Gli Idrati di Metano e i pericoli per il loro possibile scioglimento a causa del riscaldamento globale

Gli idrati di metano sono una caratteristica della terraferma e delle piattaforme continentali delle regioni polari, ma si trovano anche nei fondi marini delle zone tropicali. In particolare gli idrati delle zone polari sono a rischio scioglimento a causa del riscaldamento globale e questo è molto preoccupante perché si tratta di una ulteriore componente che si aggiunge all’effetto – serra delle emissioni antropiche. Tra le tante crisi biotiche quella di fine Permiano è avvenuta in condizioni climatiche che assomigliano un po' alle nostre e lo scioglimento degli idrati di metano delle alte latitudini e di quello che restava delle calotte polari del Permo – Carbonifero ne è stato un meccanismo determinante, mentre per esempio al passaggio Paleocene – Eocene in un clima globale più caldo le emissioni degli idrati hanno avuto un impatto minore.

Il metano viene emesso naturalmente da paludi, giacimenti di idrocarburi e giacimenti di idrati sui fondi marini e sotto il permafrost, ed è un gas – serra particolarmente efficiente: una sua molecola ha un impatto sull’effetto – serra 25 volte maggiore di quello di una molecola di CO2. Una considerevole quantità di questo composto è stoccata negli idrati di metano: si tratta di clatrati,  strutture in cui delle molecole di un composto si trovano all'interno di una gabbia formata da un reticolo di molecole ospitanti: in questo caso molecole di metano sono intrappolate dentro un reticolo di molecole di ghiaccio. La dissociazione di 1 litro di un gas idrato completamente saturo ne rilascia ben 169 di metano a pressione atmosferica. Il ghiaccio può intrappolare anche idrocarburi più pesanti: rispetto a quelli di metano possono resistere a temperature più alte e profondità minori.

DOVE SI TROVANO GLI IDRATI DI METANO. Estesi depositi di idrati di metano si trovano notoriamente nelle zone polari: sulla terraferma ghiaccio e permafrost (il suolo permanentemente ghiacciato delle zone polari) formano una copertura criosferica che intrappola le emissioni di metano provenienti dai tanti giacimenti di idrocarburi sottostanti; per quanto riguarda il mare, a quelle latitudini, complici le basse temperature, basta la pressione che si trova a una profondità di 300 metri. Gli idrati di metano sono stabili nei sedimenti sottomarini dei margini continentali anche a latitudini tropicali, dove però essendo la temperatura delle acque ben più alta, si deve arrivare ad elevate profondità, perché occorre una temperatura dell’acqua inferiore a 5°C. 

La Cina sta iniziando lo sfruttamento di giacimenti di idrati a scopo di ottenere combustibili fossili sulla sua piattaforma continentale (e non mi pare una bella cosa...) 

Il fondo del mare di Barents studiato in [7]

IL TASSO DI DISSOCIAZIONE DEGLI IDRATI. La permanenza del metano nei gas idrati è transitoria, per cui si tratta di riserve intrinsecamente temporanee, soggetti a continue perdite, indipendentemente dalla temperatura [1]; però l’attuale riscaldamento globale mette a rischio questi composti in quanto l’aumento delle temperature risulta in un aumento del tasso di dissociazione: livelli molto alti di metano proveniente dalla scomposizione degli idrati sono stati osservati in Siberia [2]. Tuttavia la permanenza di una molecola di CH4 in atmosfera è breve, perché non è capace di sopravvivere in un ambiente ossidante: la maggior parte di quanto emesso in maniera lenta e costante subisce quasi immediatamente la reazione di ossidazione CH4+2O2 → 2H2O+CO2, contribuendo comunque al tenore di CO2 atmosferico, ma con un effetto serra minore rispetto a se rimanesse metano (una parte del forte effetto serra della Terra primordiale è infatti attribuito al metano).   

I brillamenti osservati in questi anni in fondali profondi meno di 400 metri nelle zone artiche sono stati tentativamente spiegati con il riscaldamento di 1°C delle acque dell’area.

VULCANI DI FANGO E GAS IDRATI. In alcuni casi gli idrati sono trasportati in superficie da vulcani di fango, per esempio nella Kaoping Slope, a largo delle coste SW di Taiwan [3]. I vulcani di fango sono più comuni in aree caratterizzate da un regime tettonico compressivo e una rapida accumulazIone di sedimenti, ma anche in aree non proprio prone ad attività tettonica come il mare di Beaufort nell’artico dell’Alaska sono state trovate delle morfologie a gobba larghe 600–1100 metri che si elevano di circa 30 metri dal fondo marino che sono stati interpretati come vulcani di fango [4]. Si tratta di strutture giovani o addirittura in formazione che estrudono sedimenti molto fini e saturi d’acqua accompagnati a vari composti gassosi fra cui metano che spesso va a formare gas idrati.

Diverso il caso di emissioni violente, che avvengono sia in superficie, che sul fondo marino, spesso con la formazione di crateri. A queste emissioni sono associati dei brillamenti, con tuoni e bagliori. Ci sono diverse osservazioni in proposito nelle aree artiche, e di recente ho parlato di un evento del genere avvenuto presso lo Scoglio d’Affrica, nel mare toscano.

Un effetto dello scioglimento degli idrati di metano sono i pockmarks (letteralmente: pustole), crateri che punteggiano il fondo marino in alcune aree o delle forme a tumulo. Sono tutti associati a zone in cui il gas si infiltra  nei sedimenti del fondo marino provenendo da giacimenti sottostanti e quindi li troviamo spesso dove ci sono piattaforme per l’estrazione di idrocarburi offshore dalla Norvegia al golfo del Messico. 

Recentemente è stata studiata un’area del mare di Barents dove sono state documentate delle ingenti emissioni di metano [5], e dove crateri di diametro compreso fra 300 e 1000 metri, dal pendio ripido e alti una trentina di metri si alternano a tumuli larghi oltre 1 km e alti 20 metri. Sia i crateri che i tumuli hanno una forma semicircolare o ellittica, immagino perché il metano fuoriesca da una frattura lineare e non da una sorgente a pozzo puntiforme. 

I profili sismici dimostrano che i tumuli si sono formati grazie all’accumulo di idrati sotto il fondo marino. Nel corso delle ricerche sono stati osservati diversi brillamenti. 

Il meccanismo di formazione e distruzione dei gas - idrati

FORMAZIONE E DISTRUZIONE DEI GIACIMENTI DI IDRATI. Un modello per la formazione e la distruzione ciclica dei gas idrati in relazione ai cicli glaciali è stato presentato il mese scorso nel lavoro appena citato:

• durante una fase glaciale principale in cui si forma sopra il mare di Barents una calotta, come nell’ultimo massimo glaciale o come nel Riss, conclusosi circa 130.000 anni fa il mare di Barents era occupato dalla calotta glaciale. La pressione esercitata dalla calotta bloccava la risalita dai giacimenti sottostanti del metano
• quando la calotta si ritira il metano da queste riserve di idrati si concentra nei tumuli
• se in qualche modo il metano fuoriesce improvvisamente il tumulo si distrugge formando un cratere

Insomma, l’avanzamento e l’arretramento dei ghiacci e le variazioni della temperatura associate costituiscono una valvola che blocca negli idrati il metano durante le fasi glaciali e lo libera negli interglaciali.

Questo processo che ha influenzato e sta influenzando un’area di ben 33 milioni di km2 nelle zone artiche è interessante anche perché influisce pesantemente sulla quantità di emissioni di carbonio in atmosfera, in particolare le aumenta improvvisamente alla deglaciazione: ad esempio la rapida transizione del fondo marino da un ambiente sub-glaciale a un ambiente marino ha portato dopo il massimo glaciale la profondità della zona di stabilità degli idrati di metano da ~440 to ~200 m (Fig. 3A, orange line).  

Quindi la depressurizzazione porta di suo un aumento delle emissioni di metano delle zone artiche precedentemente occupate da calotte glaciali, ma anche le temperature sono una parte importante di questa valvola.

Una conferma di questo è venuta anch’essa da pochi giorni: nella parte settentrionale del Mare del Nord, nell’area dove si trova uno dei più importanti giacimenti di metano noto come Troll gas field. Il campo è posto nel canale di Norvegia, una lascia lunga e stretta molto più profonda di quanto la circonda e il fondo è costellato di “pustole”. La cosa interessante è che si sono formate tutte in un intervallo di tempo estremamente ristretto: non solo i dati stratigrafici e sismici non ne evidenziano la presenza di pustole da dissociazione di idrati prima dello scioglimento della calotta glaciale scandinava, ma, soprattutto, appartengono tutte allo stesso livello stratigrafico, escludendo la possibilità di emissioni in epoche precedenti allo Younger Dryas (l’intervallo freddo che ha preceduto il definitivo dissolvimento della calotta scandinava). Datazioni con il metodo U–Th dei carbonati associati hanno fornito una età di 9.590 ± 138 anni dal presente. Quindi la dissociazione degli idrati di metano di quella sezione del mare di Norvegia è avvenuta non casualmente durante una fase di rapido riscaldamento dell’area alla fine dell'esistenza della calotta glaciale [6].

La presenza di questa “valvola” che alternativamente blocca e libera le emissioni di metano spiega a livello locale perché le pustole del Troll Gas Field si sono formate subito dopo la deglaciazione e a livello globale il basso valore del CH4 atmosferico durante le fasi glaciali, ponendo dei grossi interrogativi sul futuro a causa del riscaldamento globale.

A proposito del futuro, come è noto la Geologia consente di capirne qualcosa guardando al passato.

Il meccanismo alla base delle emissioni di metano
per la dissociazione degli idrati alla fine del Permiano, da [8]

UNO SGUARDO AL PASSATO. Voglio quindi soffermarmi a due momenti cruciali e cioè all’estinzione di fine Permiano (la “madre di tutte le estinzioni”) e al Massimo termico al passaggio fra Paleocene ed Eocene (d’ora in poi PETM), che magari non sarà un’estinzione di massa ma lo è stata per i foraminiferi bentonici (curiosamente scampati all’evento della fine del Cretaceo) e che è stato un limite importanti per i mammiferi, visto che proprio in quel momento compaiono improvvisamente gli ordini “moderni” di placentati.

In entrambi i casi la fase massima del disturbo climatico, atmosferico e biotico coincide con forti emissioni di CO2 causate dalle eruzioni dei Trappi della Siberia nel primo caso e da quelle della Provincia Magmatica dell’Atlantico settentrionale nel secondo. Una caratteristica comune di tutti questi momenti è una forte escursione negativa dei rapporti isotopici degli atomi di Carbonio 12 e 13, il ∂13C. Parlo specificamente di questi due eventi perché si tratta di crisi climatico – biotiche avvenute a causa di Large Igneous Provinces messe i posto alle alte latitudini settentrionali. 

Alla fine del Permiano ci sono forti evidenze di un rilascio catastrofico di metano, testimoniate in particolare dai rapporti fra gli isotopi del carbonio nella materia organica [7]. 

Uno studio sulle inclusioni gassose contenute in alcuni fossili della fine del Permiano molta l’aumento del contenuto di CO2 e metano che ha accompagnato l’evento biotico, la cui durata è brevissima geologicamente parlando, fra 2.000 e 19.000 anni. Il riscaldamento nelle alte latitudini è stato di 8–11 °C: i dati dimostrano che l’effetto – serra dovuto al CO2 atmosferico ha causato un successivo aumento di CH4, avendo appunto innescato lo scioglimento dei gas idrati [8].

Il PETM, soprattutto perché è molto recente è avvenuto con una configurazione dei continenti abbastanza simile a quella attuale (molto di più che in passato, anche se, per esempio, l’Atlantico settentrionale ha iniziato ad aprirsi proprio dopo dopo la messa in posto della provincia magmatica dell’Atlantico Settentrionale  e la collisone India – Eurasia era ancora all’inizio) è un esempio molto significativo per cosa possa succedere a causa dell’odierno riscaldamento globale [9].

Anche il PETM è caratterizzato da una escursione negativa del  ∂13C e da un forte ricaldamento, più sensibile alle alte latitudini. Su questo evento ho scritto un post abbastanza dettagliato.  

Anche in questo caso il periodo più critico è stato molto breve. In questo caso probabilmente gli idrati hanno giocato un ruolo meno determinante [10], e molto probabilmente buona parte delle emissioni di carbonio alle alte altitudini sono dovute alla combustione di giacimenti di idrocarburi  attraversati dai magmi delle prime fasi di queste violente eruzioni  [11]

È evidente in tutti gli eventi di estinzione di massa il ruolo giocato dal riscaldamento globale innescato dai gas – serra e lo è anche, ovviamente, per la crisi della fine del Permiano che per il PETM. È chiaro che i modelli climatici dovranno tenere conto delle conseguenze globali del possibile improvviso rilascio del metano intrappolato nei gas idrati delle alte latitudini. 

[1] Hong et al. (2010) Seepage from an arctic shallow marine gas hydrate reservoir is insensitive to momentary ocean warming Nature Communications DOI:10.1038/ncomms15745

[2] Shakova et al (2010) Extensive Methane Venting to the Atmosphere from Sediments of the East Siberian Arctic Shelf Science 327, 1246–1250

[3] Chen et al (2014) Active mud volcanoes in the gas hydrate potential area of the upper Kaoping Slope, off southwest Taiwan. Oceans,  DOI: 10.1109/OCEANS-TAIPEI.2014.6964312

[4] Paull, et al. (2015), Active mud volcanoes on the continental slope of the Canadian Beaufort Sea, Geochem. Geophys. Geosyst., 16, 3160–3181

[5] Andreassen et al (2017) Massive blow-out craters formed by hydrate-controlled methane expulsion from the Arctic seafloor Science 356, 948–953  

[6] Mazzini et al (2017) A climatic trigger for the giant Troll pockmark field in the northern North Sea Earth and Planetary Science Letters 464,24–34 

[7] Retallack & Krull (2006) Carbon isotopic evidence for terminal-Permian methane outbursts and their role in extinctions of animals, plants, coral reefs, and peat swamps,  Geological Society of America Special Paper 399,  249–268, 

[8] Brand et al (2016) Methane Hydrate: Killer cause of Earth’s greatest mass extinction Palaeoworld 25,  496–507 

[9] Zeebe, R. E., Zachos, J. C. & Dickens, G. R. (2009) Carbon dioxide forcing alone insufficient to explain Palaeocene–Eocene thermal maximum warming. Nat. Geosci. 2, 576–580. (doi:10.1038/ ngeo578) 

[10] Dunkley Jones et al (2010) A Palaeogene perspective on climate sensitivity and methane hydrate instability Phil. Trans. R. Soc. A 368, 2395-2415 

[11] Aarnes et al (2016) Contact metamorphism and thermogenic gas generation in the Vøring and Møre basins, offshore Norway, during the Paleocene–Eocene thermal maximum Journal of the Geological Society 172, 588–598