มีเทนคลาเทรต

มีเทนคลาเทรต(Methane Clathrate) หรืออีกชื่อหนึ่งคือ มีเทนไฮเดรต (Methane Hydrate) เป็นสารที่ประกอบด้วยมีเทนในรูปผลึกโครงสร้างคล้ายน้ำแข็งแห้ง บางทีเราจะเรียกว่า น้ำแข็งไฟ ครั้งแรกถูกพบเกิดอยู่ภายนอกระบบสุริยะ ต่อมามีการค้นพบมีเทนคลาเทรต สะสมกับตะกอนที่อยู่ที่พื้นมหาสมุทรลึก

มีเทนคลาเทรต พบทั้งในตะกอนทะเลลึกหรือพบทั้งเป็นหินโผล่ขนาดใหญ่ที่พื้นทะเล เกิดจากการสะสมตัวของแก๊สที่ขึ้นมาจากบริเวณแนวรอยเลื่อนมีพลัง และจะตกผลึกเมื่อสัมผัสกับกระแสน้ำเย็น นอกจากนี้ยังพบมีเทนคลาเทรตในบริเวณแกนน้ำแข็งของขั้วโลกใต้อีกด้วย เราได้ศึกษาอายุและสรุปได้ว่าเมื่อแปดแสนปีก่อนในชั้นบรรยากาศของโลกเต็มไปด้วยมีเทนคลาเทรต

มีเทนคลาเทรตจะเสถียรที่อุณหภูมิประมาณ 0องศาเซลเซียสและมีความดันสูงมาก อย่างไรก็ตามบางครั้งก็พบเสถียรได้ถึง 18องศาเซลเซียส ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของมีเทนในโครงผลึกน้ำนั้น โดยทั่วไปแล้วจะพบมีเทนคลาเทรตอยู่ 1 mole ในน้ำ 5.75 moles และปริมาณ 1ลิตรของมีเทนคลาเทรตจะมีปริมาณมีเทนในรูปแก๊สอยู่ถึง 168 ลิตร
มีเทนคลาเทรตจะไม่พบในทะเลตื้น(เช่น ตื้นกว่าสองพันเมตร) นอกจากนี้ยังมีเงื่อนไขในการเกิดคือจะพบแค่บางบริเวณของมหาสมุทรที่เป็นการตกสะสมตัวของหินตะกอนและบริเวณผิวน้ำมีอุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส และที่ความลึกเกิน 300 เมตรมีอุณหภูมิอยู่ประมาณ 2 องศาเซลเซียส บางครั้งทะเลสาบน้ำลึกก็เป็นแหล่งสะสมตะกอนที่ดี เช่น ทะเลสาบไบคาลในเขตไซบีเรีย ของประเทศรัสเซีย และ ในรัฐอลาสก้าของสหรัฐอเมริกา มีการตกสะสมในชั้นหินทรายและหินทรายแป้ง (Siltstone) ที่ความลึกน้อยกว่า 800 เมตร การตกสะสมตัวในทะเลมักจะพบบริเวณไหล่ทวีปที่มีความลึกเหมาะสมจะพบการสะสมตัวของมีเทนคลาเทรตขนาดใหญ่มากได้

พบการตกสะสมตัวสองแบบหลักๆ แบบแรกกว่า 99% คือพบในรูปของ มีเทนคลาเทรตโครงสร้างแบบที่หนึ่ง (a structure I Chlarate) ที่มักพบเกิดกับตะกอนที่อยู่ลึก เกิดจากการสลายแยก CO2 จากพวกแบคทีเรีย มีเทนคลาเรตแบบนี้เชื่อว่าเกิดจากการผลิตมีเทนของแบคทีเรียที่อาศัยอยู่บริเวณนั้น ณ บริเวณนี้เป็นบริเวณที่มีความลึกปานกลาง คือ 300-500 เมตร เป็นบริเวณที่แก๊สมีเทนสามารถละลายเข้าไปอยู่ตามช่องว่างของโครงสร้างน้ำได้ ถ้าเกิดเหนือรับความลึกนี้แก๊สมีเทนจะลอยขึ้นสู่ผิวน้ำทั้งหมด และถ้าอยู่ใต้ระดับนี้แก๊สมีเทนก็จะคงสถานะแก๊สอยู่ต่อไป

แบบที่สองของการเกิดมีเทนคลาเทรต (a structure II Chlarate) เกิดใกล้บริเวณพื้นผิวของตะกอน เป็นสายไฮโดรคาร์บอนยาวต่อกัน ในโครงสร้างแบบนี้สัณนิษฐานว่าน่าจะเกิดจากการพัดพาแก๊สมีเทนมาจากทะเลลึกโดยแก๊สมีเทนเป็นผลผลิตจากกระบวนการเน่าเปื่อยผุพังโดยความร้อนของสารอินทรีย์ ตัวอย่างสถานที่ที่พบเช่น อ่าวเม๊กซิโก หรือ ทะเลสาบแคสเปียนบางครั้งเราอาจพบโครงสร้างแบบผสมที่มีเทนเกิดจากการย่อยสลายของแบคทีเรียและการผุพังจากความร้อน

ปกติแล้วการเกิดมีเทนคลาเรตมักเกิดในสภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ โดยขั้นตอนจะเกิดบริเวณที่มีการตกสะสมตัวของตะกอนใต้ทะเลลึก ซึ่งบริเวณพื้นผิวของตะกอนที่ตกสะสมตัวจะพบ Aerobic bacteria ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่ใช้ออกซิเจนในการหายใจและเปลี่ยนเป็น CO2 ซึ่งในกรณีที่มีอัตราการตกสะสมตัวต่ำคือ มากกว่า 1เซนติเมตรต่อปี จะทำให้สารอินทรีย์มีน้อยและมีการย่อยสลายโดยแบคทีเรียน้อย จะพบปริมาณออกซิเจนมาก จะไม่ค่อยเกิดมีเทนคลาเรต ในทางกลับกันในกรณีที่มีอัตราการตกสะสมตัวสูง แบคทีเรียจะใช้ออกซิเจนที่มีไปกับการย่อยสลายสารอินทรีย์จนหมด จะเกิดสภาวะ Anoxic (ออกซิเจนต่ำ) ในช่องว่างของตะกอนที่ตกสะสมตัว เมื่อนั้นมีเทนจะถูกผลิตมากโดย Anaerobic bacteria ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนในการดำรงชีวิตที่อาศัยอยู่ตามช่องว่างของตะกอนนั้น มีเทนที่ถูกผลิตจะฝังและตกผลึกเป็นมีเทนคลาเทรตนั่นเอง นอกจากนี้ยังมีเงื่อนไขในการเกิดอื่นๆ เช่น ค่าความเป็นกรดเบสต้องอยู่ระหว่าง 6-8 จึงจะเกิดได้เป็นต้น

ขนาดของแหล่งกักเก็บมีเทนคลาเทรตในทะเลยังไม่สามารถประเมินได้แน่ชัด แต่จากการประเมินในช่วงแรกๆ แล้วคาดว่ามีมีเทนคลาเทรตปูอยู่ตามพื้นท้องทะเล แต่ภายหลังพบว่ามีเทนคลาเทรตสามารถเกิดในบริเวณที่ลึกและแคบเช่นบริเวณไหล่ทวีป จนปัจจุบันมีการประเมินปริมาณมีเทนคลาเทรตทั่วโลกได้ประมาณ 1.5 ล้านลูกบาศก์กิโลเมตร ซึ่งจะมีปริมาณคาร์บอนสะสมอยู่กว่า 500-2500 จิกะตัน และมีปริมาณสะสมมากที่สุดอยู่บริเวณมหาสมุทรอาร์กติก จากปริมาณสำรองที่มีการประเมินทำให้มีการตื่นตัวในการพยายามนำมีเทนคลาเรตมาใช้ให้ได้อย่างคุ้มทุนและเพื่อทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่นๆ

มีเทนคลาเทรตที่เกิดในทวีปจะถูกกักเก็บอยู่ในหินทรายและหินทรายแป้งที่ความลึกน้อยกว่า 800 เมตร กระบวนการเกิดเกิดจากอุณหภูมิที่เหมาะสมกับการย่อยสลายจากแบคทีเรียที่ช่วยแยกแก๊สออกจากสารไฮโดรคาร์บอนที่หนักกว่า ในพื้นทวีปพบบริเวณ อลาสก้า, ไซบีเรีย และตอนเหนือของแคนาดา

อย่างที่ทราบว่ามีเทนคลาเทรตมีปริมาณสำรองมากกว่าแก๊สธรรมชาติตั้งแต่ 2-10 เท่า ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงจากไฮโดรคาร์บอนอย่างหนึ่ง อย่างไรก็ตามในหลายๆที่นั้นการสกัดแยกมีเทนคลาเทรตออกมาใช้มีค่าใช้จ่ายที่สูงเกินไป ปัญหาอีกอย่างคือผลประโยชน์ทางธุรกิจและการบุกรุกแย่งชิงพื้นที่กักเก็บ จนถึงทุกวันนี้มีแหล่งมีเทนคลาเทรตเพียงแหล่งเดียวที่มีศักยภาพคุ้มทุนและเปิดเพื่อการค้าคือ แหล่งแก๊สเมสโสยัคคา (Messoyakha Gas Field) ในเขตนอริสค์ (Norilsk) ของรัสเซีย ส่วนในประเทศญี่ปุ่นมีการตั้งเป้าว่าจะประสบความสำเร็จในการพัฒนามีเทนคลาเทรตและนำมาใช้ได้ในปี 2016 ส่วนในจีนก็มีการวางโครงการทุ่มเงินกว่า 100 ล้านเหรียญสหรัฐเพื่อพัฒนาโครงการแก๊สมีเทนคลาเทรต ส่วนในอเมริกาก็มีการพัฒนาวิธีการนำมีเทนคลาเทรตเพราะมีแหล่งแก๊สอยู่มากโดยเฉพาะในอ่าวเม็กซิโก วิธีการคือ ฉีด CO2 เข้าไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ เพื่อแยกเอาแก๊สมีเทนออกมาใช้นั่นเอง

มีเทนคลาเทรตมักจะพบอยู่ในกระบวนการผลิตแก๊สธรรมชาติ เป็นที่รู้กันว่าสารประกอบมีเทนเป็นโมเลกุลที่เล็กที่สุดในการเกิดไฮโดรคาร์บอนและสามารถเปลี่ยนเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นได้เช่น บิวเทน โปรเพน อย่างไรก็ตามยิ่งสายของโซ่ไฮโดรคาร์บอนยาวเท่าใดมันก็จะใหญ่เกินกว่าจะสามารถแทรกฝังอยู่ตามช่องว่างของน้ำได้ เมื่อนั้นมันจะไม่เสถียรและจะลดรูปกลับมาเป็นมีเทนเช่นเดิม ในบางครั้งสายการผลิตก็อาจมีปัญหาจากคุณสมบัตินี้ได้ เราแก้ได้โดยปรับลดความดัน เพิ่มความร้อน รวมถึงการใส่สารเคมีลงไปเช่น เอทีลีน ไกลคอล, เมทานอล ทั้งนี้การควบคุมปริมาณมีเทนต้องมีการทำอย่างเข้มงวด มิฉะนั้นอาจจะพบกับปัญหาเรื่องมวลของมีเทนที่เพิ่มขึ้นมากจะไปอุดตันในอุปกรณ์ท่อส่งต่างๆและความเสี่ยงจากความดันที่เพิ่มจากการชนกันก็เป็นได้ ปัจจุบันมีวิธีใหม่คือการผลิตตัวเหนี่ยวนำสารประกอบมีเทนคลาเทรต ซึ่งมีหน้าที่ป้องกันไม่ให้มีเทนคลาเรตจับตัวกันเป็นก้อนและไปอุดตันในท่อแก๊สได้

จีนมีแหล่งน้ำแข็งติดไฟ 3 แห่งกระจายตัวอยู่ในทะเลจีนใต้ และทะเลตะวันออกของประเทศ และมีแผนดำเนินการขุดเจาะน้ำแข็งติดไฟระหว่างปี 2010-2015 และจะดำเนินการขุดเจาะเชิงพาณิชย์ในปี 2020 
1. Roald Hoffmann (2006). "Old Gas, New Gas". American Scientist 94 (1): 16–18.
2. Lüthi, D; Le Floch, M; Bereiter, B; Blunier, T; Barnola, JM; Siegenthaler, U; Raynaud, D; Jouzel, J et al. (2008). "High resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present". Nature 453 (7193): 379–382. doi:10.1038/nature06949. PMID 18480821.
3. Dec, SF; Bowler, KE; Stadterman, LL; Koh, CA; Sloan Ed, Jr (2006). "Direct Measure of the Hydration Number of Aqueous Methane". J. Am. Chem. Soc. 128 (2): 414–415.doi:10.1021/ja055283f. PMID 16402820. Note: the number 20 is called a magic number equal to the number found for the amount of water molecules surrounding a hydronium ion.
4. Guggenheim, S; Koster van Groos AF (2003). "New gas-hydrate phase: Synthesis and stability of clay-methane hydrate intercalate". Geology 31 (7): 653–656. doi:10.1130/0091-7613(2003)031<0653:NGPSAS>2.0.CO;2.
5. Vanneste, M. et al. (2001). "Multi-frequency seismic study of gas hydrate-bearing sediments in Lake Baikal, Siberia". Marine Geology 172: 1–21. doi:10.1016/S0025-3227(00)00117-1.
6. a b c Kvenvolden, K. (1995). "A review of the geochemistry of methane in natural gas hydrate". Organic Geochemistry 23 (11-12): 997–1008. doi:10.1016/0146-6380(96)00002-2.
7. Dickens, GR; Paull CK, Wallace P (1997). "Direct measurement of in situ methane quantities in a large gas-hydrate reservoir". Nature 385 (6615): 426–428. doi:10.1038/385426a0.
8. Kvenvolden, 1998
9. Kvenvolden, 1993
10. Dickens et al., 1995
11. Matsumoto, R. (1995). "Causes of the δ13C anomalies of carbonates and a new paradigm 'Gas Hydrate Hypothesis'". Jour. Geol. Soc. Japan 101: 902–924.
12. Dickens et al., 1997
13. Matsumoto, R.; Watanabe, Y., Satoh, M., Okada, H., Hiroki, Y., Kawasaki, M., and ODP Leg 164 Shipboard Scientific Party (1996). "Distribution and occurrence of marine gas hydrates - preliminary results of ODP Leg 164: Blake Ridge Drilling". J. Geol. Soc. Japan 102: 932–944.
14. Clathrates - little known components of the global carbon cycle
15. a b c d e f Milkov, AV (2004). "Global estimates of hydrate-bound gas in marine sediments: how much is really out there?". Earth-Sci Rev 66 (3-4): 183–197. doi:10.1016/j.earscirev.2003.11.002. 
16. Trofimuk, A. A.; N. V. Cherskiy and V. P. Tsarev (1973). "[Accumulation of natural gases in zones of hydrate—formation in the hydrosphere]" (in Russian). Doklady Akademii Nauk SSSR 212: 931–934.
17. USGS World Energy Assessment Team, 2000. US Geological Survey world petroleum assessment 2000––description and results. USGS Digital Data Series DDS-60.
18. MacDonald, 1990
19. Geotimes — November 2004 — Methane Hydrate and Abrupt Climate Change
20. Buffett, Bruce; David Archer (15 November 2004). "Global inventory of methane clathrate: sensitivity to changes in the deep ocean". Earth and Planetary Science Letters 227 (3-4): 185. http://geosci.uchicago.edu/~archer/reprints/buffett.2004.clathrates.pdf. "Preferred ... global estimate of 318 g ... Estimates of the global inventory of methane clathrate may exceed 1019 g of carbon".
21. Thomas, Brodie (2008-04-31). "Researchers extract methane gas from under permafrost". Northern News Services. http://www.nnsl.com/northern-news-services/stories/papers/mar31_08ma.html. Retrieved 2008-06-16.
22. "Geological Survey of Canada, Mallik 2002". Natural Resources Canada. 2007-12-20. http://gsc.nrcan.gc.ca/gashydrates/mallik2002/index_e.php. Retrieved 2008-06-16.
23. Background and organization
24. Agreements to boost bilateral ties
25. http://www.vg.no/pub/vgart.hbs?artid=184534 Norske forskere bak energirevolusjon, VB nett, in Norwegian
26. Compare: Methane bubbling through seafloor creates undersea hills, Monterey Bay Aquarium Research Institute, 5 February 2007
27. Translation of a blog entry by Örjan Gustafsson, expedition research leader, 2 September 2008
28. N. Shakhova, I. Semiletov, A. Salyuk, D. Kosmach, and N. Bel’cheva (2007), Methane release on the Arctic East Siberian shelf, Geophysical Research Abstracts, 9, 01071
29. N. Shakhova, I. Semiletov, A. Salyuk, D. Kosmach (2008), Anomalies of methane in the atmosphere over the East Siberian shelf: Is there any sign of methane leakage from shallow shelf hydrates?, EGU General Assembly 2008, Geophysical Research Abstracts, 10, EGU2008-A-01526
30. Volker Mrasek, A Storehouse of Greenhouse Gases Is Opening in Siberia, Spiegel International Online, 17 April 2008
31. Connor, Steve (September 23, 2008). "Exclusive: The methane time bomb". The Independent. http://www.independent.co.uk/environment/climate-change/exclusive-the-methane-time-bomb-938932.html. Retrieved 2008-10-03.
32. Connor, Steve (September 25, 2008). "Hundreds of methane 'plumes' discovered". The Independent. http://www.independent.co.uk/news/science/hundreds-of-methane-plumes-discovered-941456.html. Retrieved 2008-10-03.