一般的な メタンハイドレートは1960年代にロシアで発見され、21世紀初頭にはそこからガスを抽出する研究が始まった。[ 11 ]
構造と組成 顕微鏡画像 メタンクラスレートハイドレートの公称組成は (CH 4 ) 4 (H 2 O) 23 で あり、水 5.75 モルに対してメタン1モルで、質量比で 13.4% のメタンに相当しますが、実際の組成は、水 格子 のさまざまなケージ構造に収まるメタン分子の数に依存します。観測された密度は約 0.9 g/cm 3 であり、これは、メタンハイドレートが堆積物中に形成されたり、堆積物に固定されたりしない限り、海や湖の表面に浮上することを意味します。[ 12 ] したがって、完全に飽和したメタンクラスレート固体 1 リットルには、約 120 グラムのメタン (または 0 °C、1 atmで約 169 リットルのメタンガス) が含まれます[ nb 1 ] 、または 1 立方メートルのメタンクラスレートは約 160 立方メートルのガスを放出します。[ 11 ]
メタンは、単位セルあたり2つの十二面体 (20個の頂点、つまり20個の水分子)と6つの十四面体 (24個の水分子)の水ケージを持つ「構造I」ハイドレートを形成する。(各水分子は4つのケージ間で共有されるため、単位セルあたり46個の水分子と8個のメタン分子が存在する。)これは、水溶液中のメタンの水和数20と比較される。 [ 13 ] 275 K 、3.1 MPa で記録されたメタンクラスレートMAS NMR スペクトルは、各ケージタイプのピークと気相 メタンの別のピークを示している。2003年に、メタンハイドレート複合体をナトリウムに富むモンモリロナイト 粘土の層間に導入した粘土-メタンハイドレートインターカレートが合成された。この相の上限温度安定性は、構造Iハイドレートのそれと似ている。[ 14 ]
メタンハイドレートの相図。横軸は温度を示しています。 −15~33 ℃ の範囲では、縦軸は0~120,000キロパスカル(0~1,184気圧)の圧力を示しています。ハイドレートはこの線より上で形成されます。例えば、4 ℃では、約50気圧/5000kPaの圧力以上でハイドレートが形成されます。この圧力は、 海深約500mで見られます。
天然鉱床 1996年における、確認済みまたは推定される海底ガスハイドレート含有堆積物の世界的な分布。出典:米国地質調査所(USGS) オレゴン沖の沈み込み帯から採取されたガスハイドレート含有堆積物 オレゴン沖の沈み込み帯で発見されたガスハイドレート片の具体的な構造 メタンハイドレートは浅い岩石圏 (すなわち、深さ 2,000 m 未満)に限定されます。さらに、必要な条件は、平均表面温度が 0 °C未満の極地の大陸堆積岩、または 底水 温度が約 2 °C である水深 300 mを超える海洋堆積物 のいずれかにのみ存在します。加えて、シベリアの淡水湖バイカル湖 のように、深い淡水湖にもガスハイドレートが存在する可能性があります。[ 15 ] 大陸堆積物は、シベリア とアラスカ の深さ800 m 未満の砂岩 およびシルト岩 層で発見されています。海洋堆積物は大陸棚 に広く分布しているようで(図を参照)、深部の堆積物内または堆積物と水の界面 付近に存在する可能性があります。これらは、さらに大きなガス状メタン堆積物を覆う可能性があります。[ 16 ]
海洋 メタンハイドレートは、塊状、間隙空間内に分散、結節、脈/亀裂/断層、層状など、さまざまな形態で存在する可能性があります。[ 17 ] 一般的に、標準圧力および温度条件下では不安定であることが判明しており、1 m 3 のメタンハイドレートが解離すると、約 164 m 3 のメタンと 0.87 m 3 の淡水が生成されます。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] 海洋堆積物には 2 つの明確なタイプがあります。最も一般的なものは、構造 Iクラスレートに含まれる メタン が支配的 (> 99%) で、一般的に堆積物の深部で見つかります。ここで、メタンは同位体的に軽く ( δ 13 C < −60‰)、これは CO 2 の微生物還元 に由来することを示しています。これらの深層堆積物中のクラスレートは、クラスレートと周囲の溶解メタンのδ 13 C値が類似していることから、微生物によって生成されたメタンからその場で形成されたと考えられている。[ 16 ] しかし、世界中の永久凍土や大陸棚沿いの石油・ガス井の加圧に使用される淡水が天然メタンと結合して深部と圧力下でクラスレートを形成するとも考えられている。これは、メタンハイドレートが塩水よりも淡水中で安定しているためである。[ 2 ] ハイドレート形成は塩水から純水を抽出するため、局所的に、そして場合によっては大幅に地層水の塩分濃度が上昇する可能性があるため、局所的な変動は広範囲に及ぶ可能性がある。ハイドレートは通常、形成元の間隙流体中の塩分を排除する。そのため、氷のように高い電気抵抗率を示し、ハイドレートを含む堆積物はガスハイドレートを含まない堆積物よりも高い抵抗率を示す(Judge [67])。[ 21 ] : 9
これらの堆積物は、堆積物中の厚さ約300~500mの中深度帯(ガスハイドレート安定帯 、GHSZ)に位置し、塩分を含まない淡水の間隙水に溶解したメタンと共存している。この帯より上では、メタンは溶解した形態でのみ存在し、その濃度は堆積物表面に向かって減少する。この帯より下では、メタンは気体である。大西洋大陸斜面の ブレイクリッジ では、GHSZは深度190mから始まり、450mまで続き、そこで気相と平衡状態 に達した。測定結果によると、メタンは GHSZでは体積比で0%~9% 、ガスゾーンでは約12%である。 [ 22 ] [ 23 ]
堆積物表面付近で見られるあまり一般的ではない第2のタイプでは、構造IIクラスレートに含まれる長鎖炭化水素(99%未満メタン)の割合が高いサンプル も ある。このタイプのクラスレートの炭素は同位体的に重く( δ13Cは-29~-57‰)、 有機物 の熱分解によってメタンが生成された深層堆積物から上方へ移動してきたと考えられている。このタイプの堆積物の例は、メキシコ湾 とカスピ海 で発見されている。[ 16 ]
一部の堆積物は、微生物起源のものと熱起源のものの中間的な特徴を持ち、両者の混合物から形成されたと考えられている。
ガスハイドレート中のメタンは、主に低酸素環境で有機物を分解する微生物群集によって生成され、メタン自体はメタン生成古 細菌 によって生成されます。堆積物の最上部数センチメートルの有機物は、まず好気性細菌によって分解され、CO₂が生成され、 それが堆積物から水柱 へと放出されます。この好気性活動領域より下では、嫌気性プロセスが優勢になり、深さとともに、亜硝酸塩/硝酸塩、金属酸化物の微生物還元、そして硫酸塩の 硫化物 への還元が順次行われます。最終的に、メタン生成が有機炭素の 再鉱化 の主要な経路となります。
堆積速度が遅く(約 1cm/年)、有機炭素含有量が遅く(約1%)、酸素が豊富な場合、好気性細菌は堆積物中の有機物を酸素の消費よりも速く消費してしまうため、低エネルギー電子受容体は使用されません。しかし、堆積速度と有機炭素含有量が高い場合(大陸棚や西岸境界流の 湧昇域 の下部で典型的です)、堆積物中の間隙水はわずか数センチメートル以下の深さで 無酸素状態 になります。このような有機物に富む海洋堆積物では、硫酸塩が海水 中の濃度が高いため、最も重要な末端電子受容体となります。しかし、硫酸塩も数センチメートルから数メートルの深さで枯渇します。この深さより下ではメタンが生成されます。このメタン生成はかなり複雑なプロセスであり、強い還元環境(Eh)を必要とします。 −350~−450 mV )とpH6~8、そして様々な種類の古細菌と細菌からなる複雑な共生微生物 群集が存在する。しかし、実際にメタンを放出するのは古細菌だけである。
一部の地域(メキシコ湾、上越盆地など)では、クラスレート中のメタンは、少なくとも部分的には有機物の熱分解(石油生成など)に由来する可能性があり、ハイドレート自体の中に油が異質な成分として形成され、ハイドレートが解離したときに回収されることもある。[ 24 ] [ 25 ] クラスレート中のメタンは通常、生物起源の同位体シグネチャー を持ち、δ13C ( −40‰から−100‰ )で、平均は約−65‰である。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] 固体クラスレートのゾーンの下では、大量のメタンが堆積物中に自由ガスの泡を形成する可能性がある。[ 22 ] [ 30 ] [ 31 ]
ある地点におけるクラスレートの存在は、多くの場合、海底模擬反射面 (BSR)の観測によって判断できる。BSRとは、通常の堆積物とクラスレートを含む堆積物の密度の不均一性によって生じる、堆積物とクラスレート安定帯の境界面における地震波の反射面である。
ガスハイドレートのピンゴが 北極海のバレンツ海で発見された。これらのドーム状の構造物からはメタンが泡立ち、これらのガスフレアの一部は海面近くまで伸びている。[ 32 ]
貯水槽のサイズ メキシコ湾北部の海底にある炭酸塩岩の下に存在するガスハイドレート 海洋メタンクラスレート貯留層の規模はよく分かっておらず、1960年代から1970年代にかけてクラスレートが海洋に存在する可能性が初めて認識されて以来、その規模の推定値は10年ごとに約1桁ずつ 減少している。[ 33 ] 最も高い推定値(例えば3 × 10) 18 m 3 ) [ 34 ] は、完全に高密度のクラスレートが深海の海底全体に散乱している可能性があるという仮定に基づいていた。クラスレートの化学と堆積学 に関する理解の進歩により、ハイドレートは狭い範囲の深度 (大陸棚 ) でのみ形成され、発生可能な深度範囲 (ガスハイドレート安定ゾーン の 10~30% ) 内の一部の場所でのみ形成され、通常は低濃度 (永久凍土の貯留量は、存在する場所では体積比で0.9%~1.5%である。直接サンプリングによって制約された最近の推定では、地球全体の貯留量は1×10¹⁵ ~5×10¹⁵ 立方メートル(0.24~1.2百万立方マイル)を占めると示唆されている。 [ 33 ] この 推定 値 は 、 炭素500 ~ 2500 ギガトン(Gt C)に相当し、他のすべての地質有機燃料埋蔵量について推定された5000 Gt Cよりは小さいが、他の天然ガス源について推定された約230 Gt Cよりは大幅に大きい。 [ 33 ] [ 35 ] 北極の永久凍土貯留量は約400 Gt Cと推定されているが、 [ 36 ] 南極の貯留量については推定されていない。これらは大きな量である。比較すると、大気中の炭素総量は約800ギガトンである(炭素§ 発生を 参照)。
これらの現代の推定値は、 10,000 ~ 11,000 Gt C (2 × 10 16 m 3 )は、以前の研究者によって、クラスレートを地質有機燃料資源とみなす理由として提案されました( MacDonald 1990 、Kvenvolden 1998)。クラスレートの存在量が少ないからといって、その経済的可能性がなくなるわけではありませんが、総量が少なく、ほとんどの場所で濃度が低いように見えることから、クラスレート鉱床 の ごく 一部だけが経済的に実行可能な資源となる可能性があることが示唆されます。
商用利用 経済的に採算の取れるハイドレート鉱床は天然ガスハイドレート(NGH)と呼ばれ、1 m³のハイドレート中に164 m³のメタンと0.8 m³の水を貯蔵 し ている 。[ 40 ] NGHの大部分(95%)は海底下に存在し、そこで熱力学的平衡状態にある。堆積性メタンハイドレート貯留層には、 2013年時点で現在知られている従来型 天然ガス の埋蔵量の2~10倍の埋蔵量があると推定されている。 [ 41 ] これは将来的に重要な炭化水素 燃料 源となる可能性を秘めている。しかし、ほとんどの場所では、鉱床が分散しすぎていて経済的に採掘できないと考えられている。[ 33 ] 商業 的開発において直面するその他の問題は、採掘可能な埋蔵量の発見と、ハイドレート鉱床からメタンガスを抽出する技術の開発である。
2006年8月、中国は今後10年間で天然ガスハイドレートの研究に8億元(1億米ドル)を投じる計画を発表した。[ 42 ] メキシコ湾の潜在的に経済的に採算の取れる埋蔵量には、約1000 億立方メートル(3.5 × 10 ^ 12 立方 フィート) のガスが含まれている可能性がある。[ 33 ] ベルゲン大学 物理技術研究所のビョルン・クヴァメ とアルネ・グラウエは、ハイド レートに CO2 を注入し、そのプロセスを逆転させることで、直接交換によりCH4を抽出する方法を開発した。[ 43 ] ベルゲン 大学 の方法は、コノコフィリップス と国営の石油天然ガス金属鉱物資源機構 (JOGMEC)によって現場で試験されており、米国エネルギー省から一部資金提供を受けている。このプロジェクトはすでに注入段階に達しており、2012年3月12日までに得られたデータの分析を行っていた。[ 44 ]
2013年3月12日、JOGMECの研究者らは、凍結したメタンハイドレートから天然ガスを抽出することに成功したと発表した。 ガスを抽出するために、特殊な装置を使用してハイドレート鉱床に穴を開け、減圧することで、メタンを氷から分離させた。その後、ガスを収集し、パイプラインで地上に送り、点火してその存在を証明した。[ 46 ] 業界の広報担当者によると、「これはメタンハイドレートからガスを生産する世界初の海上実験だった」とのことである。 これまで、陸上鉱床からはガスが抽出されていたが、はるかに一般的な海上鉱床からは抽出されたことはなかった。[ 46 ] ガスが抽出されたハイドレート鉱床は、日本の中心部から50キロメートル(31 マイル)離れた 南海トラフ にあり、海底300メートル(980 フィート)のところにある。 [ 46 ] JOGMECの広報担当者は「日本はついに自国のエネルギー源を手に入れることができるかもしれない」と述べた。[ 46 ] 海洋地質学者の佐藤幹雄氏は「抽出が可能であることがわかった。次のステップは、日本がコストをどれだけ下げて技術を経済的に実現可能にできるかを見極めることだ」と述べた。[ 46 ] 日本は、南海トラフに少なくとも1.1兆立方メートルのメタンが閉じ込められていると推定しており、これは10年以上の国内需要を満たすのに十分な量である。[ 46 ]
日本と中国は2017年5月に、南シナ海 のメタンハイドレートからメタンを抽出した際に、メタンハイドレート採掘 における画期的な成果を発表した。[ 11 ] 中国はこの成果を画期的と表現し、シンガポール国立大学化学・生物分子工学科のプラヴィーン・リンガ氏も「日本の研究で得られた結果と比較すると、中国の科学者たちは今回の取り組みでより多くのガスを抽出することに成功した」と同意した。 [ 47 ] 業界の共通認識としては、商業規模での生産はまだ数年先である。[ 48 ]
環境問題 専門家は、環境への影響はまだ調査中であり、メタンは二酸化炭素の約81.2倍の地球温暖化係数(GWP20)を持つ温室効果 ガスであり[ 49 ] 、何らかの問題が発生した場合に大気中に放出される可能性があると警告している[ 50 ] 。メタンの大気中寿命は二酸化炭素よりもはるかに短いため、長期間にわたるGWPははるかに低く、GWP-100は27.9、GWP-500は7.95である[ 51 ] 。: 7SM-24
天然ガス処理におけるハイドレート
日常業務 メタンクラスレート(ハイドレート)は、天然ガス生産工程において、高圧下で液体の水がメタンの存在下で凝縮する際に一般的に形成されます。エタンやプロパンのようなより大きな炭化水素分子もハイドレートを形成することが知られていますが、より長い分子(ブタン、ペンタンなど)は水のケージ構造に収まらず、ハイドレートの形成を不安定化させる傾向があります。
いったん形成されたハイドレートは、パイプラインや処理設備を詰まらせる可能性があります。そのため、通常は圧力を下げる、加熱する、または化学的方法(メタノールがよく使われる)で溶解することによって除去されます。圧力を下げると、ハイドレートが固体ハイドレートから相転移を 起こして水と気体メタンを大量に放出する可能性があるため、ハイドレートの除去は慎重に制御する必要があります。密閉系でメタンガスが急速に放出されると、圧力が急激に上昇する可能性があります。[ 12 ]
一般的に、水和物の形成や装置の詰まりを防ぐことが望ましい。これは通常、水分を除去するか、エチレングリコール (MEG)やメタノール を添加することで実現される。これらの物質は、水和物が形成される温度を下げる働きをする。近年では、キネティック水和物阻害剤(水和物の形成に必要な過冷却度を高めるが、その代償として水和物の形成速度が増加する)や、水和物の形成自体を防ぐのではなく、水和物が凝集して装置を詰まらせるのを防ぐ抗凝集剤など、他の形態の水和物阻害剤も開発されている。
深海掘削中のハイドレート相転移の影響 深海に沈んだ油ガス層を掘削する際、深海掘削中に見られる低温高圧のため、貯留層ガスが坑井内に流入し、ガスハイドレートを形成することがあります。ガスハイドレートは、掘削泥水やその他の排出流体とともに上昇することがあります。ハイドレートが上昇すると、環状部 の圧力が低下し、ハイドレートはガスと水に解離します。急速なガスの膨張により流体が坑井から噴出し、圧力がさらに低下するため、ハイドレートの解離がさらに進み、流体の噴出がさらに続きます。環状部からの流体の激しい噴出は、「キック」の潜在的な原因または要因の1つです。[ 52 ] (噴出を引き起こす可能性のあるキックは、通常ハイドレートとは関係ありません。噴出(坑井掘削)§ 地層キック を参照してください)。
水和物生成のリスクを低減する対策には、以下のようなものがある。
流量が高いと、流体中のハイドレート形成時間が制限され、キックの可能性が低減される。[ 52 ] 初期のハイドレート閉塞を検出するために、ライン流量を注意深く測定する。[ 52 ] ガス生産量が少ない場合、測定には特に注意が必要であり、比較的高いガス流量の場合よりもハイドレート形成の可能性が高くなる。[ 52 ] 坑井ケーシング が「閉鎖 」(隔離)された後のモニタリングは、ハイドレート形成を示す可能性がある。「閉鎖」後、ガスが貯留層 を通って坑井に拡散するにつれて圧力が上昇する。ハイドレートが形成されている間、圧力上昇率は低下する。[ 52 ] エネルギーの追加(例えば、坑井完成に使用されるセメントの硬化 によって放出されるエネルギー)は温度を上昇させ、ハイドレートをガスに変換し、「キック」を引き起こす可能性がある。
ブローアウトからの回復 石油貯蔵ドームの概念図。逆さまの漏斗状構造を形成し、石油を水上船舶へ送るためのパイプとして機能する。沈没した石油掘削施設が近くにある。 十分な深さでは、メタンは水と直接複合体を形成してメタンハイドレートを形成します。これは、2010 年のディープウォーター ホライズン石油流出事故の際に観察されました。BP の技術者は、 海面 下5,000 フィート (1,500 m) の深海油井 から流出した石油を回収するために、海底石油回収システムを開発し、展開しました。これには、最大の油井漏洩箇所の上に125 トン (276,000 ポンド)のドームを設置し、それを海面上の貯蔵容器にパイプで接続することが含まれていました。 [ 53 ] この方法は、漏洩した石油の約 85% を回収できる可能性がありましたが、このような深さではこれまでテストされていませんでした。[ 53 ] BP は 5 月 7 ~ 8 日にこのシステムを展開しましたが、ドーム内部にメタンクラスレートが蓄積したため失敗しました。メタンハイドレートは密度が約 0.9 g/cm 3 と低いため、ドーム内に蓄積し、浮力が増加して流れを妨げました。[ 54 ]
メタンハイドレートと気候変動 メタンクラスレートの堆積物のほとんどは、急速に反応するには深すぎる堆積物中に存在し、[ 57 ] アーチャー による 2007 年のモデリングでは、それらから生じるメタンの強制力は、全体的な温室効果 の小さな要素にとどまるはずだと示唆されている。[ 58 ] クラスレートの堆積物は、安定ゾーン の最も深い部分から不安定化します。これは通常、海底から数百メートル下にあります。海水温の持続的な上昇は、最終的には堆積物を通して温められ、最も浅く、最も縁辺にあるクラスレートが分解し始めますが、温度変化が海底のそこまで達するには、通常、1000 年以上かかります。[ 58 ] さらに、大西洋 と太平洋の 中緯度 堆積物に関するその後の研究では、発生源に関係なく、海底から放出されたメタンは、水深が430 m (1,411 ft) を超えると大気に到達しないことがわかった。また、この地域の地質学的特性により、550 m (1,804 ft)より浅い水深ではハイドレートが存在することは不可能である。[ 59 ] [ 60 ]
東シベリア北極棚におけるメタン放出の可能性 しかし、北極圏のメタンハイドレート鉱床の中には、他の鉱床よりもはるかに浅いものもあり、温暖化に対してはるかに脆弱である可能性がある。ボーフォート海 のカナダ沖の大陸斜面にある、海底の小さな円錐形の丘陵地帯に位置する閉じ込められたガス鉱床は、海面下わずか290 メートル(951フィート)にあり、既知のメタンハイドレート鉱床の中で最も浅いものと考えられている。 [ 61 ] しかし、東シベリア北極棚の平均水深は45メートルであり、海底下の永久凍土層によって密閉された海底下にハイドレート鉱床が存在すると考えられている。[ 62 ] [ 63 ] これは、温暖化が棚内のタリック やピンゴ のような地形に影響を及ぼす可能性があることを意味するため、それらはかつて凍結していたメタンのガス移動経路としても機能し、その可能性に多くの注目が集まっている。[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] Shakhova et al. (2008)は、現在、北極の海底永久凍土の下にメタンとメタンハイドレートとして少なくとも1,400ギガトンの炭素が閉じ込められており、その面積の5〜10%が開放タリックによって穿孔される可能性があると推定している。彼らの論文には当初、「予測されるハイドレート貯蔵量の最大50ギガトンがいつでも突然放出される可能性が非常に高い」という一文が含まれていた。この規模の放出は、地球の大気中のメタン含有量を12倍に増加させ、[ 67 ] [ 68 ] 温室効果 は2008年のCO2レベルの2倍に相当 する。
これがクラスレートガン仮説の原案であり、2008年に米国エネルギー省国立研究所システム[ 69 ] と米国地質調査所の気候変動科学プログラムは、北極におけるクラスレートの不安定化の可能性を、急激な気候変動の最も深刻な4つのシナリオの1つとして特定し、優先的に研究すべき対象として挙げた。USCCSPは2008年12月下旬に、このリスクの深刻さを推定した報告書を発表した[ 70 ] 。結合気候炭素循環モデル(GCM )に基づく、この仮説の影響に関する2012年の研究では、メタンハイドレート(PETMの炭素量推定値約2000 GtCに基づく)からの単一のパルスによる1000倍(<1から1000 ppmv)のメタン増加を評価し、 80年以内に大気温度が6℃以上上昇すると結論付けた。さらに、陸上生物圏に蓄積される炭素は25%未満減少するだろう。これは、特に熱帯地域における生態系と農業にとって危機的な状況を示唆している。[ 71 ] 2012年の文献評価では、東北極海の棚にあるメタンハイドレートが潜在的な引き金となる可能性があると指摘されている。[ 72 ]
地震活動が大量のメタン放出を引き起こす可能性も考慮されてきた。2012年、温暖な海流の流入に伴い、米国東部大陸斜面沿いのメタンハイドレートが不安定化する地震観測が行われ、海底地滑りによってメタンが放出される可能性が示唆された。この斜面に存在するメタンハイドレートの推定量は2.5ギガトン( PETMを 引き起こすのに必要な量の約0.2% )であり、メタンが大気中に到達するかどうかは不明である。しかし、研究の著者らは、「北大西洋西部縁辺部だけが海流の変化を経験している地域とは考えにくい。したがって、不安定化するメタンハイドレートの推定値2.5ギガトンは、現在世界中で不安定化しているメタンハイドレートのごく一部に過ぎない可能性がある」と注意を促している。[ 73 ] ビル・マクガイアは、「あまり調査されていない グリーンランド の縁辺部周辺では、海底地滑りの脅威があるかもしれない。グリーンランドはすでに隆起しており、その下の地殻と縁辺部の堆積物中の海底メタンハイドレートにかかる圧力が軽減され、氷床下の活断層の負荷が解放されるにつれて、数十年以内に地震活動の増加が明らかになる可能性がある。これにより、地震や海底堆積物のメタンハイドレートの不安定化が起こり、海底地滑りや北大西洋での津波の発生につながる可能性がある。」と述べている。[ 74 ]
ラプテフ海におけるメタンの放出は、通常、堆積物中のメタン酸化細菌 によって消費される。堆積物 が多い地域(上)では、微生物群集が絶えず撹乱されるため、活発な上昇流がある場合(右)でもない場合(左)でも、活発なフラックスが発生する可能性が最も高い。それでも、年間放出量は1000トン以下に制限される可能性がある。[ 75 ] 2008年にシベリア北極で行われた調査では、年間数百万トンのメタン放出が確認され、これは以前の推定値である年間50万トンを大幅に上回るものでした。[ 76 ] 明らかに海底永久凍土の穴を通して放出されており、[ 66 ] 一部の地域では濃度が通常の100倍に達しています。[ 77 ] [ 78 ] 過剰なメタンは、レナ川の河口と ラプテフ海 と東シベリア海 の境界にある局所的なホットスポットで検出されています。当時、融解の一部は地質学的加熱の結果と考えられていましたが、より多くの融解は、北に流れるシベリアの河川から排出される融解水の量が大幅に増加したことによるものと考えられていました。[ 79 ]
2013年までに、同じ研究チームは複数のソナー観測を使用して、海底永久凍土から海洋に放出される気泡の密度(沸騰と呼ばれるプロセス)を定量化し、 東シベリア北極棚(ESAS)沿いで毎日1平方メートルあたり100~630mgのメタンが水柱に放出されていることを発見しました。また、嵐の間、風が海面ガス交換を加速すると、水柱のメタン濃度が劇的に低下することも発見しました。観測結果は、海底永久凍土からのメタン放出が急激ではなく、ゆっくりと進むことを示唆しています。しかし、地球温暖化 によって勢いづく北極のサイクロンや、大気中の温室効果ガスのさらなる蓄積は、この発生源からのメタン放出をより急速にする要因となる可能性があります。合計すると、彼らの最新の推定値は年間1700万トンに達しました。[ 80 ]
しかし、この年間放出率では、ESASだけで観測された北極のメタン排出量の28%から75%を占めることになり、他の多くの研究と矛盾するため、これらの発見はすぐに疑問視されました。2020年1月、棚の堆積物から水柱に放出された後のメタンが大気に入る速度が大幅に過大評価されていたことが判明し、北極での複数の船舶航海で取得された大気メタンフラックスの観測では、ESASから年間約302万トンのメタンしか放出されていないことが示されています。[ 81 ] 2020年に発表されたモデリング研究では、現在の状況下では、ESASからの年間メタン放出は1000トン程度と低く、260万~450万トンが棚からの乱流放出のピークの可能性を表していると示唆されています。[ 75 ]
Hong et al. (2017) は、スバールバル諸島 に近いバレンツ海 の浅い北極海におけるメタンの浸透を研究した。海底の温度は過去 1 世紀にわたって季節的に -1.8 °C (28.8 °F) から 4.8 °C (40.6 °F) の間で変動しており、堆積物と水の界面 の深さ約 1.6 メートルまでのメタン放出にのみ影響を与えている。ハイドレートは堆積物の上部 60 メートルまで安定しており、現在観測されている放出は海底より深いところから発生している。彼らは、メタンフラックスの増加は数百年前から数千年前に始まったと結論付け、それについて「温暖化によるガスハイドレートの解離ではなく、深層貯留層の断続的な換気である」と指摘した。[ 82 ] Hong は自身の研究を要約して次のように述べている。
私たちの研究結果は、この地域で発見された膨大な量の漏出がシステムの自然な状態の結果であることを示しています。メタンが地球システム内の他の重要な地質学的、化学的、生物学的プロセスとどのように相互作用するかを理解することは不可欠であり、科学コミュニティの重点となるべきです。[ 83 ]
スバールバル諸島におけるメタンハイドレートの解離に起因するメタン放出量は、他のメタン発生源からの漏洩量よりもはるかに少ないようです。[ 84 ] Wallmann ら (2018) の研究では、8,000 年前のスバールバル諸島でのハイドレートの解離は、アイソスタシー回復 (氷河後退後の大陸隆起) によるものであると結論付けました。その結果、水深は浅くなり、静水圧は低下しましたが、それ以上の温暖化はありませんでした。この研究では、季節的な底層水の温暖化により、現在その場所にある堆積物は水深約 400 メートルで不安定になることも判明しましたが、これが自然変動によるものか人為的な温暖化によるものかは不明のままです。[ 84 ] さらに、2017 年に発表された別の論文では、スバールバル諸島でのガスハイドレートの解離から放出されたメタンの 0.07% だけが大気に到達し、通常は風速が低いときだけであることが分かりました。[ 85 ] 2020年のその後の研究で、スバールバル諸島の湧出地からのメタンのごく一部しか大気に到達しないこと、そして風速が現場での溶存メタン濃度よりも放出速度に大きな影響を与えることが確認された。[ 86 ]
最後に、2017年に発表された論文では、スバールバル諸島の少なくとも1つの湧水域からのメタン排出量は、この栄養豊富な水域における植物プランクトンの 活動の大幅な増加による二酸化炭素の吸収量の増加によって十分に相殺されていることが示されました。植物プランクトンによって吸収された二酸化炭素の1日あたりの量は、放出されたメタンの量より1,900倍多く、CO2吸収による負の(つまり間接的に冷却する) 放射強制力は 、メタン放出による温暖化の最大251倍でした。[ 87 ]
天然ガスハイドレートは、ガスの貯蔵および輸送に使用されます。 メタンクラスレートは液化天然ガス(LNG) よりも高い温度(-20 °C 対 -162 °C)で安定しているため、海上 輸送時に天然ガスを液化するのではなく、クラスレート(固化天然ガスまたは SNG)に変換することに関心が集まっている。大きな利点は、ターミナルで天然ガスから天然ガスハイドレート(NGH)を製造する場合、LNGよりも小型の冷凍設備と少ないエネルギーで済むことである。しかし、これを相殺する形で、100 トンのメタンを輸送するには 750 トンのメタンハイドレートを輸送する必要があり、そのためには 7.5 倍の排水量の船、またはより多くの船が必要となるため、経済的に実現可能とは考えにくい。近年、メタンハイドレートは、テトラヒドロフラン (THF)を共ゲストとして含めることで非常に穏やかな貯蔵条件が得られるため、大規模な定置型貯蔵用途で大きな注目を集めている。 [ 93 ] [ 94 ] テトラヒドロフラン を添加すると、ガス貯蔵容量はわずかに減少するものの、最近の研究では、−2 °C および大気圧下で数ヶ月間安定であることが実証されている。[ 95 ] 最近の研究では、THF と組み合わせた純水の代わりに海水で直接 SNG を生成できることが実証されている。[ 96 ]
注記 ↑ メタンクラスレートハイドレートの平均組成は、水5.75モルに対してメタン1モルです。観測された密度は約0.9 g/cm 3 です。 [ 12 ] 1モルのメタン(モル質量は約16.043 g、メタンを 参照)に対して、モル質量が約18.015 gの水(水の性質を 参照)が5.75モルあるため、メタン1モルあたりクラスレート複合体の質量は16.043 g + 5.75 × 18.015 g ≈ 119.631 gになります。したがって、質量に対するメタンの寄与率は16.043 g / 119.631 g ≈ 0.1341になります。密度は約 0.9 g/cm 3 なので、1 リットルのメタンクラスレートの質量は約 0.9 kg であり、その中に含まれるメタンの質量は約0.1341 × 0.9 kg ≈ 0.1207 kg です。ガスとしての密度が 0.716 kg/m 3 (0 °C で、メタン のインフォ ボックスを参照) の場合、体積は0.1207 / 0.716 m 3 = 0.1686m 3 = 168.6Lになります。
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外部リンク 海底にはメタンの鉱床が存在するのか?地球温暖化によってメタンが大気中に放出されるのか? (2008年4月30日にWayback Machine に アーカイブ済み)(2007年) 北極海の海底からメタンガスが漏れ出す(BBC) 氷の下に広がる温暖化の泡(ロサンゼルス・タイムズ、2009年) オンライン計算機 :異なる状態方程式を用いた水和物生成条件
研究 北極圏ガスハイドレート・環境・気候研究センター(CAGE) 水和物研究センター 米国地質調査所(USGS)と米国鉱物資源管理局(MSMS)による地質調査活動 - メタンガスハイドレート(2007年5月2日にWayback Machine に アーカイブ済み) ハイドレート鉱床からのカーボンニュートラルなメタンエネルギー生産(コロンビア大学)
ビデオ 米国地質調査所ガスハイドレート研究所(2012年) 古代のメタン爆発が海底クレーターを形成した(2017年)