źródło: USGS
klatraty metanu są ograniczone do płytkiej litosfery (tj.< 2000 m głębokości). Ponadto konieczne warunki występują tylko w kontynentalnych skałach osadowych w regionach polarnych, gdzie średnia temperatura powierzchni wynosi poniżej 0 ° C, lub w osadach oceanicznych na głębokościach wody większych niż 300 m, gdzie temperatura wody na dnie wynosi około 2 °C. Ponadto głębokie jeziora słodkowodne mogą również zawierać hydraty gazowe, np. jezioro słodkowodne Bajkał na Syberii. Złoża kontynentalne znajdują się na Syberii i Alasce w złożach piaskowców i mułów na głębokości poniżej 800 m. Złoża oceaniczne wydają się być szeroko rozpowszechnione na szelfie kontynentalnym (patrz Rys.) i może występować w osadach na głębokości lub w pobliżu styku osad-woda. Mogą one obejmować nawet większe złoża gazowego metanu.
OceanicEdit
istnieją dwa odrębne typy złoża oceanicznego. Najczęściej jest zdominowany (> 99%) przez Metan zawarty w strukturze i klatratu i ogólnie występujący na głębokości w osadzie. Tutaj metan jest izotopowo lekki (δ13C < -60‰), co wskazuje, że pochodzi z drobnoustrojowej redukcji CO2. Uważa się, że klatraty w tych głębokich złożach uformowały się in situ z wytworzonego mikrobiologicznie metanu, ponieważ wartości δ13C klatratu i otaczającego go rozpuszczonego metanu są podobne. Jednak uważa się również, że słodka woda używana do zwiększania ciśnienia w szybach naftowych i gazowych w wiecznej zmarzlinie i wzdłuż szelfów kontynentalnych na całym świecie łączy się z naturalnym metanem, tworząc klatrat na głębokości i ciśnieniu, ponieważ hydraty metanu są bardziej stabilne w wodzie słodkiej niż w wodzie słonej. Lokalne zmiany mogą być bardzo powszechne, ponieważ akt tworzenia hydratu, który ekstrahuje czystą wodę z wód formacji solnej, może często prowadzić do lokalnego i potencjalnie znaczącego wzrostu zasolenia wody formacji. Hydraty Zwykle wykluczają sól w płynie porowym, z którego powstają, dlatego wykazują wysoką rezystywność elektryczną, podobnie jak lód, a osady zawierające hydraty mają wyższą Rezystywność w porównaniu z osadami bez hydratów gazowych (sędzia ).:9
złoża te znajdują się w strefie średniej głębokości o grubości około 300-500 m w osadach (Strefa stabilności gazohydratu lub GHSZ), gdzie współistnieją z metanem rozpuszczonym w świeżych, nie słonych wodach porowych. Powyżej tej strefy Metan występuje tylko w postaci rozpuszczonej w stężeniach zmniejszających się w kierunku powierzchni osadu. Poniżej niej metan jest gazowy. W Blake Ridge na atlantyckim wzniesieniu kontynentalnym GHSZ rozpoczął się na głębokości 190 m i kontynuował do 450 m, gdzie osiągnął równowagę z fazą gazową. Pomiary wykazały, że metan zajmował 0-9% obj. w GHSZ i ~12% w strefie gazowej.
w mniej powszechnym drugim typie znalezionym w pobliżu powierzchni osadu niektóre próbki mają większy udział węglowodorów o dłuższym łańcuchu (< 99% metanu) zawartych w klatrynie II struktury. Węgiel z tego typu klatratu jest izotopowo cięższy (δ13C wynosi od -29 do -57‰) i uważa się, że migrował w górę z głębokich osadów, gdzie metan powstał w wyniku termicznego rozkładu materii organicznej. Przykłady tego typu złóż znaleziono w Zatoce Meksykańskiej i Morzu Kaspijskim.
niektóre złoża mają właściwości pośrednie między typami mikrobiologicznymi i termicznymi i są uważane za utworzone z mieszaniny tych dwóch.
Metan w gazohydratach jest dominująco wytwarzany przez konsorcja mikrobiologiczne rozkładające materię organiczną w środowiskach o niskiej zawartości tlenu, a sam metan jest wytwarzany przez archaea metanogenne. Materia organiczna w pierwszych kilku centymetrach osadów jest najpierw atakowana przez bakterie tlenowe, wytwarzając CO2, który ucieka z osadów do słupa wody. Poniżej tego obszaru aktywności tlenowej przechodzą procesy beztlenowe, w tym, kolejno z głębokością, mikrobiologiczna redukcja azotynów/azotanów, tlenków metali, a następnie siarczany są redukowane do siarczków. Wreszcie, po zużyciu siarczanu, metanogeneza staje się dominującym szlakiem remineralizacji węgla organicznego.
Jeśli szybkość sedymentacji jest niska (około 1 cm/rok), zawartość węgla organicznego jest niska (około 1% ), a tlen jest obfity, bakterie tlenowe mogą zużywać całą materię organiczną w osadach szybciej niż tlen jest wyczerpany, więc akceptory elektronów o niższej energii nie są używane. Ale tam, gdzie tempo sedymentacji i zawartość węgla organicznego są wysokie, co zwykle ma miejsce na szelfach kontynentalnych i poniżej zachodnich stref upwellingu prądu granicznego, woda porowa w osadach staje się beztlenowa na głębokości zaledwie kilku centymetrów lub mniej. W takich bogatych w substancje organiczne osadach morskich siarczan staje się najważniejszym końcowym akceptorem elektronów ze względu na wysokie stężenie w wodzie morskiej, chociaż również jest zubożony o głębokość centymetrów do metrów. Poniżej tego powstaje Metan. Ta produkcja metanu jest dość skomplikowanym procesem, wymagającym wysoce redukującego środowiska (Eh -350 do -450 mV) i pH między 6 A 8, a także złożonych konsorcjów syntroficznych różnych odmian archeonów i bakterii, chociaż tylko archeony emitują Metan.
w niektórych regionach (np., Zatoka Meksykańska, Kotlina Joetsu) Metan w klatratach może być przynajmniej częściowo pochodzący z termicznej degradacji materii organicznej (np. wytwarzanie ropy naftowej), przy czym olej tworzy nawet egzotyczny składnik w samym hydracie, który może być odzyskany, gdy hydrat jest dysocjowany. Metan w klatratach ma zwykle biogenną sygnaturę izotopową i bardzo zmienną δ13C (-40 do -100‰), z przybliżoną średnią około -65‰ . Poniżej strefy stałych klatratów duże ilości metanu mogą tworzyć pęcherzyki wolnego gazu w osadach.
obecność klatratów w danym miejscu może być często określona przez obserwację „reflektora symulującego dno” (BSR), który jest sejsmicznym odbiciem na styku osadu do strefy stabilności klatratu spowodowanym nierównymi gęstościami normalnych osadów i tych splecionych z klatratami.
gazohydrat pingos zostały odkryte w oceanach arktycznych Morza Barentsa. Metan wydobywa się z tych kopuł podobnych do struktur, a niektóre z tych rozbłysków gazowych rozciągają się blisko powierzchni morza.
wielkość zbiornika
Rozmiar oceanicznego zbiornika klatratu metanu jest słabo znany, a szacunki jego wielkości zmniejszyły się o około rząd wielkości na dekadę, ponieważ po raz pierwszy uznano, że klatraty mogą istnieć w oceanach w latach 60. i 70.najwyższe szacunki (np. 3×1018 m3) opierały się na założeniu, że w pełni gęste klatraty mogą zaśmiecać całe dno głębokiego oceanu. Ulepszenia w naszym zrozumieniu chemii klatratu i sedymentologii wykazały, że hydraty tworzą się tylko w wąskim zakresie głębokości (szelfy kontynentalne), tylko w niektórych miejscach w zakresie głębokości, gdzie mogą wystąpić (10-30% strefy stabilności hydratu gazowego) i zazwyczaj występują w niskich stężeniach (0,9–1,5% objętościowo) w miejscach, w których występują. Ostatnie szacunki ograniczone przez bezpośrednie pobieranie próbek sugerują, że globalny inwentarz zajmuje między 1×1015 a 5×1015 metrów sześciennych (0,24 i 1,2 miliona mil sześciennych). Szacunki te, odpowiadające 500-2500 gigaton węgla (Gt C), są mniejsze niż szacowane 5000 Gt C dla wszystkich innych geoorganicznych rezerw paliwa, ale znacznie większe niż szacowane ~230 Gt C dla innych źródeł gazu ziemnego. Zbiornik wiecznej zmarzliny został oszacowany na około 400 Gt C w Arktyce, ale nie dokonano szacunków dotyczących możliwych zbiorników antarktycznych. Są to duże ilości. Dla porównania, całkowity węgiel w atmosferze wynosi około 800 gigatonów (zobacz węgiel: występowanie).
te nowoczesne szacunki są znacznie mniejsze niż 10 000 do 11 000 Gt C (2×1016 m3) zaproponowane przez poprzednich badaczy jako powód do uznania klatratów za GEO-organiczny zasób paliwa (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Mniejsza ilość złóż klatratów nie wyklucza ich potencjału gospodarczego, ale mniejsza całkowita objętość i pozornie niska koncentracja w większości miejsc sugeruje, że tylko ograniczony procent złóż klatratów może stanowić ekonomicznie opłacalny zasób.
ContinentalEdit
klatraty metanu w skałach kontynentalnych są uwięzione w złożach piaskowca lub mułu na głębokości mniejszej niż 800 m. pobieranie próbek wskazuje, że powstają z mieszaniny termicznie i mikrobiologicznie pochodzącego gazu, z którego cięższe węglowodory zostały później selektywnie usunięte. Występują na Alasce, Syberii i północnej Kanadzie.
w 2008 roku kanadyjscy i japońscy naukowcy wydobyli stały strumień gazu ziemnego z projektu badawczego w miejscu hydratu gazu Mallik w delcie rzeki Mackenzie. To już drugie takie wiercenie w Mallik: pierwsza miała miejsce w 2002 roku i wykorzystywała ciepło do uwalniania metanu. W eksperymencie z 2008 r. naukowcy byli w stanie wydobyć Gaz poprzez obniżenie ciśnienia, bez ogrzewania, wymagając znacznie mniej energii. Pole Hydratowe Mallik zostało po raz pierwszy odkryte przez Imperial Oil w latach 1971-1972.
zastosowanie komercyjne
ekonomiczne złoża hydratu określa się mianem hydratu gazu ziemnego (NGH) i magazynuje 164 m3 metanu, 0,8 m3 wody w 1 m3 hydratu. Większość NGH znajduje się pod powierzchnią morza (95%), gdzie istnieje w równowadze termodynamicznej. Osadowy zbiornik hydratu metanu prawdopodobnie zawiera 2-10 razy więcej niż obecnie znane zasoby konwencjonalnego gazu ziemnego (stan na 2013 rok). Stanowi to potencjalnie ważne przyszłe źródło paliwa węglowodorowego. Jednak w większości stanowisk uważa się, że złoża są zbyt rozproszone do ekonomicznego wydobycia. Inne problemy, przed którymi stoi komercyjna eksploatacja, to wykrywanie realnych zasobów i rozwój technologii wydobywania metanu ze złóż hydratów.
w sierpniu 2006 roku Chiny ogłosiły plany wydania 800 milionów juanów (100 milionów dolarów) w ciągu najbliższych 10 lat na badania hydratów gazu ziemnego. Potencjalnie ekonomiczna rezerwa w Zatoce Meksykańskiej może zawierać około 100 miliardów metrów sześciennych (3,5×1012 stóp sześciennych) gazu. Bjørn Kvamme i Arne Graue z Instytutu Fizyki i Technologii Uniwersytetu w Bergen opracowali metodę wstrzykiwania CO
2 do hydratów i odwracania procesu; w ten sposób ekstrakcji CH4 przez bezpośrednią wymianę. Metoda Uniwersytetu w Bergen jest testowana w terenie przez ConocoPhillips i państwową japońską korporację Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC), a częściowo finansowana przez amerykański Departament Energii. Projekt osiągnął już fazę wtrysku i analizował Uzyskane dane do 12 marca 2012 roku.
w marcu 12, 2013, naukowcy JOGMEC ogłosili, że z powodzeniem wydobyli gaz ziemny z zamrożonego hydratu metanu. Aby wydobyć Gaz, użyto specjalistycznego sprzętu do wiercenia i obniżania ciśnienia osadów hydratu, powodując oddzielenie metanu od lodu. Gaz był następnie zbierany i odprowadzany na powierzchnię, gdzie został zapalony, aby udowodnić swoją obecność. Według rzecznika branży „to pierwszy na świecie eksperyment offshore produkujący gaz z hydratu metanu”. Wcześniej Gaz wydobywano ze złóż lądowych, ale nigdy ze złóż morskich, które są znacznie bardziej powszechne. Pole hydratowe, z którego wydobywano gaz, znajduje się 50 kilometrów od środkowej Japonii w Korytu Nankai, 300 metrów pod wodą. Rzecznik JOGMEC zauważył, że „Japonia może wreszcie mieć źródło energii, które można nazwać własnym”. Geolog morski Mikio Satoh zauważył: „teraz wiemy, że wydobycie jest możliwe. Kolejnym krokiem jest sprawdzenie, w jakim stopniu Japonia może obniżyć koszty, aby technologia była ekonomicznie opłacalna.”Japonia szacuje, że w Korytu Nankai uwięzionych jest co najmniej 1,1 biliona metrów sześciennych metanu, co wystarczy, aby zaspokoić potrzeby kraju przez ponad dziesięć lat.
zarówno Japonia, jak i Chiny ogłosiły w maju 2017 przełom w wydobywaniu klatratów metanu, gdy wydobywały metan z hydratów na Morzu Południowochińskim. Chiny opisały wynik jako przełom; Praveen Linga z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej Narodowego Uniwersytetu w Singapurze zgodził się „w porównaniu z wynikami, które widzieliśmy z japońskich badań, chińscy naukowcy zdołali wydobyć znacznie więcej gazu w swoich wysiłkach”. Przemysł zgadza się, że produkcja na skalę komercyjną pozostaje na lata.
obawy Środowiskowedytuj
eksperci ostrzegają, że wpływ na środowisko jest nadal badany i że metan—gaz cieplarniany o około 25 razy większym potencjale globalnego ocieplenia w okresie 100 lat (GWP100) niż dwutlenek węgla-może potencjalnie uciec do atmosfery, jeśli coś pójdzie nie tak. Co więcej, spalanie gazu ziemnego, choć czystsze niż węgiel, powoduje również emisję dwutlenku węgla.