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Natürliche Vorkommen

In der Natur kommen Hydrate verschiedener Gase vor, wie z.B. Stickstoff-Hydrate im Eisschild Grönlands oder CO2-Hydrate auf anderen Planeten. Häufig sind Methanhydrate, die aufgrund ihrer physikalischen Stabilitätsbedingungen prinzipiell in Meeressedimenten sowie in Permafrostböden der polaren Regionen vorkommen.

Während die physikalischen Parameter Druck und Temperatur die generell mögliche Verteilung der Methanhydrate beschreibt, ist ein limitierender Faktor die allgemeine Verfügbarkeit einer ausreichenden Menge von Gas, vornehmlich Methan (CH4). Im Ozean stammt das CH4 zu einem großen Anteil aus dem fermentativen Abbau organischer Komponenten bzw. aus der CO2-Reduktion in den Ablagerungen. Teilweise entsteht CH4 aber auch durch thermokatalytische Umwandlungsprozesse in tieferen Sedimenten. Die bei weitem höchsten Anteile an CH4 werden im Bereich der Kontinentalränder gebildet, wo durch hohe Planktonproduktivität der Ozeane und durch hohe Sedimentationsraten große Mengen von organischem Material im Sediment für die Gasbildung zur Verfügung gestellt werden. Daher sind Gashydrate an fast allen passiven und aktiven Kontintalrändern zu finden, aber auch im Kaspischen Meer, im Schwarzen Meer, im Mittelmeer und im Baikalsee.
 
Die Abbildung zeigt die physikalischen Temperatur- und Druckbedingungen für Methanhydrate im marinen Milieu auf. Bei 0°C z.B. in polaren Gebieten sind in nur 100 m Wassertiefe Methanhydrate nicht stabil. Liegt der Meeresboden allerdings tiefer als 400 m, so ist ein Vorkommen möglich, wobei die Mächtigkeit der Hydrat-Zone je nach Temperaturgradient variiert. Ab einer bestimmten Tiefe im Sediment sind die Temperaturen wiederum zu hoch, so dass Gashydrate nicht mehr existieren können und freies Gas und Wasser vorliegen. In dem angenommenen Fall einer mittleren Temperaturzunahme von 3°C pro 100 m Sedimenttiefe kann prinzipiell bei einer Bohrung in 300 m Wassertiefe eine Hydratschicht von 300 m erwartet werden. Diese Schicht beträgt in 1000 m Wassertiefe schon 600 m. Existiert eine höhere Temperaturzunahme, wie z.B. in manchen Sedimenten aktiver Kontinentalränder (4-6°C pro 100 m Tiefe), dann ist die Mächtigkeit der Hydrat-Zone generell geringer. Gashydrate sind in Ozeanböden in bis zu 1.100 m Sedimenttiefe beobachtet worden.
 
In Gebieten mit Permafrost sind die Temperaturgradienten wesentlich geringer. Wie die Abbildung links zeigt, sind Temperaturverläufe von 1.3°C/100 m innerhalb der Permafrostzone zu erwarten, während sie darunter bei 2°C/100 m liegen. Für die Stabilität der Gashydrate spielt die Umgebungstemperatur bzw. die Mächtigkeit der gefrorenen Zone eine entscheidende Rolle. Bei einer Permafrostbasis in 100 m Tiefe (Fall 1) oder weniger sind aufgrund der physikalischen Verhältnisse keine Gashydrate zu erwarten. Anders ist dies bei einer tiefer liegenden Permafrostbasis wie im Fall 2. Generell können Methanhydrate in Polargebieten von 150 m bis ca. 2000 m Tiefe unterhalb der Landoberfläche verbreitet sein.