lähde: USGS
metaaniklatraatit rajoittuvat matalaan litosfääriin (eli < 2 000 m syvyys). Lisäksi tarvittavat olosuhteet ovat vain joko manner-sedimenttikivissä napa-alueilla, joissa keskimääräinen pintalämpötila on alle 0 °C; tai merisedimentissä yli 300 metrin syvyydessä, jossa pohjaveden lämpötila on noin 2 °C. Lisäksi syvissä makean veden järvissä voi esiintyä myös kaasuhydraatteja, esim.makean veden Baikaljärvessä Siperiassa. Manneresiintymiä on ollut Siperiassa ja Alaskassa hiekkakivi-ja siltakivikerroksissa alle 800 metrin syvyydessä. Merenalaiset esiintymät näyttävät olevan yleisiä mannerjalustalla (KS.) ja voi esiintyä sedimenteissä syvyydessä tai lähellä sedimentin ja veden rajapintaa. Ne saattavat peittää alleen vielä suurempia kaasumaisen metaanin kerrostumia.
OceanicEdit
oseanicedit
oseanic depositioita on kahta eri tyyppiä. Yleisin on (> 99%) metaani, joka on rakenteeltaan I klatraatti ja jota esiintyy yleensä syvyydessä sedimentissä. Tässä metaani on isotooppisesti kevyttä (δ13C < -60‰), mikä osoittaa sen olevan peräisin hiilidioksidin mikrobien pelkistymisestä. Näiden syvien esiintymien klatraattien arvellaan muodostuneen paikan päällä mikrobiaalisesti tuotetusta metaanista, koska klatraatin ja sitä ympäröivän liuenneen metaanin δ13C-arvot ovat samanlaiset. On kuitenkin myös arveltu, että öljy-ja kaasukaivojen paineistuksessa ikiroudassa ja mannerjalustoilla kautta maailman käytetty makea vesi yhdistyy luonnolliseen metaaniin muodostaen syvyydessä ja paineessa klathraattia, koska metaanihydraatit ovat pysyvämpiä makeassa vedessä kuin suolavedessä. Paikalliset vaihtelut voivat olla hyvin yleisiä, koska hydraatin muodostaminen, joka erottaa puhdasta vettä suolaisista muodostumisvesistä, voi usein johtaa paikalliseen ja mahdollisesti merkittävään muodostumisvesien suolapitoisuuden kasvuun. Hydraatit eivät yleensä sisällä suolaa huokosnesteessä, josta se muodostuu, joten niillä on suuri sähköinen resistiivisyys aivan kuten jäällä, ja hydraatteja sisältävillä sedimenteillä on suurempi resistiivisyys verrattuna sedimentteihin, joissa ei ole kaasuhydraatteja (tuomari ).:9
nämä esiintymät sijaitsevat noin 300-500 metrin paksuisella keskisyvyysvyöhykkeellä sedimenteissä (gas hydrate stability zone eli GHSZ), jossa ne elävät yhdessä tuoreeseen, suolattomaan huokosveteen liuenneen metaanin kanssa. Tämän vyöhykkeen yläpuolella metaania on liuenneessa muodossaan vain pitoisuuksina, jotka laskevat kohti sedimentin pintaa. Sen alapuolella metaani on kaasumaista. Blake Ridgen kohdalla Atlantin mannerten nousussa GHSZ alkoi 190 metrin syvyydestä ja jatkui 450 metriin, jossa se saavutti tasapainon kaasufaasin kanssa. Mittaukset osoittivat, että metaania oli GHSZ: ssä 0-9 tilavuusprosenttia ja kaasumaisessa vyöhykkeessä ~12 prosenttia.
harvinaisemmassa toisessa tyypissä, joka on löydetty läheltä sedimentin pintaa, joissakin näytteissä on suurempi osuus pitempiketjuisia hiilivetyjä (< 99% metaania), jotka sisältyvät rakenne II: n klatraattiin. Tämän klatraattityypin hiili on isotooppisesti raskaampaa (δ13C on -29-57 ‰) ja sen arvellaan siirtyneen ylöspäin syvistä sedimenteistä, joissa metaania muodostui orgaanisen aineen termisen hajoamisen seurauksena. Esimerkkejä tällaisesta esiintymästä on löydetty Meksikonlahdelta ja Kaspianmereltä.
joillakin esiintymillä on mikro-ja termisesti hankittujen tyyppien välisiä ominaisuuksia, ja niiden katsotaan muodostuvan näiden kahden seoksesta.
kaasuhydraattien metaani syntyy dominoivasti mikrobikonsortioiden hajottaessa orgaanista ainesta vähähappisissa ympäristöissä, itse metaanin tuottaessa metanogeenisiä arkeoneja. Sedimenttien ylimpien muutaman sentin eloperäinen aines joutuu ensin aerobisten bakteerien hyökkäyksen kohteeksi, jolloin syntyy hiilidioksidia, joka karkaa sedimenteistä vesipatsaaseen. Tämän aerobisen aktiivisuuden alueen alapuolella anaerobiset prosessit ottavat vallan, mukaan lukien peräkkäin syvyyden kanssa nitriitin/nitraatin, metallioksidien ja sitten sulfaattien mikrobivähennys sulfideiksi. Lopuksi, kun sulfaatti on käytetty loppuun, metanogeneesistä tulee hallitseva reitti orgaanisen hiilen remineralisaatiolle.
Jos sedimentaationopeus on alhainen (noin 1 cm / V), orgaanisen hiilen pitoisuus on alhainen (noin 1%) ja happea on runsaasti, aerobiset bakteerit voivat kuluttaa kaiken sedimenttien orgaanisen aineksen nopeammin kuin happi ehtyy, joten matalaenergiaisia elektroneja ei käytetä. Mutta kun sedimentaationopeus ja orgaanisen hiilen pitoisuus ovat korkeat, mikä on tyypillistä mannerjalustoilla ja länsirajan ylävirtausvyöhykkeiden alla, sedimenttien huokosvesi muuttuu anoksiseksi vain muutaman sentin syvyydessä tai vähemmän. Tällaisissa eloperäisissä merisedimenteissä sulfaatista tulee sitten tärkein terminaalinen elektronien hyväksyjä, koska sen pitoisuus merivedessä on suuri, vaikka sekin on tyhjentynyt senttimetrien tai metrien syvyydestä. Tämän alapuolella syntyy metaania. Tämä metaanin tuottaminen on melko monimutkainen prosessi, joka vaatii voimakkaasti pelkistävän ympäristön (Eh-350–450 mV) ja pH-arvon 6-8 sekä monimutkaisia syntrofisia konsortioita, joissa on erilaisia arkaaianlajeja ja bakteereita, vaikka vain arkaaianlajit päästävät metaania.
joillakin alueilla (esim., Meksikonlahti, Joetsu Basin) klatraatteina esiintyvä metaani voi olla ainakin osittain peräisin orgaanisen aineen termisestä hajoamisesta (esim.öljyntuotanto), jolloin öljy muodostaa jopa eksoottisen komponentin hydraatin sisällä, joka voidaan ottaa talteen, kun hydraatti irtoaa. Klatraattien metaanilla on tyypillisesti biogeeninen isotooppinen tunnus ja hyvin vaihteleva δ13C (-40–100‰), keskimäärin noin -65‰ . Kiinteiden klatraattien vyöhykkeen alapuolella suuret määrät metaania voivat muodostaa vapaan kaasun kuplia sedimentteihin.
klatraattien esiintyminen tietyssä kohdassa voidaan usein määrittää havainnoimalla ”pohjaheijastinta” (BSR), joka on seisminen heijastus sedimentissä, joka aiheuttaa stabiilisuusvyöhykkeen rajapinnan, joka johtuu normaalien sedimenttien ja klatraattisedimenttien epätasaisesta tiheydestä.
Kaasuhydraattipingoja on löydetty Jäämereltä Barentsinmereltä. Näistä kupoleista pulppuaa metaania kuin rakennelmista, ja osa näistä kaasupurkauksista ulottuu lähelle meren pintaa.
säiliön koko
valtamerten metaaniklatraattisäiliön koko tunnetaan huonosti, ja arviot sen koosta pienenivät suunnilleen suuruusluokkaa vuosikymmenessä sen jälkeen, kun 1960-ja 1970-luvuilla ensimmäisen kerran huomattiin, että merissä saattoi olla klatraatteja. korkeimmat arviot (esimerkiksi 3×1018 m3) perustuivat olettamukseen, että täysin tiheät klatraatit saattoivat roskata koko syvänmeren pohjan. Klathraattikemian ja sedimentologian ymmärryksen paraneminen on paljastanut, että hydraatteja muodostuu vain kapealla syvyysalueella (mannerjalustat), vain joissakin paikoissa syvyyksissä, joissa niitä voi esiintyä (10-30% kaasun hydraattistabiiliudesta), ja tyypillisesti niitä esiintyy pieninä pitoisuuksina (0,9–1,5% tilavuudesta) paikoissa, joissa niitä esiintyy. Tuoreiden suoralla näytteenotolla rajoitettujen arvioiden mukaan maailmanlaajuinen inventaario on 1×1015-5×1015 kuutiometriä (0,24-1,2 miljoonaa kuutiokilometriä). Tämä arvio, joka vastaa 500-2500 gigatonnia hiiltä (Gt C), on pienempi kuin kaikkien muiden geo-orgaanisten polttoainevarantojen arvioitu 5000 Gt C, mutta huomattavasti suurempi kuin muiden maakaasulähteiden arvioitu ~230 Gt C. Ikiroudan tekojärven kooksi on arvioitu noin 400 Gt C arktisella alueella, mutta mahdollisia Etelämantereen tekoaltaita ei ole arvioitu. Nämä ovat suuria määriä. Vertailun vuoksi ilmakehän kokonaishiili on noin 800 gigatonia (katso hiili: esiintyminen).
nämä nykyaikaiset arviot ovat huomattavasti pienempiä kuin edellisten tutkijoiden ehdottamat 10 000-11 000 Gt C (2×1016 m3) perusteena pitää klathratesta geo-orgaanisena polttoainelähteenä (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Klathraattien vähäisemmät pitoisuudet eivät sulje pois niiden taloudellista potentiaalia, mutta pienempi kokonaismäärä ja ilmeisesti alhainen pitoisuus useimmilla alueilla viittaa siihen, että vain pieni osa klathraattiesiintymistä voi olla taloudellisesti elinkelpoinen luonnonvara.
Mannerjalustat
mannerjalustojen Metaaniklatraatit jäävät alle 800 metrin syvyydessä hiekkakiveen tai siltakiveen. näytteenotto osoittaa, että ne muodostuvat termisesti ja mikrobiaalisesti johdetun kaasun sekoituksesta, josta raskaammat hiilivedyt myöhemmin poistettiin selektiivisesti. Niitä esiintyy Alaskassa, Siperiassa ja Pohjois-Kanadassa.
vuonna 2008 kanadalaiset ja japanilaiset tutkijat uusivat jatkuvan maakaasuvirran testiprojektista Mallikaasun hydraattipaikalla Mackenziejoen suistossa. Tämä oli toinen tällainen poraus Mallik: ensimmäinen tapahtui vuonna 2002 ja siinä käytettiin lämpöä metaanin vapauttamiseen. Vuonna 2008 tehdyssä kokeessa tutkijat pystyivät uuttamaan kaasua alentamalla painetta ilman lämmitystä, mikä vaati huomattavasti vähemmän energiaa. Mallikin kaasuhydraattikentän löysi ensimmäisenä Imperial Oil vuosina 1971-1972.
kaupallisessa käytössä
taloudellisissa hydraattiesiintymissä käytetään nimitystä maakaasuhydraatti (Ngh) ja ne varastoivat 164 m3 metaania, 0,8 m3 vettä 1 m3 hydraatissa. Suurin osa NGH: sta on merenpohjan alla (95%), jossa se on termodynaamisessa tasapainossa. Sedimenttisessä metaanihydraattivarastossa on todennäköisesti 2-10-kertaiset perinteisen maakaasun nykyiset varannot vuodesta 2013. Tämä on mahdollisesti tärkeä hiilivetypolttoaineen lähde tulevaisuudessa. Useimmissa kohteissa esiintymien arvellaan kuitenkin olevan liian hajallaan taloudelliseen talteenottoon. Muita kaupalliseen hyödyntämiseen liittyviä ongelmia ovat elinkelpoisten varantojen havaitseminen ja metaanikaasun talteenottotekniikan kehittäminen hydraattiesiintymistä.
elokuussa 2006 Kiina ilmoitti aikovansa käyttää 800 miljoonaa juania (100 miljoonaa yhdysvaltain dollaria) seuraavien 10 vuoden aikana maakaasuhydraattien tutkimiseen. Meksikonlahden mahdollinen taloudellinen varanto saattaa sisältää noin 100 miljardia kuutiometriä (3,5×1012 kuutiometriä) kaasua. Bjørn Kvamme ja Arne Graue Bergenin yliopiston fysiikan ja teknologian instituutista ovat kehittäneet menetelmän CO
2: n injektoimiseksi hydraateiksi ja prosessin kääntämiseksi päinvastaiseksi, jolloin CH4: ää saadaan pois suoralla vaihdolla. Bergenin yliopiston menetelmää testaavat ConocoPhillips ja valtio-omisteinen Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC), ja sitä rahoittaa osittain Yhdysvaltain energiaministeriö. Projekti on jo edennyt injektiovaiheeseen ja analysoitiin tuloksia 12. maaliskuuta 2012 mennessä.
maaliskuun 12.päivänä 2013 JOGMECIN tutkijat ilmoittivat onnistuneensa irrottamaan maakaasua jäätyneestä metaanihydraatista. Kaasun irrottamiseksi käytettiin erikoislaitteita, joilla porattiin ja paineistettiin hydraattiesiintymiä, jolloin metaani irtosi jäästä. Tämän jälkeen kaasu kerättiin ja putkitettiin pintaan, jossa se sytytettiin todisteeksi läsnäolostaan. Mukaan teollisuuden tiedottaja, ”se on maailman ensimmäinen offshore kokeilu tuottaa kaasua metaanihydraatti”. Aiemmin kaasua oli louhittu onshore-esiintymistä, mutta ei koskaan paljon yleisemmistä offshore-esiintymistä. Hydraattikenttä, josta kaasu otettiin talteen, sijaitsee 50 kilometrin päässä Keski-Japanista Nankain alajuoksulla 300 metrin syvyydessä meren alla. Jogmecin tiedottaja huomautti, että ”Japanilla voisi vihdoin olla energialähde, jota kutsua omakseen”. Merigeologi Mikio Satoh huomautti :” nyt tiedämme, että louhinta on mahdollista. Seuraava askel on katsoa, kuinka pitkälle Japani voi saada kustannukset alas, jotta teknologia olisi taloudellisesti kannattavaa.”Japani arvioi, että Nankain kaukalossa on ainakin 1,1 biljoonaa kuutiometriä metaania, joka riittää tyydyttämään maan tarpeet yli kymmeneksi vuodeksi.
sekä Japani että Kiina ilmoittivat toukokuussa 2017 läpimurrosta metaaniklatraattien louhinnassa, kun ne louhivat metaania hydraateista Etelä-Kiinan merellä. Kiina kuvaili tulosta läpimurroksi; Praveen Linga Singaporen kansallisen yliopiston kemian-ja Biomolekulaarisen tekniikan laitokselta oli samaa mieltä ”verrattuna japanilaisen tutkimuksen tuloksiin kiinalaiset tutkijat ovat onnistuneet uuttamaan paljon enemmän kaasua ponnisteluissaan”. Alan konsensus on, että kaupallisen mittakaavan tuotanto jää vuosien päähän.
ympäristökysymykset
asiantuntijat varoittavat, että ympäristövaikutuksia tutkitaan edelleen ja että metaani—kasvihuonekaasu, jonka ilmaston lämpenemispotentiaali on noin 25 kertaa suurempi 100 vuoden aikana (GWP100) kuin hiilidioksidi-voi mahdollisesti paeta ilmakehään, jos jokin menee vikaan. Lisäksi maakaasun polttaminen aiheuttaa hiilipäästöjä, vaikka se on puhtaampaa kuin kivihiili.