Метан также представляет собой сложную научную проблему: он образуется в результате ряда различных биологических и небиологических процессов в широком диапазоне условий. Например, это делают микробы, обитающие в желудках коров; он образуется в результате термического разложения погребенного органического вещества; и выбрасывается горячими гидротермальными источниками на морское дно.
И, в отличие от многих других, более структурно сложных молекул, простое знание их химической формулы не обязательно показывает, как они образовались. Поэтому может быть трудно узнать, откуда на самом деле взялась проба метана.
Но теперь группа ученых во главе с геохимиком из Калифорнийского технологического института Джоном М. Эйлером разработала новый метод, который впервые может определить температуру, при которой образовался образец природного метана. Поскольку метан, полученный биологическим путем в природе, образуется при температуре ниже 80 ° C, а метан, образовавшийся в результате термического разложения более сложных органических веществ, образуется при более высоких температурах (достигающих 160-200 ° C, в зависимости от глубины образования), это определение может помощь в выяснении того, как и где образовался газ.
Статья с описанием новой техники и ее первых применений в качестве геотермометра появляется в специальном разделе, посвященном природному газу, в текущем номере журнала Science. Бывший аспирант Калифорнийского технологического института Дэниел А. Столпер (доктор философии ’14) является ведущим автором статьи.
«Каждый, кто смотрит на метан, видит проблемы, видит вопросы, и на все эти вопросы будут даны ответы, основанные на базовых представлениях о его образовании, хранении и химических путях», — говорит Эйлер, профессор геологии Роберта П. Шарпа и профессор геохимии в Калтех.«Проблема со многими месторождениями природного газа заключается в том, что там, где вы их находите — где вы заходите в землю и бурите метан, — не там, где был создан газ.
Многие из газов, с которыми мы имеем дело, переместились», — сказал он. — говорит Столпер. «Выполняя эти измерения температуры, мы действительно впервые можем сказать независимым образом:« Мы знаем температуру и, следовательно, среду, в которой образовался этот метан »».Группа Эйлера определяет источники и условия образования материалов, глядя на распределение тяжелых изотопов — разновидностей атомов, которые имеют лишние нейтроны в своих ядрах и, следовательно, имеют различный химический состав. Например, наиболее распространенной формой углерода является углерод-12, который имеет шесть протонов и шесть нейтронов в своем ядре.
Однако около 1% всего углерода содержит дополнительный нейтрон, который образует углерод-13. Химические вещества конкурируют за эти тяжелые изотопы, потому что они замедляют молекулярные движения, делая молекулы более стабильными.
Но эти изотопы также очень редки, поэтому между молекулами происходит химическое перетягивание каната, в результате которого изотопы концентрируются в молекулах, которые больше всего выигрывают от их стабилизирующего действия. Точно так же тяжелые изотопы любят связываться или «слипаться» друг с другом, что означает, что будет избыток молекул, содержащих два или более изотопов, по сравнению с молекулами, содержащими только один изотоп. Этот эффект комкования силен при низких температурах и ослабевает при более высоких температурах. Следовательно, определение того, сколько молекул в образце содержит сгруппированные вместе тяжелые изотопы, может сказать вам кое-что о температуре, при которой образовался образец.
Группа Эйлера ранее использовала такой метод «слипшихся изотопов» для определения температуры тела динозавров, температуры земли в древней Восточной Африке и температуры поверхности раннего Марса. В ходе этих анализов изучалось скопление углерода-13 и кислорода-18 в различных минералах. В новой работе Эйлер и его коллеги смогли изучить слипание углерода-13 и дейтерия (водорода-2).Ключевой технологией стал новый масс-спектрометр, который команда разработала в сотрудничестве с Thermo Fisher, смешивая и согласовывая существующие технологии для создания новой платформы.
Прототип спектрометра, Thermo IRMS 253 Ultra, оборудован для анализа образцов таким образом, что измеряется содержание нескольких редких версий или изотопологов молекулы метана, включая два вида «слипшихся изотопов»: 13CH3D, который имеет оба атома углерода. -13 атом и атом дейтерия, и 12CH2D2, который включает два атома дейтерия.Используя новый спектрометр, исследователи сначала протестировали газы, которые они производили в лаборатории, чтобы убедиться, что метод возвращает правильные температуры пласта.Затем они перешли к анализу образцов, взятых из окружающей среды, где многое известно об условиях, при которых, вероятно, образовался метан. Например, иногда, когда метан образуется в сланце, непроницаемой породе, он улавливается и хранится, так что он не может мигрировать из точки своего происхождения.
В таких случаях подробное знание температурной истории породы ограничивает возможную температуру образования метана в этой породе. Эйлер и Столпер проанализировали образцы метана из сланца Хейнсвилл, расположенного в некоторых частях Арканзаса, Техаса и Луизианы, где, как считается, сланцы не сильно перемещались после образования метана.
И действительно, метод слипшихся изотопов показал диапазон температур (169–207 ° C), который хорошо соответствует текущим пластовым температурам (163–190 ° C). Этот метод также был точным для метана, собранного из газа, который образовался в результате деятельности жуков-нефтедов, обитающих на нефтяных месторождениях в Мексиканском заливе. Он показал температуры 34 ° C и 48 ° C плюс-минус 8 ° C для этих образцов, а известные температуры в местах отбора проб составляли 42 ° C и 48 ° C соответственно.
Чтобы еще больше подтвердить новую технику, исследователи затем изучили метан из сланцев Марцеллус, формации под большей частью Аппалачского бассейна, где, как известно, скала, улавливающая газ, образовалась при высокой температуре, а затем поднялась в более прохладную среду. Ученые хотели быть уверены, что метан не вернется к более низкой температуре после образования.
Используя свой метод слипшихся изотопов, исследователи подтвердили это, вернув высокую температуру пласта.«Должно быть, когда метан существует и стабилен, он представляет собой ископаемый остаток того, на что была похожа среда его образования», — говорит Эйлер. «Он только помнит, где он образовался».Важное применение этого метода предложено группой измерений метана из сланца Антрим в Мичигане, где подземные воды содержат как биологически, так и термически произведенный метан.
Температуры слипшихся изотопов, полученные для образцов из этого района, ясно показали различное происхождение газов, достигнув примерно 40 ° C для биологически полученного образца и около 115 ° C для образца, содержащего смесь метана, полученного биологическим и термическим путем.«Во многих случаях неясно, является ли метан в пробе подземных вод продуктом подповерхностных биологических сообществ или просочился из нефтеобразующих систем», — говорит Эйлер. «Наши результаты, полученные на сланцах Антрим, показывают, что этот метод слипшихся изотопов будет полезен для различения этих возможных источников».
Последний пример из бассейна Потигуар в Бразилии демонстрирует еще один способ, которым новый метод будет полезен геологам. В этом случае метан растворялся в нефти и мог свободно мигрировать из своего первоначального местоположения. Первоначально исследователи думали, что с их анализом возникла проблема, потому что возвращаемая температура была намного выше известной температуры масла.
Однако недавние данные по керновым породам из этого региона показывают, что самые глубокие части системы действительно стали очень горячими миллионы лет назад. Это привело к новой интерпретации, предполагающей, что газообразный метан возник глубоко в системе при высоких температурах, а затем просочился вверх и смешался с нефтью.«Это показывает, что наш новый метод — это не просто геотермометр для образования метана», — говорит Столпер. «Это также то, что вы можете использовать, чтобы подумать о геологии системы».Работа называется «Температуры образования термогенного и биогенного метана».
Наряду с Эйлером и Столпером дополнительными соавторами являются Алекс Л. Сешнс, профессор геобиологии Калифорнийского технологического института; Майкл Лоусон и Кара Л. Дэвис из ExxonMobil Upstream Research Company; Александр А. Феррейра и Эухенио В. Сантос Нето из Центра исследований и разработок Petrobas; Джеффри С. Эллис и Майкл Д. Леван из Геологической службы США в Денвере; Анна М. Мартини из Амхерстского колледжа; Юнчун Тан из Института энергетических, экологических и энергетических исследований в Ковине, Калифорния; и Мартин Шоелл из GasConsult International Inc. в Беркли, Калифорния. Работа поддержана Национальным научным фондом, Petrobras и ExxonMobil.