Ny forskning från University of Texas i Austin har förklarat ett viktigt mysterium om naturgashydratformationer och, genom att göra så, avancerade forskares förståelse för hur gashydrater kan bidra till klimatförändringar och energisäkerhet.

Forskningen använde en datormodell av gasbubblor som strömmar genom hydratavlagringar, ett vanligt fenomen som enligt befintliga modeller, borde inte vara möjligt utifrån fysik. Den nya modellen hjälper till att förklara hur vissa avlagringar växer till massiva naturgashydratreservoarer, som de som finns under Mexikanska golfen.

En artikel som beskriver forskningen publicerades 16 februari, 2020, i journalen Geofysiska forskningsbrev .

Gashydrater är ett iskallt ämne där gasmolekyler, typiskt metan, bli fångade i vatten-isburar under högt tryck och låg temperatur. De finns mycket i naturen, husera en betydande del av världens organiska kol och kan bli en framtida energiresurs. Dock, många frågor kvarstår om hur hydratavlagringar bildas och utvecklas.

En sådan fråga väcktes av observationer i fält där metan flödade fritt som en gas genom hydratavlagringar i underytan. Det som förbryllade forskarna är att under förhållanden där hydrater förekommer, metan ska bara finnas som ett hydrat, inte som en gratis gas. För att lösa mysteriet med den fritt flödande gasen, ett team av UT-forskare under ledning av Dylan Meyer, en doktorand vid UT Jackson School of Geosciences, återskapade i labbet vad de såg på fältet.

Med hjälp av denna data, de antog att när hydrat bildas i en avlagring fungerar det också som en barriär mellan gas och vatten, begränsar hastigheten med vilken nytt hydrat bildas, och tillåta mycket av gasen att bubbla genom avsättningen. De utvecklade denna idé till en datormodell och fann att modellen matchade experimentella resultat. När den skalas upp, de matchade också bevis från fältstudier, vilket gör det till den första modellen av fenomenet som framgångsrikt gör båda. Avgörande, modellen antyder att gas som strömmar genom underytan kan ackumuleras till stora, koncentrerade hydratreservoarer, som skulle kunna vara lämpliga mål för framtida energikällor.

"Modellen återger på ett övertygande sätt en rad oberoende experimentella resultat, som starkt stöder de grundläggande koncepten bakom det, ", sa Meyer. "Vi tror att denna modell kommer att vara ett viktigt verktyg för framtida studier som undersöker utvecklingen av stora, högkoncentrerade hydratreservoarer som upplever relativt snabbt gasflöde genom porösa medier."

Studien är första gången denna typ av modell har byggts med hjälp av data från experiment utformade för att efterlikna gasflödesprocessen. Teamet producerade sin egen hydratavlagring i labbet med en blandning av sand, vatten och gas och återskapa de extrema förhållanden som finns i naturen. Deras ansträngningar gav dem realistiska och relevanta data för att utveckla sin modell.

Medförfattare Peter Flemings, en professor vid Jackson School, sa att förståelse för hur metangas färdas genom hydratlager i underytan är viktigt för att förstå metans roll i kolets kretslopp och dess potentiella bidrag till den globala uppvärmningen.

"Papperet ger en elegant och enkel modell för att förklara några mycket utmanande experiment, sa Flemings.

Studiens experiment utfördes i specialiserade laboratorier vid Jackson School, men modellen var resultatet av ett samarbete över campus mellan två UT-skolor, Jackson School och Cockrell School of Engineering.

Meyer, Flemings och Kehua Du, en forskare vid University of Texas Institute for Geophysics (UTIG), hade utvecklat den ursprungliga datorkoden för att förklara deras experimentella resultat, men det var inte förrän de slog sig ihop med David DiCarlo, en docent vid UT Cockrell School of Engineering, som visade dem hur resultaten kunde presenteras med hjälp av analytisk matematik, att de framgångsrikt kunde ta itu med problemet på ett sätt som speglade vad de såg i naturen.

Uppsatsen är kulmen på Meyers doktorandforskning och bygger på två tidigare publicerade artiklar som fokuserade på resultaten av hans labbexperiment. Meyer tog examen 2018 med en doktorsexamen från Jackson School och är nu postdoktor vid Academia Sinica i Taipei.

Forskningen finansierades av U.S.A. Department of Energy (DOE) och är en del av ett bredare partnerskap mellan DOE och University of Texas i Austin för att undersöka metanhydratavlagringar i Mexikanska golfen.

Många av laboratorieexperimenten som ingick i den aktuella studien utfördes av Meyer vid UT Pressure Core Center, ett laboratorium vid Jackson School utrustat för att lagra och studera trycksatta kärnor tagna från naturliga metanhydratavlagringar 2017 och som fortfarande är den enda universitetsbaserade anläggningen.