Введение

Метановый гидрат (CH4·5.75H2O) или (4CH4·23H2O), также называемый гидрат метана, гидрометан, метановый лед, огневой лед, гидрат природного газа или газовый гидрат, является твердым клатратным соединением (точнее, гидрат клатрата), в котором большое количество метана заключено в кристаллической структуре воды, образуя твердое вещество, похожее на лед. Изначально предполагалось, что он встречается только во внешних областях Солнечной системы, где низкие температуры и распространен водный лед, однако значительные залежи метангидрата были обнаружены под осадочными породами на дне океанов Земли (примерно в 1100 метров ниже уровня моря). Метангидрат образуется при контакте воды, связанной водородными связями, и газа метана при высоких давлениях и низких температурах в океанах. Метановые клатраты являются обычными компонентами прибрежной морской геосферы и встречаются в глубоких осадочных структурах, образуя выходы на дне океана. Считается, что гидраты метана образуются в результате осаждения или кристаллизации метана, мигрирующего из глубины вдоль геологических разломов. Осаждение происходит, когда метан контактирует с водой в морском дне, подверженной воздействию температуры и давления. В 2008 году исследования ледяных кернов станции Восток в Антарктиде и EPICA Dome C показали, что метангидраты также присутствовали в глубоких антарктических ледяных кернах и отражают историю концентрации метана в атмосфере, датируемую 800 000 лет назад. Данные о метангидратах в ледяных кернах являются основным источником информации для исследований глобального потепления, наряду с данными о кислороде и углекислом газе. Ранее метангидраты рассматривались как потенциальный источник резких изменений климата в соответствии с гипотезой о «гидратном пистолете». В этом сценарии нагрев вызывает катастрофическое таяние и разрушение преимущественно подводных гидратов, что приводит к массивному выбросу метана и ускорению потепления. Современные исследования показывают, что гидраты очень медленно реагируют на потепление, и что метану трудно попасть в атмосферу после диссоциации. Некоторые активные просачивания, напротив, действуют как незначительный поглотитель углерода, поскольку большая часть метана растворена в воде и способствует развитию сообществ метанотрофов, а область вокруг просачивания становится более благоприятной для фитопланктона. В результате метангидраты больше не рассматриваются как одна из критических точек в климатической системе, и согласно Шестому оценочному докладу МГЭИК, в этом столетии не ожидается "обнаружимого" влияния на глобальные температуры через этот механизм. Однако в течение нескольких тысячелетий может наблюдаться более существенный ответ.

Общий

Гидраты метана были обнаружены в России в 1960-х годах, а исследования по добыче газа из них начались в начале XXI века.

Структура и состав

Номинальный состав гидрата клатрата метана составляет (CH4)4(H2O)23, или 1 моль метана на каждые 5,75 моль воды, что соответствует 13,4% метана по массе, хотя фактический состав зависит от количества молекул метана, помещающихся в различные клеточные структуры водной решетки. Наблюдаемая плотность составляет около 0,9 г/см³, что означает, что гидрат метана будет плавать на поверхности моря или озера, если он не зафиксирован на месте, формируясь в осадках или закрепляясь в них. Один литр полностью насыщенного метанового клатрата содержит около 120 граммов метана (или около 169 литров метанового газа при 0 °C и 1 атм).

Природные месторождения

Метановые клатраты встречаются только в верхних слоях литосферы (то есть на глубине менее 2000 м). Более того, необходимые условия для их образования существуют либо в континентальных осадочных породах полярных регионов, где средняя температура поверхности ниже 0 °C, либо в океанических отложениях на глубинах более 300 м, где температура воды у дна около 2 °C. Помимо этого, газогидраты могут образовываться и в глубоких пресноводных озерах, например, в озере Байкал в Сибири. Континентальные залежи обнаружены в Сибири и на Аляске в песчаниках и алевритах на глубине менее 800 м. Океанические залежи, по всей видимости, широко распространены на континентальном шельфе (см. рис.) и могут находиться как на значительной глубине в осадках, так и вблизи границы осадок-вода. Они могут перекрывать даже более крупные скопления газообразного метана.

Океанический

Гидрат метана может встречаться в различных формах, таких как массивные образования, рассеянные в порах, конкреции, прожилки/трещины/разломы и слоистые горизонты. Обычно он нестабилен при стандартных условиях давления и температуры, и 1 м³ гидрата метана при диссоциации выделяет около 164 м³ метана и 0,87 м³ пресной воды. Существует два различных типа океанических отложений. Наиболее распространенный из них представлен (> 99%) метаном, заключенным в структуру I клатрата и обычно встречающимся на глубине в осадочных породах. Здесь метан изотопно легкий (δ¹³C < −60‰), что указывает на его происхождение из микробного восстановления CO₂. Считается, что клатраты в этих глубоких отложениях образовались in situ из метана, образованного микроорганизмами, поскольку значения δ¹³C клатрата и окружающего растворенного метана схожи. Эти отложения расположены в средней по глубине зоне толщиной около 300–500 м в осадках (зона стабильности газогидратов, или GHSZ), где они сосуществуют с метаном, растворенным в пресной, а не соленой воде. Выше этой зоны метан присутствует только в растворенном виде в концентрациях, уменьшающихся к поверхности осадка. Ниже этой зоны метан находится в газообразном состоянии. На хребте Блейка на Атлантическом континентальном склоне GHSZ начинается на глубине 190 м и продолжается до 450 м, где достигается равновесие с газовой фазой. Измерения показали, что метан занимает 0,9% объема в GHSZ и около 12% в газообразной зоне. Менее распространенный второй тип, обнаруженный вблизи поверхности осадка, в некоторых образцах содержит более высокую долю углеводородов с более длинной цепью (< 99% метана), заключенных в клатрат структуры II. Углерод в этом типе клатрата изотопно тяжелее (δ¹³C составляет от −29 до −57‰) и, предположительно, мигрировал вверх из глубоких осадков, где метан образовался в результате термического разложения органического вещества. Примеры таких отложений были найдены в Мексиканском заливе и Каспийском море. Метан в клатратах обычно имеет биогенную изотопную подпись и сильно варьирующийся δ¹³C (−40 до −100‰) со средним значением около −65‰. Ниже зоны твердых клатратов большие объемы метана могут образовывать пузырьки свободного газа в осадках. Наличие клатратов на данном участке часто можно определить по наблюдению "нижнего симулирующего отражателя" (BSR) – сейсмического отражения на границе между осадком и зоной стабильности клатратов, вызванного разницей в плотности нормальных осадков и осадков, содержащих клатраты. Газогидратные пинго были обнаружены в Арктическом океане, в Баренцевом море. Метан выходит в виде пузырей из этих куполообразных структур, при этом некоторые газовые факелы простираются почти до поверхности моря.

Размер резервуара

Размер океанического резервуара метанклатратов плохо известен, и оценки его размера уменьшались примерно на порядок за десятилетие с тех пор, как впервые было признано, что клатраты могут существовать в океанах в 1960-х и 1970-х годах. Наиболее высокие оценки (например, 3 м³) были основаны на предположении, что полностью плотные клатраты могут покрывать всё дно глубокого океана. Улучшение нашего понимания химии клатратов и осадочной геологии показало, что гидраты образуются только в узком диапазоне глубин (континентальные шельфы), лишь в некоторых местах в пределах диапазона глубин, где они могут существовать (10–30% зоны стабильности газогидратов), и обычно встречаются в низких концентрациях (0,9–1,5% по объему) в местах их обнаружения. Недавние оценки, основанные на прямом отборе проб, указывают на то, что глобальный запас составляет около 400 Гт С. Запас в вечной мерзлоте Арктики оценивается примерно в 400 Гт С, но оценки возможных антарктических резервуаров не проводились. Это значительные объемы. Для сравнения, общее количество углерода в атмосфере составляет около 800 гигатонн (см. Углерод: распространение). Эти современные оценки значительно меньше, чем 10 000–11 000 Гт С (2 м³), предложенные предыдущими исследователями в качестве основания для рассмотрения клатратов как геоорганического топливного ресурса (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Меньшая распространенность клатратов не исключает их экономического потенциала, но меньший общий объем и, по-видимому, низкая концентрация на большинстве участков… Метангидратное месторождение Маллик было впервые обнаружено компанией Imperial Oil в 1971–1972 годах.

Коммерческое использование

Экономические месторождения гидрата называются гидратом природного газа (NGH) и содержат 164 м³ метана и 0,8 м³ воды на 1 м³ гидрата. Большая часть NGH находится под морским дном (95%), где она существует в термодинамическом равновесии. Осадочный резервуар гидрата метана, вероятно, содержит в 2–10 раз больше известных на данный момент запасов обычного природного газа, по состоянию на 2013 год. Это потенциально важный будущий источник углеводородного топлива. Однако в большинстве местоположений считается, что месторождения слишком рассеяны для экономически выгодной добычи. Потенциальный экономический запас в Мексиканском заливе может содержать приблизительно [укажите количество] газа. Метод, разработанный Университетом Бергена, проходит полевые испытания при участии компаний ConocoPhillips и государственной корпорации Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC), частично финансируемых Министерством энергетики США. Проект уже достиг стадии закачки и к 12 марта 2012 года анализировал полученные данные. 12 марта 2013 года исследователи JOGMEC объявили об успешном извлечении природного газа из замороженного гидрата метана. Для извлечения газа использовалось специализированное оборудование для бурения и снижения давления в гидратных отложениях, что привело к отделению метана от льда. Затем газ собирали и транспортировали на поверхность, где его воспламенили для подтверждения его наличия. Гидратное месторождение, из которого был извлечен газ, расположено у берегов центральной Японии в Нанкайском жёлобе, под морским дном. В отрасли существует общее мнение, что коммерческое производство находится на расстоянии нескольких лет.

Опасения по поводу окружающей среды

Эксперты предостерегают, что воздействие на окружающую среду все еще изучается, и что метан — парниковый газ, обладающий потенциалом глобального потепления в 25 раз превышающим потенциал углекислого газа за период в 100 лет (GWP100) — может потенциально высвободиться в атмосферу в случае возникновения проблем. Более того, несмотря на то, что природный газ чище угля, его сжигание также приводит к выбросам углекислого газа.

Гидраты природного газа для хранения и транспортировки газа

Поскольку клатраты метана стабильны при более высокой температуре, чем сжиженный природный газ (СПГ) (-20 против -162 °C), существует интерес к преобразованию природного газа в клатраты (солидифицированный природный газ или СНГ) вместо сжижения при транспортировке морским транспортом. Существенным преимуществом было бы то, что для производства гидрата природного газа (ГПГ) из природного газа на терминале потребуется менее мощная холодильная установка и меньше энергии, чем для СПГ. Однако, для транспортировки 100 тонн метана потребуется 750 тонн гидрата метана; поскольку это потребует судно с водоизмещением в 7,5 раз больше, или больше судов, это вряд ли окажется экономически целесообразным. В последнее время гидрат метана привлек значительное внимание для крупномасштабного стационарного хранения благодаря мягким условиям хранения, обеспечиваемым добавлением тетрагидрофурана (ТГФ) в качестве со-гостя. Добавление тетрагидрофурана приводит к незначительному снижению емкости хранения газа, но недавнее исследование показало, что гидраты стабильны в течение нескольких месяцев при -2 °C и атмосферном давлении. Недавнее исследование также продемонстрировало, что СНГ может быть получен непосредственно из морской воды, а не из чистой воды, в сочетании с ТГФ.