Computermodel løser mysteriet om, hvordan gasbobler bygger store metanhydrataflejringer

Ny forskning fra University of Texas i Austin har forklaret et vigtigt mysterium om naturgashydratformationer og, derved, avancerede forskeres forståelse af, hvordan gashydrater kan bidrage til klimaændringer og energisikkerhed.

Forskningen brugte en computermodel af gasbobler, der strømmer gennem hydrataflejringer, et almindeligt fænomen, der ifølge eksisterende modeller, bør ikke være muligt baseret på fysik. Den nye model hjælper med at forklare, hvordan nogle aflejringer vokser til massive naturgashydratreservoirer, som dem, der findes under Den Mexicanske Golf.

Et papir, der beskriver forskningen, blev offentliggjort den 16. februar, 2020, i journalen Geofysiske forskningsbreve .

Gashydrater er et isnende stof, hvor gasmolekyler, typisk metan, blive fanget i vand-isbure under højt tryk og lav temperatur. De findes bredt i naturen, huser en betydelig brøkdel af verdens organiske kulstof og kan blive en fremtidig energiressource. Imidlertid, der er mange spørgsmål tilbage om, hvordan hydrataflejringer dannes og udvikler sig.

Et sådant spørgsmål blev rejst ved observationer i marken, der opdagede metan, der flyder frit som en gas gennem hydrataflejringer i undergrunden. Hvad der undrer forskere er, at under betingelser, hvor der opstår hydrater, metan bør kun eksistere som et hydrat, ikke som en fri gas. For at løse mysteriet om den fritstrømmende gas, et team af UT -forskere under ledelse af Dylan Meyer, en kandidatstuderende ved UT Jackson School of Geosciences, genskabte i laboratoriet, hvad de så i marken.

Ved hjælp af disse data, de antog, at som hydrat dannes i en aflejring, fungerer det også som en barriere mellem gas og vand, begrænsning af den hastighed, hvormed nyt hydrat dannes, og tillader meget af gassen at boble gennem aflejringen. De udviklede denne idé til en computermodel og fandt ud af, at modellen matchede eksperimentelle resultater. Når skaleret op, de matchede også beviser fra feltstudier, hvilket gør det til den første model af fænomenerne, der med succes kan gøre begge dele. Vigtigt, modellen antyder, at gas, der strømmer gennem undergrunden, kan ophobes til store, koncentrerede hydratreservoirer, som kunne være egnede mål for fremtidige energikilder.

"Modellen gengiver overbevisende en række uafhængige eksperimentelle resultater, som stærkt understøtter de grundlæggende begreber bag det, "sagde Meyer." Vi mener, at denne model vil være et vigtigt redskab til fremtidige undersøgelser, der undersøger udviklingen af ​​store, stærkt koncentrerede hydratreservoirer, der oplever relativt hurtig gasstrøm gennem porøse medier. "

Undersøgelsen er første gang denne form for model er blevet bygget ved hjælp af data fra eksperimenter designet til at efterligne gasstrømningsprocessen. Teamet producerede deres egen hydrataflejring i laboratoriet ved hjælp af en blanding af sand, vand og gas og genskabe de ekstreme forhold, der findes i naturen. Deres indsats gav dem realistiske og relevante data, som de kunne udvikle deres model fra.

Medforfatter Peter Flemings, professor ved Jackson School, sagde, at forståelse for, hvordan metangas bevæger sig gennem hydratlag i undergrunden, er vigtig for at forstå metans rolle i kulstofcyklussen og dets potentielle bidrag til den globale opvarmning.

"Papiret giver en elegant og enkel model til at forklare nogle meget udfordrende eksperimenter, "sagde Flemings.

Undersøgelsens eksperimenter blev udført i specialiserede laboratorier på Jackson School, men modellen var resultatet af et samarbejde på tværs af campus mellem to UT-skoler, Jackson School og Cockrell School of Engineering.

Meyer, Flemings og Kehua You, forsker ved University of Texas Institute for Geophysics (UTIG), havde udviklet den originale computerkode for at forklare deres eksperimentelle resultater, men det var først, da de gik sammen med David DiCarlo, lektor ved UT Cockrell School of Engineering, hvem viste dem, hvordan resultaterne kunne præsenteres ved hjælp af analytisk matematik, at de med succes kunne løse problemet på en måde, der afspejlede det, de så i naturen.

Papiret er kulminationen på Meyers kandidatforskning og bygger på to tidligere publicerede artikler, der fokuserede på resultaterne af hans laboratorieforsøg. Meyer tog eksamen i 2018 med en doktorgrad fra Jackson School og er nu postdoktor ved Academia Sinica i Taipei.

Forskningen blev finansieret af US Department of Energy (DOE) og er en del af et bredere partnerskab mellem DOE og University of Texas i Austin for at undersøge metanhydrataflejringer i Den Mexicanske Golf.

Mange af de laboratorieforsøg, der kom ind i den aktuelle undersøgelse, blev udført af Meyer ved UT Pressure Core Center, et laboratorium på Jackson School udstyret til at lagre og studere kerner under tryk taget fra naturlige methanhydratforekomster i 2017, og som fortsat er det eneste universitetsbaserede anlæg.