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Unter der Frostdecke

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

So genannte Gashydrate lagern nicht nur auf dem Grund des Meeres, die energiereiche Mixtur aus Erdgas und Eis findet man auch unter den gefrorenen Böden des Permafrosts. Deutsche Geoforscher haben im Rahmen des Projektes MALLIK 2002 die Vorkommen im kanadischen Norden unter die Lupe genommen und neue Methoden der Exploration getestet.

In der Sprache der Inuit bezeichnet "Mallik" einen "Ort, der Wellen bzw. stürmischer See ausgesetzt ist". Das Wetter kann hier tatsächlich ungemütlich werden: Mallik liegt im Nordwesten Kanadas, am Rande der arktischen Beaufort See. Das Gebiet in unmittelbarer Nachbarschaft der Flussmündung des Mackenzie ist Geowissenschaftlern bestens vertraut. "Hier wurden bereits in den 70ern, als man nach Gas gebohrt hat, Gashydrate gefunden", berichtet Professor Michael Weber vom GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). An dieser Stelle hat das Team um Weber - gemeinsam mit Partnern aus Kanada, Japan und den USA - zahlreiche Untersuchungen an den tief im Erdreich liegenden Gashydraten durchgeführt. Die Messkampagne unter dem Namen "MALLIK 2002" fand zwischen Dezember 2001 und März 2002 statt und wurde im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN vom BMBF gefördert. Dass sich die Wissenschaftler gerade für das unwirtliche Mallik entschieden hatten, kam nicht von ungefähr. Der Standort ist weltweit außergewöhnlich: "Es ist die Lokation mit den vielleicht massivsten Lagen an Gashydrat", meint Weber. "Die Schichten sind etwa 200 Meter dick."

Lage der Bohrstelle

 

Die Bohrstelle "Mallik" liegt in den kanadischen "Northwestern Territories" jenseits des Polarkreises. (c) U.S. Department of the Interior / U.S. Geological Survey

Gashydrate sind seit Jahren "in aller Munde", denn sie enthalten brennbares Erdgas, insbesondere Methan, das als Energiequelle genutzt werden kann. Gesicherte Daten gibt es nicht, doch einigen Schätzungen zufolge sind die weltweit aus Hydrat gewinnbaren Gasmengen sechsmal größer als die derzeit bekannten Erdgasvorräte. Anderseits ist Methan ein wirkungsvolles Klimagas, das beim Abbau der Lagerstätten in die Atmosphäre entweichen und damit die globale Erwärmung beschleunigen könnte. Die Hydrate sind deshalb Gegenstand intensiver Forschung.

Auf dem Meeresgrund und unter Tage


"Es gibt im Wesentlichen zwei Szenarios, unter denen Gashydrate entstehen", erläutert Weber. "Das sind zum einen die Hydrate unter Permafrost, zum anderen die im Meeresboden gelegenen Hydrate." Die eisähnliche Substanz ist äußert fragil, bei Zimmertemperatur zerfällt sie rasch zu Gas und Wasser. Indessen sind gewaltiger Druck und frostige Temperaturen treibende Kräfte für die Bildung von Hydraten. Im Meer ist es der Wasserdruck, der ab einer Tiefe von 500 Metern deren Entstehung begünstigt. An Land hingegen werden Erdgas und Feuchtigkeit von dem Gewicht der Erdschichten zu Hydraten verpresst. Bei Mallik stößt man ab 800 Metern Tiefe auf erste Vorkommen. Derart weit unter dem Erdboden ist der Druck rund 160-mal größer als der Druck an der Oberfläche. Diese immense Belastung allein würde jedoch nicht ausreichen, um Gashydrate entstehen zu lassen. "Wenn man in unseren Breiten in solche Tiefen geht, misst man Temperaturen um die dreißig Grad", erklärt der Potsdamer Geoforscher. "Das ist viel zu warm, Hydrate sind dann nicht mehr stabil. Die Kombination von hohem Druck und Kälte findet man auf dem Festland nur dort, wo von oben gekühlt wird." Dafür sorgt in Kanada der Permafrost. "Dieser ist extrem dick", sagt Weber, "viel dicker, als etwa in großen Teilen Sibiriens". In der Tat reicht bei Mallik der dauerhaft gefrorene Boden rund 600 Meter weit in den Untergrund. Deshalb herrschen hier Temperaturen rund um den Gefrierpunkt, obwohl die natürliche Wärme des Erdinneren das Quecksilber eigentlich nach oben treibt. In 800 Metern Tiefe ist das Thermometer dann gerade mal auf fünf Grad Celsius geklettert: kalt genug, damit sich bei 160 Bar Druck Wasser und Erdgas zu Hydraten verfestigen.

Das in den Hydraten gebundene Gas stammt im Wesentlichen aus tiefer liegenden Lagerstätten und ist durch das Erdreich nach oben gedrungen. In den Hydratvorkommen von Mallik, also in einer Tiefe zwischen 800 bis 1.000 Metern, wird das ursprüngliche Gas jedoch auch chemisch verändert: durch Mikroorganismen, die sich bei diesen ungemütlichen Bedingungen offenbar richtig wohl fühlen. Michael Weber: "Einer der Knüller unseres Projektes war der erste sichere Nachweis von Bakterien, die dieses Gas noch überarbeiten." Insofern enthalten die Hydrate ein Gasgemisch, deren Bestandteile verschiedener Herkunft sind. "Das war neu, dass man diese Komponenten wirklich unterscheiden konnte", berichtet Weber.

Das Projekt MALLIK 2002


Im Zuge des von den GEOTECHNOLOGIEN geförderten Projekts erprobten die Geoforscher eine ganze Palette von Verfahren, sowohl im Labor als auch unter Tage. So rückte man den Gashydraten mit insgesamt drei nebeneinander liegenden Bohrungen zur Leibe, die mehr als einen Kilometer weit in die Tiefe vordrangen. "Dies war ein Konzept, das wir hier am GFZ entwickelt haben", schildert Weber. Übliche Untersuchungen beruhen nämlich auf einem einzelnen Schacht. Die so gewonnenen Messdaten geben allerdings in der Regel nur über die unmittelbare Umgebung des Bohrlochs Auskunft, weil die Instrumente nicht weiter als einen halben Meter ins Gestein eindringen. "Deshalb haben wir uns gesagt, dass wir zwei zusätzliche Bohrung benötigen, jeweils in 40 bis 50 Meter Abstand zur Hauptbohrung und dann machen wir Tomographie zwischen den Bohrungen", beschreibt Weber das Konzept. Ähnlich wie Mediziner den menschlichen Körper mit Ultraschall durchleuchten, setzten die Geoforscher zur Erkundung des kanadischen Untergrundes ebenfalls auf Schallwellen. Die einzelnen Bohrlocher wurden dazu mit Schallquellen und Geophonen bestückt. Auf diese Weise gelang es, die Hydratvorkommen, über deren Struktur bis dato wenig bekannt war, metergenau zu vermessen. In Kombination mit Laborexperimenten wurde zudem untersucht, wie Gashydrate die Ausbreitung von Schallwellen grundsätzlich beeinflussen - anders ausgedrückt: mit welchem seismischen Fingerabdruck sich Gashydrate bemerkbar machen. Für die "Exploration", also Erkundung und Abbau von Lagerstätten, eine zentrale Frage.

In weiteren Experimenten wurden Gashydrate gezielt aufgelöst. Die Forscher pumpten dazu warmes Wasser über die Hauptbohrung in die Tiefe. Michael Weber: "Es war das erste Mal, dass man solche Versuche unter kontrollierten Bedingung durchgeführt hat." Diese "Produktionstests" simulierten die Förderung von Gas aus Gashydrat. Im Zusammenspiel mit seismischen Messungen sowie von Druck und Temperatur ging es insbesondere darum, herauszufinden, wie sich die Abbaufront - die Grenze zwischen Gas und noch gefrorenem Hydrat - rund um das Bohrloch ausdehnt.

Erfolgreich getestet wurde mit MALLIK 2002 auch die schnelle Analyse, des aus dem Bohrloch geförderten Materials. Das Verfahren greift zurück auf die Spülung des Bohrlochs und gibt unmittelbar Aufschluss darüber, in welchen Sedimentschichten sich der Bohrkopf gerade befindet. "Beim Bohrvorgang werden Gashydrate und auch andere Materialien zersetzt und mit der Spülflüssigkeit nach oben gebracht", erläutert Michael Weber. Dabei austretende Gase wurden nun zur chemischen Analyse in ein Massenspektrometer geleitet: Angebohrte Hydratvorkommen verrieten sich durch eine Kombination aus hoher Methan- und geringer Helium-Konzentration. "Die Spülflüssigkeit braucht etwa 10 bis 15 Minuten von 1.000 Metern Tiefe bis nach oben", so der Geowissenschaftler. "Insofern handelt es sich um eine clevere Methode, um online zu sehen, wo man ist, bevor aufwändige Tiefenproben genommen werden."

Globaler Frostteppich


Der Permafrost bei Mallik ist zwar besonders dick, an sich jedoch keine Ausnahmeerscheinung. Tatsächlich bedeckt der gefrorene Boden rund ein Viertel der Landfläche unseres Planeten. In Europa findet man Permafrost in den Gebirgszügen der Alpen und in der Sierra Nevada, auf der Südhalbkugel in Chile und in den eisfreien Regionen der Antarktis. Der größte Teil des Permafrosts liegt allerdings rund um den nördlichen Polarkreis: so ist der Untergrund in manchen Regionen von Kanada, Alaska und Sibirien ganzjährig gefroren. Doch wo unter der Frostdecke wirklich Gashydrate lagern, ist völlig ungewiss. "Man weiß es nicht genau", unterstreicht Weber. "Das ist ein Riesengebiet, was noch zu beackern wäre."

Wegen der Globalen Erwärmung zeigt der weltweite Frostteppich an manchen Stellen Auflösungserscheinungen. Der Boden wird matschig. Bäume geraten in Schieflage und selbst auf Stützen gelagerte Pipelines laufen Gefahr, unter der eigenen Last einzuknicken. Von diesem Phänomen ist Sibirien besonders betroffen, da hier der Permafrost, zumindest an einigen Stellen, nicht sehr weit in den Boden reicht. "Im Sommer ist es so, dass die Tundra kocht", sagt Michael Weber. Ob mit dem Tauwetter auch klimaschädliches Methan aus den Hydratvorkommen freigesetzt wird, ist allerdings eine Frage des Standortes, so Weber: "In Mallik zum Beispiel hat man 600 Meter Permafrost. Es dauert hunderttausend Jahre, bis das aufgetaut ist. Anders ist es in Sibirien, weil dort der Permafrost zum Teil dünner ist." Zu beachten sei außerdem, dass sich nicht nur die Temperatur ändere, sondern mit dem Abfließen des einst im Permafrost gebunden Wassers auch die Druckverhältnisse in der Tiefe. Gashydrate reagieren empfindlich auf derlei Schwankungen. Weber betont: "Selbst wenn man nicht an eine energetische Nutzung der Gashydrate denkt. Wenn man das Klima im Auge hat, muss man sich um diese Sachen kümmern."

An der Beaufort See haben die Geowissenschaftler dieses Thema im Blick. Auch wenn das deutsche Team mit dem Abschluss von MALLIK 2002 die kanadische Bohrstelle inzwischen verlassen hat, andere Forschergruppen führen die Arbeiten fort und dauerhaft installierte Instrumente liefern weiterhin wertvolle Daten. Dies gilt insbesondere für die Temperaturfühler im Boden, mit denen sich Schwankungen infolge der Jahreszeiten verfolgen lassen. "Man sieht jetzt wirklich saisonale Signale, wie die in den Permafrost eindringen", schwärmt Weber. Der Potsdamer Geoforscher unterstreicht die Bedeutung solch langfristiger Beobachtungen: "Was macht die Globale Erwärmung mit Permafrost und Gashydraten? Um das herauszufinden, können Sie nicht mal kurz vorbeikommen und messen, da braucht man ein langfristiges Monitoring."

MN, iserundschmidt 01/2007


Mehr Informationen zum Projekt "MALLIK 2002" finden Sie hier.

Eine Übersicht über die Permafrostverteilung auf der Nordhalbkugel finden Sie auf den Seiten des United Nations Environment Programme (UNEP).

Das Projekt MALLIK 2002 ist eines der Projekte, deren Ergebnisse im Science Report No.7 "Gas Hydrates in the Geosystem" der Geschäftsstelle GEOTECHNOLOGIEN näher vorgestellt werden. Mehr Informationen zum Science Report No.7 sowie den übrigen sieben bisher veröffentlichten Bänden dieser Reihe finden Sie hier.

Verweise
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