שלילי, והדבר אפשרי, כיוון שבמי הים, חלק מהמתכות נמצאות כקומפלקסים שלהן מטען מצטבר שלילי, כדוגמת אורניום (המופיע במי הים כ- (UO2(CO3)2-2, מוליבדן (MoO4-2), תוריום (Th(OH)4), טלור (-H5TeO6), הפניום (-Hf(OH)5) ועופרת (Pb(CO3)2-2), בעוד שלנודולות המתפתחות בסביבה העשירה במנגן יש העדפה גבוהה יותר לספיחת מתכות עם מטען חיובי, כדוגמת: נחושת (שנמצאת במי הים כיון Cu+2), קובלט (Co+2), ניקל (Ni+2), טיטניום (Ti+2), בריום (Ba+2) ואבץ (Zn+2). כלומר, ככל שתכולת המנגן גבוהה יותר, אזי נצפה למצוא ריכוזים גבוהים יותר של קובלט, נחושת וניקל, ולהפך, כשריכוז הברזל בנודולה גדול יותר.
שיטות תארוך.
תארוך של משקעים ימיים, ובפרט תארוך של נודולות המנגן אינו פשוט כלל, הדבר נובע מקושי במציאת שיטת תארוך מתאימה, שכן לכל שיטה, יתרונות יחסיים, אך היא מביאה עמה בעיות הקשורות לנוחות יישום, אמינות, וטווח השגיאה, וכן את ההנחות הנדרשות לביצוע.
תיארוכים רדיומטרים משמשים מזה כמה עשורים לקביעה של גיל היצירה של נודולות המנגן ולקביעת קצבי גדילה של נודולות, זו מחושבת מתוך תארוך של כל שכבה בנפרד והשוואה ביניהן.
שיטות רדיומטריות נפוצות לתארוך נודולות:
שיטות לא רדיוגניות:
השיטה המבוססת על בריליום היא ככל הנראה המוצלחת ביותר.
תיארוך בשיטת בריליום 10
קרינה קוסמית שמגיעה אל כדור הארץ מהחלל ומגיבה (גרעינית) עם גזי חמצן וחנקן באטמוספירה ליצירה של כמויות זעירות ביותר של איזוטופ הבריליום 10 היציב, שזמן מחצית החיים שלו הוא כ-1.4 מיליון שנה. בריליום 10 מתפרק לאיזוטופ היציב בורן 10, בהתפרקות בטא.
הבריליום נשטף לים באמצעות משקעים ישירים או באמצעות הסעה מהיבשה על ידי נהרות. הבריליום יוצר תרכובת בעיקר עם חמצן, סיליקה ויוני הידרוקסיד. מ-PH נמוך מ-5.5 הבריליום מתמוסס היטב (לכן גשם חומצי במעט מסוגל לשטוף היטב את הבריליום אל הים), ברגע שהבריליום מגיע לסביבה הימית הבסיסית, הוא שוקע. בתוך זמן קצר מאוד של פחות מ-300 שנה מרגע כניסת הבריליום לים, ניתן למצוא אותו ספוח לחרסיות של קרקעית הים העמוק או למשקעים ימיים אחרים לרבות נודולות המנגן.
קביעת קצב הגידול של נודולת המנגן בשיטת בריליום 10, מבוססת על מדידת ריכוזים של בריליום 10 כפונקציה של העומק, ויצירת גרף לוגריתמי של אקטיביות בריליום כפונקציה של העומק (של השכבה בנודולה). השיפוע מבטא את היחס בין קבוע ההתפרקות של בריליום 10 (4.62 × 10-7 year–1) לקצב הגדילה במ"מ לשנה.
איתור ומיפוי.
משנות ה-30 של המאה ה-20 הוחל במיפוי שיטתי מודרני של קרקעית הים. כבר אז הופקו מפות טופוגרפיות של קרקעית הים אולם היכולות לזהות בבירור מיקרו-מאפיינים טופוגרפיים של קרקעית הים היה בלתי אפשרי עד לסוף שנות ה-70, אז נעשה שימוש לראשונה בגלאים רב אלומתיים מבוססי סונאר (Multibeam Echo Sounders), חיישנים אלה מסוגלים לייצר מפה בתימטרית ברזולוציה גבוהה במיוחד. היא מבוססת על פליטה של שידורי סונאר בצורה של מניפה (מגוף הספינה). גלי הקול נעים במהירות של 1500 מטרים בשנייה (עבור הטווח המימי). כשהם פוגעים בקרקעית הם מוחזרים ממנה אל עבר הגלאי שמסוגל לחשב את זווית ההחזרה וזמן ההחזרה (ומתוך כך את המיקום המדויק של העצם מהגלאי). גלאים מסוג זה מסוגלים לסרוק רצועה ברוחב של 20 קילומטרים בעומק של 4 קילומטרים.
כיום השימוש בטכנולוגיות מיפוי בטימטרי מבוססות סונאר עודנו קיים כשהוא עבר סידרה של שיפורים עם השנים. השיפור העיקרי קשור לאופן הצגת המידע על המחשב שבספינה. המכשור כיום מאפשר הצגה של תוצרי מיפוי בזמן אמת, כמו כן, עם שילוב של איכון מבוסס לוויין (GPS) ניתן להפיק מפות מדויקות להפליא. טכנולוגיות המיפוי החדישות ביותר כוללות שימוש ברובוט ימי שעליו מותקנות מצלמות ומערכות סונאר. הרובוט מסוגל לבצע מיפוי עצמאי של השטח תוך שידור של הנתונים אל ספינת האם ובנוסף יש ביכולתו לבצע דגימות עצמאיות של קרקעית הים. הרובוט מסוגל לשאת עמו כמה קילוגרמים של נודולות, ולהעלותן לפני השטח.
פריסה עולמית ופוטנציאל כלכלי.
הפריסה העולמית של נודולות המנגן היא כאמור מאוד רחבה. נודולות המנגן נמצאות למעשה בכול גופי המים, וכמעט בכל סביבות ההשקעה הימיות.
סוגי הסביבות בהן היתכנות למציאת נודולת המנגן היא הגבוהה ביותר: רכסים ורמות תת-ימיים, בסמיכות לאזורי פתיחה, בגופי מים פנים-יבשתיים היושבים על קווי מפגש טקטוניים, בסמיכות למתלולים תת-ימיים חריפים, ועל פני קרקעית הים העמוק, בעומקים של 2 עד 6 ק"מ.
מבין האוקיינוסים השונים, האוקיינוס השקט מכיל באופן יחסית את הריכוזים הגדולים ביותר של נודולות המנגן.
נודולות המנגן הן תופעה בקנה מידה יוצא דופן בפריסה העולמית שלה ובחשיבות הכלכלית שלה כמחצב למתכות.
הערכות מדעיות ראשונות שנעשו, אודות הכמות הכללית של נודולות המנגן על פני כול האוקיינוסים, היא בסדר גודל של כ-1.5 טריליון טונות. בשנת 1981, צומצמה ההערכה לכדי 500 מיליארד טונות.