Wie entstehen Gashydrate?

Damit Gashydrate entstehen können, müssen Gas und Wasser unter geeigneten physikalischen Bedingungen zusammenkommen. Zwei Modelle zur Entstehung von natürlichen Methanhydraten werden diskutiert:

  • Das 'In situ Modell'
  • Das 'Fluidmigrationsmodell'

Beide Modelle unterscheiden sich im Wesentlichen in dem Punkt der Herkunft des für die Entstehung des Hydrats nötigen Methans.

In Situ Modell

Diese Theorie geht davon aus, dass das Methan an der Stelle gebildet wird, an der dann auch nachfolgend das Methanhydrat entsteht sofern geeignete Druck und/oder Temperaturverhältnisse vorherrschen. Das Methan wird dabei von Mikroben gebildet.

Geht die Sauerstoffkonzentration im Wasser oder in Sedimenten gegen Null, so produzieren Bakterien Methan bei der Verwertung organischen Materials.

Da zur Bildung von Gashydrat allerdings größere Konzentrationen von Methan von Nöten sind, stellt sich die Frage, ob die in Sedimenten enthaltenen Mengen von organischem Material ausreichend sind, zur Produktion hinreichender Mengen von Methan zu dienen.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die zu erwartende Verteilung der Gashydratvorkommen (ausgehend von der Verteilung organischen Materials), die sich nach diesem Modell ergeben würde.

Fluidmigrationsmodell

Dieses Modell setzt einen Fluidaufstieg als Quelle für das zur Entstehung von Hydrat benötigte Methan voraus. Im Bereich von Subduktionszonen und Akkretionskeilen kommt es durch das in den Sedimenten eingeschlossene Wasser zur Bildung von Porenüberdrücken. Dabei kommt es zudem zur Bildung und Auspressung von u.a. Methan. D.h. das Methan würde aus größeren Tiefen stammen, aufsteigen und sich innerhalb der GHSZ ansammeln.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die bei diesem Modell zu erwartende Verteilung, welche sich hier nach den Lokationen von Akkretionskeilen in Subduktionsgebieten richtet.

Mit der Klärung der Vorgänge bei der Bildung von ozeanische Gashydraten und deren Bedeutung für den Kohlenstoffkreislauf beschäftigt sich auch das Projekt OMEGA vom Geomar Institut in Kiel.

Die speziellen chemischen und physikalischen Vorgänge der Subduktionszonen sind Gegenstand des Sonderforschungsbereichs 574.

Struktur von Gashydraten

Gashydrate sind Einschlussverbindungen. Diese Gruppe von Verbindungen ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Molekülgitter bestehen, mit der Fähigkeit in einem dabei gebildeten Hohlraum kleinere Moleküle einzuschließen. Haben die Hohlräume - wie bei den Gashydraten die Form von Käfigen, so werden diese Verbindungen auch als Clathrate bezeichnet.

Es gibt drei unterschiedliche Strukturen von Gashydrat; neben den Strukturen S-I und S-II wird die dritte oft auch als Struktur H bezeichnet. Jede Struktur wird dabei aus verschiedenen Einzelkäfigen aufgebaut. Abbildung 3 verdeutlicht diesen Zusammenhang. In der linken Spalte sind die möglichen aus einzelnen über Wasserstoffbrückenbindungen verbundenen Wassermolekülen aufgebauten Käfige aufgeführt. So stellt z.B. der Käfig mit der Bezeichnung 512 ein von 12 Fünfecken begrenztes räumliches Gebilde dar; der Käfig mit der Bezeichnung 51262 wird von 12 Fünfecken und 2 Sechsecken begrenzt.

Jede der Strukturen besteht nun aus einer bestimmten Anzahl verschiedener Elementarkäfige. Die Struktur I, sie ist die häufigste, besteht aus sechs 512-Elementarkäfigen und zwei Elementarkäfigen 51262. Jeder Elementarkäfig kann dabei ein einzelnes Gasmolekül in seinem Inneren einschließen. Abbildung 4 zeigt ein Hydrat der Struktur I

Die einzelnen Strukturen wiederum stellen größere Bausteine dar, die sich zu noch größeren Gebilden jeweils nahtlos ineinander fügen können.