Abb. 1 : Brennendes Eis.
Gashydratbrocken
an Bord eines Forschungsschiffes kurz
nach ihrer Bergung vom Meeresboden.
Die Gashydrate
werden instabil und zerfallen in Wasser
und Methan.
Das frei werdende Methan entweicht
und verbrennt mit konstanter Flamme,
wenn es entzündet wird.
Barbara Teichert und Marcus Elvert
vom GEOMARForschungszentrum
beobachten das mit Spannung.
Foto: GEOMAR
Bilder aus einer Broschüre von
Geomar zum
Jahr der Geowissenschaften (2oo2)
und aus http://www.ifm-geomar.de/
Hinweis:
Ein großer Teil der folgenden Bilder sind aus einem Aufsatz von Erwin Suess und Gerhard Bohrmann,
der innerhalb eines sehr empfehlenswerten (und preiswerten) Buches erschienen ist:
Herausgeber:
Prof. Dr. Gerold Wefer, Direktor des Marum - Zentrum für marine
Umweltwissenschaften an der Universität Bremen.
expedition Erde
Wissenswertes und Spannendes aus
den Geowissenschaften".
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geowissenschaftlichen Themen und kann für einen Kostenbeitrag von 5 Euro + Verpackung
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Bildschirm oder z.T. auch als PDF unter
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0. Das Phänomen: CH4 – Gashydrat
1. Struktur und Stabilität von Gashydraten
2. Vorkommen von Gashydraten (in Meeressedimenten und Permafrostböden)
3. Nachweis von Gashydraten (Seismischer Nachweis )
4. (erhofftes) Energiepotenzial (gigantisch !!)
5. Submarine Hangstabilität
(be careful : Tsunamis)
0.
Das Phänomen: CH4 – Gashydrat
Abb. 9: Frische Bruchfläche einer etwa 10 cm dicken Gashydratlage
unmittelbar nach der Bergung vom Meeresboden.
Gashydratprobe vom
Meeresboden.
Abb.8 Rechts:
Gashydratprobe vom Meeresboden.
Das Bild zeigt ein
senkrecht zur Schichtung durchsägtes
Handstück
mit unterschiedlich dicken Lagen von
weißem Gashydrat
in dunklem Sediment.
Das Sedimentgefüge wurde durch die
Gashydratbildung völlig verändert.
Foto: GEOMAR
Schmelzender
Methanhydratbrocken
Während das bei der Zersetzung
frei werdende Methan
eine konstante Flamme speist
("Brennendes Eis"), ……
.
…tropft das frei werdende Wasser ab.
Quelle: http://www.ifm-geomar.de
Veranschaulichung:
Abb. 7: Vergleich von einer Volumeneinheit (1 m3) Methanhydrat und dem darin
gespeicherten 164-fachen Volumen an Methangas.
1.
Struktur und Stabilität von Gashydraten
Gashydratstruktur
(hier Struktur I)
. Abb. aus Suess et al., 1999.
Abb. 2: Die Gashydratstruktur (hier Struktur I) besteht aus Wasserkäfigen, die
Gasmoleküle einschließen.
Die Wassermoleküle bilden in charakteristischer Weise die Eckpunkte der Käfige in
denen je ein
Gasmolekül (Methan, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff oder andere Gase) Platz findet.
In der Natur
treten mehrere Käfigtypen mit unterschiedlichen Volumina auf, so dass unterschiedliche
Gasmoleküle
eingebaut werden und zur Stabilisierung der Gashydratstruktur beitragen. Abb. aus Suess
et al., 1999.
Drei unterschiedliche Kristallstrukturen von Gashydraten
Struktur S-I : Elementarzelle besteht aus 8 Käfigen , die 2 Käfigtypen abgehören
häufigste Struktur
Käfig kann Gasmoleküle mit Durchmesser bis zum Propan-Molekül aufnehmen
z.B. CH4, aber auch CO2 oder H2S
3 Clathrat- Strukturen
Struktur S-II :
Elementarzelle enthält 24 Käfige ,
16 Käfige gehören zu einem kleinen und
und 8 zu einem großen Käfigtyp.
Struktur S-H :
Elementarzelle enthält 6 Käfige , aus 3 Typen,
darunter auch ein besonders großer Käfigtyp,
der sich auch für große Gasmoleküle
(z.B. Methylcyclhexan) eignet.
5 Käfigtypen: Polyeder aus H2O Pentagons (5) und Hexagons(6)
Quelle: http://www.ifm-geomar.de
Stabilitätsverhalten
und Vorkommen
von Methanhydrat
im Ozean
in Abhängigkeit von
Druck
und Temperatur.
Abb. aus Suess et al., 1999.
Abb. 3: Stabilitätsverhalten und Vorkommen von Methanhydrat im Ozean
in Abhängigkeit von Druck und Temperatur.
In dem Stabilitätsdiagramm ist der Druck bereits in eine Tiefenfunktion, Meter unterhalb der
Meeresoberfläche, umgewandelt.
Die blaue Kurve zeigt die Phasengrenze für reines Methanhydrat und
trennt das Stabilitätsfeld des Hydrat von dem des Methangases.
Für das Vorkommen von Gashydrat ist der Temperaturverlauf mit der Tiefe (rote Linie)
von Bedeutung.
Im dargestellten Beispiel aus dem Nordostpazifik
beginnt die Hydrat-Stabilitäts-Zone in 480 m Wassertiefe und
endet bei ca. 940 m Tiefe im Sediment.
Abb. aus Suess et al., 1999.
2.
Vorkommen von Gashydraten
in Meeressedimenten und Permafrostböden
Weltweite Verbreitung der Gashydratvorkommen: Funde
: Dauerfrostböden an Land (grüne Punkte) und entlang der Kontinentalränder im Ozean
Abb. aus Suess et al., 1999.
Abb. 4: Weltweite Verbreitung der Gashydratvorkommen
im Bereich der Dauerfrostböden an Land (grüne Punkte)
und entlang der Kontinentalränder im Ozean.
Die überwiegende Zahl der Vorkommen im marinen Bereich wurden mit geophysikalischen
Methoden nachgewiesen (rote Punkte),
während Gashydratfunde am Meeresboden und direkte Beprobungen durch Bohrungen
(blaue Punkte) seltener sind.
Abb. aus Suess et al., 1999.
Stabilitätsbereich im Meeressediment bei Meerestiefen von 100m, 400m, 1000m
Bohrung ins Meeressediment
Tiefe der Oberfläche
des Meeresboden
Im Meeresboden wird es mit
der Tiefe wärmer,
z.B.:
3°/100m
Quelle: http://www.ifm-geomar.de
Stabilitätsbereich in Permafrostböden bei verschiedener unterer Permafrostgrenze (=Basis)
Temperaturgradient
in Gebieten mit Permafost:
Permafrost
Temperaturgradient im gefrorenen Boden
:
z.B. nur 1.3°C/100m
aufgetaut
Darunter, unterhalb der PermafrostBasis,
also im schon wieder aufgetauten Bereich,
ist der geothermische Temperaturgradient
größer
z.B. bereits
2°C/100m
Unterhalb der PermafrostBasis
ist der Boden aufgetaut
UrQuelle: http://www.ifm-geomar.de
3.
Nachweis von Gashydraten
Seismischer Nachweis
Der Boden-simulierende Reflektor (BSR) zeigt die Untergrenze der Hydratstabilität an:
Abb. 5: Seismische Aufzeichnung gashydratführender Sedimentschichten am
Beispiel des Hydratrückens vor Oregon (rechts). Der Boden-simulierende
Reflektor (BSR) zeigt die Untergrenze der Hydratstabilität an, wobei seine
unterschiedlich starke Ausbildung von der Menge an freiem Gas unterhalb
des BSR abhängig ist. Das Modell der seismischen Geschwindigkeit (links)
zeigt den starken Kontrast der Schallgeschwindigkeiten im Bereich des BSRs
(aus Bohrmann et al., 2001).
4.
(erhofftes) Energiepotenzial
„gigantisch“ , aber man diskutiert noch darüber
Einige KohlenstoffSpeicher der Erde in [Gt]
30 [kE J]_____
Abb. 6: Anteile von Kohlenstoff ausgewählter Speichergrößen der Erde in Milliarden Tonnen
(Gigatonnen; 1 Gt = 109 t).
Schätzungen globaler Gashydratvorkommen bewegen sich zwischen
5.000 und 12.000 Gt Kohlenstoff. Der geschätzte minimale bzw. maximale Verbrauch an
fossilem Kohlenstoff als Energieträger im kommenden Jahrhundert liegt zwischen 500 und
2.500 Gt; im Vergleich dazu liegt der bisherige Verbrauch bei ca. 250 Gt; der Gehalt an Kohlenstoff
in der heutigen Atmosphäre als CO2 beträgt 760 Gt.
Abschätzung der Mengenanteile von organischem Kohlenstoff
Abschätzung der Mengenanteile von
organischem Kohlenstoff ausgewählter
Reservoirs auf der Erde,
ohne die fein verteilten Anteile von organischem
Kohlenstoff, die einen weit größeren Anteil
haben (nach Kvenvolden 1988).
O-Ton Geomar:
„Diese Abschätzung wird zur
Zeit diskutiert und bedarf noch
der weiteren Untersuchung.“
Zum Vergleich:
1 Mt SKE = 0,03 [EJ]
1 Gt SKE = 30 [EJ]
104 Gt SKE = 300 [kEJ]
UrQuelle: http://www.ifm-geomar.de
5.
Submarine Hangstabilität
be careful : Tsunamis
Gashydrat: Mächtigkeit der Stabilitätszone und
Volumenzunahme durch Zersetzung
Die Balkendiagramme zeigen
die ebenfalls tiefenabhängige
Volumenzunahme
eines festen Volumenanteils von
Gashydrat
bei seiner Zersetzung .
(Zahl = Faktor der Volumenzunahme)
Mächtigkeit der Gashydratstabilitätszone im Meeresboden
(unter Annahme eines geothermischen Gradienten von 30°C/km),
abhängig von der Wassertiefe (dicke Linie).
(nach Paull et al. 2000).
Quelle: http://www.ifm-geomar.de
Mächtigkeit der Gashydratstabilitätszone im
Meeresboden (unter Annahme eines
geothermischen Gradienten von 30°C/km),
abhängig von der Wassertiefe (dicke Linie).
Die Balkendiagramme zeigen die ebenfalls
tiefenabhängige Volumenzunahme (Zahl =
Faktor der Volumenzunahme) eines festen
Volumenanteils von Gashydrat bei seiner
Zersetzung (nach Paull et al. 2000).
Submarine Hangstabilität:
Gashydrate stabilisieren den Meeresboden wie Zement
Bei Zersetzung (durch Druck/Temperatur Änderung)
•
kommt es zu einer enormen Abnahme der Bodenfestigkeit
•
und submarine Rutschungen können die Folge sein
Wie aus seismischen, bathymetrischen und Sidescan-Sonar-Kartierungen des
Meeresbodens bekannt ist,
sind alle Kontinentalränder durch Rutschungen unterschiedlicher Größenordnung
gekennzeichnet.
Ein unmittelbarer Beleg für eines Auslösung der Rutschungen
durch Zersetzung von Gashydrat
lässt sich jedoch nur schwer finden. …. Aber es gibt Hinweise:…
UrQuelle: http://www.ifm-geomar.de
bathymetrisch = Höhenmessung durch Laufzeitmessung von
Schall- oder Mikrowellen in Wasser (z.B. Echolot)
12C
Signal im
Klimaoptimum 55Ma bP
Abb. 11: Verlauf des Kohlenstoffisotopensignals
aus Foraminiferenschalen
über das spät-Paläozäne Klimaoptimum,
etwa 55 Mill. Jahren vor heute.
Die starke Zunahme des leichten 12C wird auf die
Zumischung von Kohlenstoff aus Methanhydrat
in die globale Umwelt zurückgeführt.
Berechnungen zufolge ist
ein Methan-Puls von ca. 1 Gt Kohlenstoff aus
Gashydrat über 20.000 Jahre notwendig
(gestrichelte rote Linien),
um ein solch globales Signal zu verursachen.
Ein Einschnitt
der Faunenvergesellschaftungen im Ozean
und an Land gehen mit diesem Puls in der
Kohlenstoffisotopie einher, der langsam über einen
Zeitraum von 200.000 Jahren wieder abklingt
(obere gestrichelte rote Linie).
Die Storegga – Rutschung , vor 7000a und jünger
Abb. 10: Storegga Rutschung
als Beispiel für Hanginstabilitäten,
die durch Gashydratzersetzung
ausgelöst werden können.
Die Abrissnische liegt am
norwegischen Kontinentalhang
in einer Wassertiefe nahe der
Phasengrenze der Gashydrate.
Die Rutschmasse verteilt sich über
das tiefe Norwegen Becken
entlang der Bodenmorphologie.
Die Storegga Rutschung ist mit
über 5.600 km3 Gesamtvolumen
eine der größten bekannten
submarinen Rutschungen.
Abb. 10: Storegga Rutschung als
Beispiel für Hanginstabilitäten,
die durch Gashydratzersetzung
ausgelöst werden können. Die
Abrissnische liegt am norwegischen
Kontinentalhang in einer
Wassertiefe nahe der Phasengrenze
der Gashydrate. Die
Rutschmasse verteilt sich über
das tiefe Norwegen Becken entlang
der Bodenmorphologie. Die
Storegga Rutschung ist mit über
5.600 km3 Gesamtvolumen eine
der größten bekannten submarinen
Rutschungen.
Literaturhinweise:
Bohrmann, G., J. Greinert, and E. Suess (2001):
Methanhydrate. Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik,
.
7, Ergänzungslieferung, 10/01, 1-7, Ecomend Verlag
Natural Gas Hydrates: Occurrence,
Distribution, and Detection. AGU Geophysical Monograph Series, 124 Washington, 315.
Paull, Ch., W. Dillon (2001):
Suess, E., G. Bohrmann, J. Greinert, E.Lausch (1999):
Methanhydrat am Meeresgrund.
Brennendes Eis -
Spektrum der Wissenschaft 6, 62-73.
Gashydrat – Eine Verbindung aus Methan und
Wasser. Nova Acta Leopoldina NF 85, 323, 123-146.
Suess, E. (2002):
Allgemeine Informationen zum Thema Gashydrate: (empfehlenswert!)
http://www.gashydrate.de und http://www.ifm-geomar.de
Karte der weltweiten Verbreitung von natürlichen Gashydrat-vorkommen unter:
http://walrus.wr.usgs.gov/globalhydrate.
Abb. 8: Oben: Gashydrate am Meeresboden und die Verteilung ihrer typischen Faunengemeinschaften
aus Muscheln und Bakterien. Die Gashydrate bilden sich, wenn aufsteigende Methanblasen aus tieferen
Sedimentschichten mit Wasser in Kontakt kommen. Gashydrate bilden ein fast unerschöpfliches Substrat
für den mikrobiellen Umsatz von Methan im oberflächennahen Sediment. Hierbei entstehen große
Mengen an Schwefelwasserstoff, die wiederum als Energielieferant für die hier dargestellten drei
chemoautotrophen Gemeinschaften dienen. Dabei kommt es auch zu einer Ausfällung von Kalken, die
häufig zusammen mit Gashydratlagen vorkommen.

V1.4a_*