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". Die gerade erschienene Neuauflage des Buches enthält auf 336 insgesamt 37 Artikel zu verschiedenen geowissenschaftlichen Themen und kann für einen Kostenbeitrag von 5 Euro + Verpackung bestellt werden bei: http://www.rcom.marum.de/marumrcom_shop.html Weitere interessante Artikel - auch zum Thema Gashydrate – findet man zum Lesen am Bildschirm oder z.T. auch als PDF unter http://www.rcom.marum.de/marumrcom_bibliothek.html

Das Phänomen: CH4 – Gashydrat 1 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)

Das Phänomen: CH4 – Gashydrat 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.

Struktur und Stabilität von Gashydraten 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 5 Käfigtypen: Polyeder aus H2O - Pentagons (5) und Hexagons(6) 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. 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.

Vorkommen von Gashydraten in Meeressedimenten und Permafrostböden 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: Temperaturgradient im gefrorenen Boden : z.B. nur 1.3°C/100m Darunter, unterhalb der PermafrostBasis, also im schon wieder aufgetauten Bereich, ist der geothermische Temperaturgradient größer z.B. bereits 2°C/100m Permafrost aufgetaut Unterhalb der PermafrostBasis ist der Boden aufgetaut UrQuelle: http://www.ifm-geomar.de

Nachweis von Gashydraten Seismischer Nachweis 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

Submarine Hangstabilität be careful : Tsunamis 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:… bathymetrisch = Höhenmessung durch Laufzeitmessung von Schall- oder Mikrowellen in Wasser (z.B. Echolot) UrQuelle: http://www.ifm-geomar.de

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. Paull, Ch., W. Dillon (2001): Natural Gas Hydrates: Occurrence, Distribution, and Detection. AGU Geophysical Monograph Series, 124 Washington, 315. Suess, E., G. Bohrmann, J. Greinert, E.Lausch (1999): Brennendes Eis - Methanhydrat am Meeresgrund. Spektrum der Wissenschaft 6, 62-73. Suess, E. (2002): Gashydrat – Eine Verbindung aus Methan und Wasser. Nova Acta Leopoldina NF 85, 323, 123-146. 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.