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Online-Nachschlagewerk zur Meeresforschung
Herausgeber: Dr. D. Völker

Gashydrate

Autor: Dr. David Voelker

Gashydrate sind feste Verbindungen von verschiedenen Gasen und Wasser, die unter dem hohem Druck und den geringen Wassertemperaturen in Sedimenten der Kontinentalhänge stabil sind. Sie speichern gewaltige Mengen an Methan und anderen Kohlenwassestoffen und bewirken eine Verfestigung der Sedimente.

Gashydrate sind zur Zeit ein heißes Thema in der Meeresforschung, zu deren Erforachung relativ viel Aufwand getrieben wird. In Deutschland sind -federführend ist das Kieler GEOMAR-Institut- einige große Projekte (z.B. HYDGAS und TECFLUX) mit der Erforschung der Entstehung, potentiellen Nutzung und geologischen sowie klimatischen Relevanz von Gashydraten beschäftigt. Aufgrund der aktuellen Relevanz (s.u.) haben diverse Zeitschriften wie Scientific American oder MARE dem Thema unter reisserischen Überschriften wie "brennendes Eis" oder "Meereszeitbombe" Artikel gewidmet. Viele Informationen enthält die Seite der Arbeitsgruppe Gashydrate am GEOMAR Kiel.

Was sind Gashydrate?

Als Gashydrat oder Klathrat wird die feste Phase eines Gemisches von Wasser und natürlichen Gasen bezeichnet. In der Kristallstruktur sind die Gasmoleküle fest eingebaut, so daß auch von gashaltigem Eis gesprochen wird. Dies können Gase wie Stickstoff, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Methan oder Propan sein, die etwa bei der Zersetzung organischer Materie entstehen.

feste Gashydrate im Sediment

Sedimentbrocken mit festen Gashydraten (weiße Lagen) durchsetzt. Bildquelle: Arbeitsgruppe Gashydrate am GEOMAR Kiel mit freundlicher Erlaubnis von Dr. Gerd Bohrmann



brennendes Eis

Gashydrate zersetzen sich unter Atmosphärendruck. Das brennbare Methan kann entzündet werden, daher der Titel "brennendes Eis". Bildquelle: Arbeitsgruppe Gashydrate am GEOMAR Kiel mit freundlicher Erlaubnis von Dr. Gerd Bohrmann



Methanhydrat, das geschätzte 90 % aller Klathrate ausmacht ist bei Temperaturen um den Gefrierpunkt und hohen Drucken (20 Atmosphären) stabil, unter Atmosphärendruck zersetzt es sich schnell in Methan und Wasser. Das Vorkommen ist daher auf den Porenraum von Sedimenten in der Tiefsee beschränkt. Dort kann es allerdings Lagerstätten von gewaltigem Umfang bilden.

Wie und wo entsteht Methanhydrat?

Methan entsteht aus der bakteriellen Zersetzung von organischer Materie (Faulgas), d.h. überall dort, wo biogene Sedimentation zu einer Anreicherung von organischer Materie im Sediment führt und eine Oxidation erfolgen kann. Die Temperatur- und Druckbedingungen, die für die Bildung von Klathraten notwendig sind, werden etwa ab 500 m Wassertiefe erreicht. In der Tiefsee führt die generell geringe Lebensdichte an Organismen der offenen Ozeane und der lange Transportweg zum Meeresboden dazu, daß in der Regel wenig organisches Material im Sediment angereichert wird. An Kontinentalhängen im Übergang von Gebieten mit hoher biogener Produktion zu großen Wassertiefen bilden die relativ hohe Exportproduktion von organischer Materie und Druck und Temperaturverhältnisse die Voraussetzung für die Bildung großer Hydratlagerstätten. Methanhydrat ist im Sediment bis in einige hundert Meter Tiefe stabil. Unterhalb dieser Tiefe sorgt der Wärmefluß der Erde für Bedingungen, unter denen Hydratbildung verhindert wird. Das am besten erforschte Gebiet ist der Kontinentalrand vor Oregon, wo die Sedimentakkretion im Verlauf der Subduktion der Juan-de-Fuca Platte unter die Nordamerikanische Platte zum Aufbau einer großen Sedimentstruktur (Hydratrücken) geführt hat. Diese Struktur wird im Rahmen des TECFLUX-Projektes beprobt.

Was macht Gashydrate so interessant?

Aus geologischer Sicht ist das Vorkommen von Methanhydraten aus verschiedenen Gründen von großem Interesse:

Da das Stabilitätsfeld der Gashydrate eng begrenzt ist, befinden sich einige der bekannten Hydratvorkommen vermutlich in einem Grenzzustand, bei dem eine Abnahme des Drucks (z.B. durch Meeresspiegelabsenkungen) oder konstantem Druck und leicht erhöhten Wassertemperaturen zu einer Auflösung der festen Hydrate und einer Freisetzung großer Mengen von Methan führen könnte. Durch solche relativ kurzfristigen Ereignisse könnten (1) große Bereiche von Kontinentalhängen destabilisiert werden und (2) der Methangehalt der Atmosphäre angehoben werden mit vermutlich beträchtlichen Folgen für die Energiebilanz der Erde (Treibhauseffekt).

Wenn die verfestigende Wirkung der Hydrate auf die ozeanischen Sedimente wegfällt, weil die für die Stabilität der Hydrate kritische Isotherme in größere Wasserteifen verschoben wird, kann es an Kontinentalrändern zu submarine Rutschungen kommen, die dann riesige Sedimentmassen erfassen könnten. Die Storegga Rutschmasse am Norwegischen Kontinentalhang, bei der Hunderte Kubikkilometer Material verfrachtet wurden, könnte hierfür ein Beispiel sein.

Das enge Stabilitätsfeld der Gashydrate bewirkt, daß eine Kristallisationsfront durch das Sediment verläuft, oberhalb von der Methanhydrat instabil ist und unterhalb von der das Sediment durch feste Gashydrate zusammengebacken wird. Diese Front ist im wesentlichen durch eine Isotherme festgelegt und verläuft daher -oft quer durch alle lithologischen Grenzen- parallel zum Meeresboden. Da die festen Hydrate eine Veränderung der akustischen Impedanz bewirken, bildet sich die Grenze in seismischen Aufzeichnungen durch einen Reflektor ab, der parallel zur Oberfläche des Meeresbodens und durch lithologisch bedingte Reflektoren verläuft, einen sogenannten Bottom-Simulating Reflector (BSR). BSR sind oft ein Hinweis auf eine Grenzfläche zwischen hydrathaltigen und darunterliegenden gashaltigen Sedimenten.

bottom-simulating reflector

Beispiel für einen bottom-simulating reflector (BSR) in einer seismischen Aufzeichnung. Der BSR wird durch das Stabilitätsfeld der Gashydrate bestimmt: oberhalb des BSR wird das aufsteigende Gas in festen Gashydraten gebunden, die als Knollen, Lagen oder Zement das Sediment verfestigen. Abbildung des U.S. Geological Survey (USGS), Woods Hole Field Center, Gas Hydrate Studies.