Expedition zur Untersuchung von Methangas, das aus dem arktischen Meeresboden sprudelt

Expedition zur Untersuchung von Methangas, das aus dem arktischen Meeresboden sprudelt
Anonim

vom Monterey Bay Aquarium Research Institute

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(Phys.org) - In der abgelegenen, eisbedeckten Beaufortsee sprudelt Methan (der Hauptbestandteil von Erdgas) seit Tausenden von Jahren aus dem Meeresboden. Der MBARI-Geologe Charlie Paull und seine Kollegen vom Geological Survey of Canada versuchen herauszufinden, woher dieses Gas kommt, wie schnell es aus den Sedimenten sprudelt und wie es die Form und Stabilität des Meeresbodens beeinflusst. Obwohl Paull dieses Phänomen seit einem Jahrzehnt untersucht, hat seine Forschung in den letzten Jahren eine neue Dringlichkeit erlangt, da das Gebiet nach Öl- und Gasexploration Ausschau hält.

Ende September 2012 werden Paull und seine Kollegen zwei Wochen in der Beaufortsee an Bord des kanadischen Küstenwachschiffs Sir Wilfred Laurier verbringen, Bodensedimente sammeln, den Meeresboden mit Sonar kartieren und ein Instrument installieren, das auf Unterwassergas "lauscht" Mit einem brandneuen Unterwasserroboter können Meeresbodenmerkmale beobachtet und Gasproben gesammelt werden.

Dies wird Paulls dritte Beaufort Sea Expedition sein. Wie bei früheren Expeditionen wird er eng mit Scott Dallimore vom kanadischen Geological Survey of Canada und Humfrey Melling vom kanadischen Institute of Ocean Sciences für Fischerei und Ozeane zusammenarbeiten.

Paulls Arbeit in der Arktis begann 2003 mit einer Untersuchung der rätselhaften Unterwasserhügel, die als "Pingo-like Features" (PLFs) bezeichnet werden und aus dem Festlandsockel des Beaufort-Meeres herausragen. (Pingos sind isolierte konische Hügel, die an Land in einigen Teilen der Arktis und der Subarktis gefunden werden.)

Im Laufe der Zeit hat sich der Forschungsschwerpunkt des Teams weiter vor der Küste in tiefere Gewässer verlagert. Ihre zweite Expedition im Jahr 2010 befasste sich mit der diffusen Gasentlüftung entlang der Seekante des Festlandsockels. Die Expedition 2012 konzentriert sich auf drei große Gasentlüftungsstrukturen am Kontinentalhang in einer Tiefe von 290 bis 790 Metern.

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Gefrorenes Gas - ein Relikt früherer Eiszeiten

Das Beaufort-Meer nördlich der kanadischen Yukon- und Nordwest-Territorien ist nach jeder Definition des Begriffs eine feindliche Umgebung. Es ist den größten Teil des Jahres mit Eis bedeckt. Historisch gesehen hat sich nur von Mitte Juli bis Oktober ein schmaler Streifen offenen Wassers innerhalb von etwa 50 bis 100 Kilometern (30 bis 60 Meilen) von der Küste entfernt gezeigt. Selbst zu dieser Jahreszeit heulen die Winde oft bei 40 Knoten und die Temperaturen können nachts deutlich unter den Gefrierpunkt fallen. Die Forscher müssen zusätzliche Zeit für eventuelle Ausweichmanöver einplanen und Schnee vom Deck des Forschungsschiffs schaufeln.

Die durchschnittlichen jährlichen Lufttemperaturen an der Küste des Beaufortsees liegen weit unter dem Gefrierpunkt. So bleiben tiefere Böden das ganze Jahr über dauerhaft gefroren und bilden den sogenannten Permafrost. Rund um die Beaufortsee erstreckt sich der Permafrost über 600 Meter unter der Erde.

Permafrost kommt auch in den Sedimenten vor, die unter dem Festlandsockel der Beaufortsee liegen. Dieser Permafrost ist ein Relikt der letzten Eiszeit, als der Meeresspiegel um 120 Meter niedriger war als heute. Zu dieser Zeit waren Gebiete, die jetzt mit Meerwasser bedeckt sind, der eisigen arktischen Luft ausgesetzt.

Als der Meeresspiegel in den letzten 10.000 Jahren anstieg, überschwemmte er den Festlandsockel mit Meerwasser. Obwohl das Wasser in der Beaufortsee kalt ist - etwa minus 1, 5 Grad Celsius -, ist es immer noch viel wärmer als die Luft, die im Durchschnitt minus 15 Grad Celsius beträgt. So erwärmt sich der Permafrost unter dem Festlandsockel allmählich, wenn der Ozean aufsteigt, wodurch es schmilzt.

Etwas Methan, der Hauptbestandteil von "Erdgas", ist im Permafrost eingeschlossen. Wenn der Permafrost schmilzt, setzt er dieses Methan frei, das durch die Sedimente in das darüber liegende Meerwasser gelangen kann.

Die tieferen Sedimente der Beaufortsee enthalten auch reichlich Methanhydrat - eine eisähnliche Mischung aus Wasser und Erdgas. Mit der Erwärmung des Meeresbodens beginnen sich auch diese Hydrate zu zersetzen und setzen zusätzliches Methangas im umgebenden Sediment frei.

Ein verlockender Blick

Eine Expedition von Paull und seinen Kollegen im Jahr 2010 bot einen verlockenden Einblick in die Methanvorkommen auf dem Festlandsockel der Beaufortsee. Mit einem ferngesteuerten Fahrzeug (ROV) mit Videokamera fanden sie fast überall weiße Matten methanliebender Bakterien. Sie nahmen auch Videoaufnahmen von Methanblasen auf, die aus vielen dieser Matten austraten. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen und des Inhalts der Sedimentkerne, die vom Geological Survey of Canada gesammelt wurden, gelangten die Forscher zu dem Schluss, dass die Schelfkante ein Bereich mit "weit verbreiteter diffuser Entlüftung" ist und dass "Methan die Schelfkantensedimente in dieser Region durchdringt. "

Im Jahr 2010 führte das Forschungsteam auch ROV-Tauchgänge auf einem flachen Unterwasserhügel namens Kopanoar PLF durch. Oben auf diesem Hügel entdeckten sie eine "kräftige und kontinuierliche Gasentlüftung", die Blasen- und Sedimentwolken ins Wasser freisetzte. Bei einem ROV-Tauchgang sahen die Forscher etwas, das noch niemand zuvor gesehen hatte - eine Wolke von Gasblasen, die sich schnell am Meeresboden entlang bewegte und anscheinend einem Riss im Sediment folgte, der gerade durch den Druck des ROV geöffnet wurde Gas kommt von unten.

Die Forscher untersuchten während der Expedition 2010 auch mehrere tiefere PLFs. Sie ließen Kernrohre in die Spitzen dieser Hügel fallen. Als die Kerne zurück auf das Schiff gehoben wurden, sprudelten die Sedimente darin bis zu einer Stunde lang. Das Sediment war voller Methanhydrate. Paull sagte: "Wir wussten, dass dort unten eine Menge Gas entweicht, und jetzt haben wir gute Gründe zu glauben, dass Methanhydrate in den Oberflächensedimenten vorhanden sind. Aber unser ROV konnte nicht tief genug tauchen, also waren wir kann nicht hinuntergehen und sehen, wie diese Bereiche tatsächlich aussahen. " Dies ist einer der Gründe, warum das Team 2012 in die Arktis zurückkehrt.

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Auf dem Weg zurück zu mehr

Für die Expedition 2012 wird das Team seine Strategie fortsetzen, der Topographie zu folgen, um Bereiche der Gasentlüftung in der Beaufortsee zu untersuchen. Sie planen, sich auf drei kreisförmige, flache Hügel am Kontinentalhang zu konzentrieren. Die Forscher glauben, dass sich diese pingoartigen Merkmale an der Spitze von "Kaminen" oder Leitungen bilden, in denen Methan aus Sedimenten Hunderte von Metern unter dem Meeresboden sickert.

Während seiner vorherigen Kreuzfahrten verwendete Paull ein kleines ROV, das nur etwa 120 Meter unter der Oberfläche tauchen konnte. Die Hügel am Kontinentalhang befinden sich jedoch in etwa 300 bis 800 Metern Wassertiefe. Deshalb haben die MBARI-Ingenieure Dale Graves und Alana Sherman eigens für diese Expedition ein völlig neues ROV entworfen und gebaut. Das neue ROV ist klein, tragbar, wendig, relativ günstig und kann bis zu 1.000 Meter tief tauchen. Es kann auch von nur zwei Personen gestartet und bedient werden (für die Expedition 2012 sind dies Graves und Sherman).

Erstaunlicherweise ging das neue Mini-ROV in nur 15 Monaten vom ersten Entwurf zum letzten Feldtest über. Das schlichte und dennoch elegante Design des Fahrzeugs spiegelt die jahrzehntelange Erfahrung von Graves bei der Entwicklung von ROVs und Unterwassersteuerungssystemen wider. "Es war ein lustiges Projekt für mich", sagte Graves. "Ein Traum wird wahr. Wir haben ihn mit einem Budget von nur 75.000 US-Dollar von Grund auf neu entworfen, ohne Arbeitskräfte. Wir haben hauptsächlich Teile aus älteren ROVs von MBARI wiederverwendet und den Rest im eigenen Haus gebaut. Die Elektro- und Maschinentechniker und Maschinisten von MBARI haben dazwischen daran gearbeitet ihre anderen Projekte. "

Neben einer hochauflösenden Videokamera der neuesten Generation verfügt das ROV über ein spezielles System zum Sammeln von Methangasblasen. Dies ist nicht so einfach, wie es sich anhört, da das Methangas dazu neigt, sich wieder in festes Methanhydrat umzuwandeln, wodurch der Strom von zusätzlichem Methangas in das System blockiert wird. Das Gassammelsystem des neuen ROV enthält eine eingebaute Heizung zum Schmelzen der Hydrate und zur Aufrechterhaltung des Gasflusses.

Neben der Entnahme von Gasproben wird das ROV auch zur Suche nach Ansammlungen von Röhrenwürmern oder Muscheln verwendet, die typischerweise um Methansickerungen am Meeresboden wachsen. Paull sagte: "Niemand hat jemals eine lebende chemosynthetische biologische Gemeinschaft in der Arktis gefunden. Aber ich denke, wir haben gute Chancen, sie an der Spitze dieser Strukturen zu finden."

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Die großen Fragen beantworten

Obwohl die Forscher zu verstehen begonnen haben, woher das Gas in der Beaufortsee kommt, bleiben viele andere Fragen offen. Eine der großen Fragen, die die Forscher zu beantworten versuchen, ist, ob die drei Gaskaminstrukturen am Kontinentalhang mit den Gasentlüftungssystemen im Flachwasser auf dem Kontinentalschelf zusammenhängen. Wie Paull es ausdrückte: "Sind sie unabhängige Gasentlüftungsstrukturen, die zufällig zusammen sind, oder sind sie alle Teil desselben Systems?"

Eine weitere wichtige Frage ist, wie sich all dieses Methangas auf die Stabilität des Meeresbodens auswirkt. Wenn sich Methanhydrate erwärmen und Methangas freisetzen, nimmt das Gas viel mehr Platz ein als das feste Hydrat und übt Druck auf die umgebenden Sedimente aus. Ebenso kann die Zersetzung von Methanhydrat oder Permafrost die mechanische Festigkeit des umgebenden Sediments verringern. In beiden Fällen könnte der Meeresboden anfälliger für Erdrutsche werden.

Unterwasser-Erdrutsche sind entlang des kontinentalen Abhangs des Beaufort-Meeres häufig, aber die Forscher wissen noch nicht, wann und wie sie sich bilden. Es wird jedoch angenommen, dass die Zersetzung von Methanhydraten größere Erdrutsche in anderen Tiefseegebieten ausgelöst hat. Solche Erdrutsche können möglicherweise Ölplattformen, Pipelines oder andere Geräte am Meeresboden destabilisieren und Tsunamis verursachen.

Wenn es während der Kreuzfahrt 2012 Zeit gibt, hoffen die Forscher, ROV-Tauchgänge auf einem oder mehreren Unterwasser-Erdrutschen durchzuführen. Im Herbst 2013, wenn das Team zum vierten Mal in die Beaufortsee zurückkehrt, werden diese Funktionen im Vordergrund stehen. Während dieser Expedition hofft das Team auch, mit einem der autonomen Unterwasserfahrzeuge (AUV) von MBARI sehr detaillierte Karten der Schelfkante, der Erdrutsche unter Wasser und der Gebiete zu erstellen, in denen Methan aus dem Meeresboden sprudelt.

Öl- und Gasunternehmen wissen seit Jahrzehnten, dass in den Sedimenten unterhalb des Kontinentalabhangs der Beaufortsee tiefe Erdöl- und Erdgasvorkommen vorhanden sind. Mit der Erwärmung der Arktis und dem Rückgang des Meereises sind diese Kohlenwasserstoffe leichter zugänglich. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob sie sicher, wirtschaftlich und ohne übermäßige Umweltschäden gewonnen werden können. Die Forschungen des Teams werden daher nicht nur neue Einblicke in bisher unbekannte geologische Prozesse liefern, sondern auch wichtige Informationen für Entscheidungsträger, die an der Genehmigung von Öl und Gas beteiligt sind.