Vorkommen von Gashydraten

Gashydrat braucht ganz bestimmte Druck- und Temperaturbedingungen, damit es stabil bleibt und nicht zerfällt. Zur Bildung werden hohe Drücke und verhältnismäßig niedrige Temperaturen benötigt. Den Bereich, in dem das Hydrat stabil in der Natur vorliegt, nennt man die Gashydrat-Stabilitätszone (GHSZ).

Gashydrat Stabilitätszone

Die Stabilität von Gashydraten ist in erster Linie abhängig von den physikalischen Gegebenheiten Temperatur und Druck. Je höher die Temperatur ist, desto mehr Druck ist erforderlich, damit das Hydrat nicht zerfällt.


Abbildung 1 erläutert diesem Zusammenhang.
Allerdings wird aus dieser Funktion bereits deutlich, dass auch bei einer Temperatur von 0°C (273K) bereits das 25-fache des normalen Luftdruck erforderlich ist. Grundsätzlich findet sich Gashydrat in Permafrostböden an Land oder in den Sedimenten der Meeresböden wo die Wassersäule für ausreichende Druckverhältnisse sorgt. Um in Permafrostböden die notwendigen physikalischen Bedingungen vorzufinden, muss der Boden mindestens 100m dick gefroren sein.

Liegt die Frostbasis höher, so ist kein Gashydrat zu erwarten, wie auch in Abbildung 2 dargestellt. Liegt dagegen die Permafrostbasis in einer Tiefe von 750m, so reicht der Bereich, in dem das Hydrat stabil ist bis in eine Tiefe von etwa 1650m hinab. Darunter ist es dann aufgrund des Temperaturanstiegs (dargestellt durch die diagonalen Linien) wieder zu warm, so dass das Hydrat zerfallen würde.

Abbildung 3 zeigt die GHSZ für den marinen Bereich. Wie der Grafik leicht zu entnehmen ist, wird der Bereich der Stabilität hier sowohl vom hydrothermalen als auch vom geothermalen Gradienten bestimmt. Bei größeren Wassertiefen fällt die Temperatur zum Meeresgrund hin zunächst ab, bevor sie im Sediment mit zunehmender Tiefe wieder ansteigt. Daraus folgt, dass mit zunehmender Tiefe des Meeresbodens mächtigere Dicken von Gashydratstabilität zu erwarten sind. Wie die Abbildung ebenfalls vermuten lässt, könnte sich das Hydrat auch oberhalb des Bodens noch stabil halten, allerdings ist die Methankonzentration in diesem Bereich zu niedrig, als dass sich Hydrat bilden könnte.

Die Hydrat-Phasen-Grenze gibt in beiden Abbildungen den Bereich an, in dem das stabile Hydrat in Wasser und Gas zerfällt. Sie ist hauptsächlich von der Zusammensetzung des eingeschlossenen Gases bzw. seinen spezifischen physikalischen Eigenschaften abhängig.

Aber auch die Zusammensetzung des Porenwassers, die Größe der Poren oder die chemische Zusammensetzung können einen Einfluss auf ihren Verlauf haben. H2S oder CO2 verschiebt diese Grenze beispielsweise in Richtung wärmerer Temperaturen, im Porenwasser gelöste Salze zu niedrigeren Temperaturen. So reicht z.B. schon ein Anteil von nur 10% Äthan im Gasgemisch, um das Hydrat in nur 60m Tiefe und bei 6°C stabil zu halten.

Weltweite Verteilung

Abbildung 4 zeigt die bisher bekannte Verteilung der Methanhydrate auf der Welt. Die eingezeichneten Flächen markieren dabei sowohl bereits nachgewiesenen Lagerstätten als auch Positionen, an denen Gashydratvorkommen aufgrund seismischer Untersuchungen vermutet werden.

Die meisten Hydrate wurden in Subduktionszonen entlang aktiver Ozeanränder gefunden, an denen sich Akkretionskeile bilden, wie in den Pazifischen Gräben: vor Peru, im Mittelamerikanischen Graben, vor Oregon, am Okushiri-Rücken oder im Ochotskisches Meer. Hydrate wurden aber nicht nur in Ozeanen gefunden, auch im (intratektonischen) Schwarzen Meer wurden sie zusammen mit Schlamm-Vulkanen entdeckt. Die größten bekannten Vorkommen wurden am Blake Ridge und am Hydrate Ridge entdeckt.

Ein Vergleich der tatsächlich gefundenen Verteilung mit den beiden Entstehungstheorien zeigt außerdem eine bessere Übereinstimmung mit dem Migrationsmodell (wobei ein solcher Vergleich keinerlei Beweiskraft haben kann).

Nachweis

Es stellt sich nun die Frage, wie sich Hydratlagerstätten finden lassen. Eine Möglichkeit zum Nachweis der Existenz von Methanhydrat am Meeresboden ist natürlich die Entnahme von Proben. Eine wichtige Quelle für Proben von Gashydraten stellt der so genannte Hydratrücken vor der Küste Oregons dar. Mit einem Videogreifer konnten viele Proben vom Südgipfel des untermeerischen Rückens aus 780 m Wassertiefe geborgen werden, die nach ihrer Konservierung in flüssigem Stickstoff für weitere Untersuchungen zur Verfügung stehen.

Für die Detektion solcher Lagerstätten von der Meeresoberfläche aus werden allerdings effizientere Methoden benötigt, die nach Möglichkeit auch eine Quantifizierung der Hydratmenge erlauben sollten. Ein seit längerem bekanntes Phänomen, welches für diese Zwecke eingesetzt wird, ist der so genannte Bodensimulierende Reflektor (BSR).

Dabei handelt es sich um eine seismische Reflektion mit negativem Reflektionskoeffizienten. Sie zeigt sich bei seismischen Untersuchungen des Meeresbodens als eine Art Schattenlinie der Oberfläche des Meeresbodens. Diese Reflektion bildet sich an der Grenzfläche zwischen den Hydrat-führenden Sedimenten und dem darunter angesammelten freien Methan durch die Unterschiedliche Laufzeit der Schallwellen in diesen unterschiedlichen Medien.


Die nebenstehende Abbildung 3 zeigt einen solchen Reflektor. Man erkennt deutlich, dass diese Linie nicht dem stratigraphischen Verlauf folgt, sondern die Form der Oberfläche widerspiegelt. Man findet solche Reflektoren in mehreren Hundert Metern Tiefe an der unteren Grenze der GHSZ.

Dieses Verfahren setzt allerdings einen vertikalen Fluss bei der Entstehung von Methanhydrat voraus, bei dem Methan von unten aufgestiegen ist und sich unterhalb des Hydrats angesammelt hat.

Das Vorhandensein von freiem Gas unterhalb der Hydrat-führenden Sedimente ist zudem essentiell für diese Methode, da dadurch der Kontrast zwischen den unterschiedlichen Laufzeiten der Schallwellen hinreichend genug erhöht ist, um den Reflektor messen zu können.
Abbildung 5 zeigt die Änderungen der Intervallgeschwindigkeiten bei der seismischen Messung in den unterschiedlichen Medien.

Mit der Weiterentwicklung von seismischen Detektionsmethoden zum Aufspüren von Gashydrat am Meeresgrund beschäftigt sich derzeit auch das Projekt INGGAS am Geomar in Kiel.