El aliento de Gaia – emanaciones globales de metano

Abstracto

El metano (CH4) es el compuesto orgánico más abundante en la atmósfera de la Tierra, donde actúa como un gas de efecto invernadero y por lo tanto tiene implicaciones para el cambio climático global. La cantidad total actual de CH4 atmosférico, sin embargo, no toma en cuenta el origen geológico de CH4 causado por filtraciones. Fuentes geológicas naturales de CH4 incluyen macro y micro filtraciones, volcanes de lodo, y otras fuentes diversas, como los hidratos de gas, volcanes magmáticos, regiones geotérmicas y las dorsales oceánicas. Las macro filtraciones contribuyen aproximadamente 25 Tg (teragramos) CH4/año a la atmósfera, mientras que, micro filtraciones contribuyen talvez 7 Tg CH4/año. Volcanes de lodo emiten app 5 Tg CH4/año, y fuentes diversas emiten app 8 Tg CH4/año a la atmósfera. Por lo tanto, la contribución total a la atmósfera a partir de fuentes geológicas se estima en 45 Tg CH4/año, lo que es significativo para el ciclo del carbono orgánico atmosférico y debe ser incluido en cualquier inventario mundial de CH4 atmosférico. Argumentamos que el inventario global de CH4 atmosférico del Panel Interplanetario sobre el Cambio Climático debe ser ajustado con el fin de incorporar las fuentes geológicas naturales de CH4 producidas por filtraciones.

1. Introducción

La superficie de la Tierra es el sitio fundamental de procesos biogeoquímicos que implican la liberación e intercambio de diversos compuestos gaseosos, tales como el carbono dióxido (CO2) y oxígeno (O2). Bien conocida es el intercambio biológico de CO2 por O2 por organismos heterótrofos y el intercambio equivalente de CO2 por el consumo de autótrofos para producir O2 durante la fotosíntesis en un ciclo de soporte vital. El dióxido de carbono es también generado por procesos geológicos. Es liberado a la Superficie de la Tierra a través de actividad volcánica y es el producto de O2 utilizando la combustión de biomasa y combustibles fósiles.

También están presentes en la atmósfera cerca de la superficie de la Tierra (es decir, en la troposfera) otros gases, entre ellos el N2, H2, He, Ar, Rn, CO, SO2, H2O (vapor), H2S, HCl, DMS, CH3SH, (CH3) 3N, CH4 y los hidrocarburos de peso molecular más alto, todos los cuales forman parte de las emanaciones gaseosos de la Tierra. En la mitología griega, la diosa de la Tierra se llama Gaia; por lo tanto, se podría hacer referencia a la rica mezcla de gases atmosféricos exhalando en la superficie de la Tierra como el aliento de Gaia. Esta analogía puede ser favorecido por Lovelock (1995), quien formuló la hipótesis de Gaia (más tarde llamada teoría de Gaia) para explicar el funcionamiento de la Tierra viva.

Además del CO2, el otro principal gas que contiene carbono en el aliento de Gaia es el CH4 (metano), el compuesto orgánico más abundante en la atmósfera de la Tierra. Su abundancia total, que generalmente aumenta lentamente (Dlugokencky et al., 1998), está actualmente se aproxima a 5.000 Tg (1 Tg=10^12g CH4), de acuerdo con el IPCC (2001). Este componente orgánico de la respiración de Gaia es el tema de este trabajo.

El presupuesto atmosférica de CH4 y las fuentes de CH4 para este presupuesto han sido objeto de un creciente interés de partida con Ehhalt y Schmidt (1978), y seguido por Cicerone y Oremland (1988), Fung et al. (1.991), IPCC (1996), Lelieveld et al. (1998), Houweling et al. (1999), y el IPCC (2001), y revisado por Reeburgh (2003). El CH4 juega un papel importante en el balance radiactivo y químico de la Tierra y por lo tanto, es un factor importante en las consideraciones del cambio climático global (IPCC, 2001). En las estimaciones del presupuesto mundial de CH4 referenciado anteriormente, las fuentes se pueden organizar en dos categorías principales, naturales (humedales, termitas, océanos, agua dulce, rumiantes salvajes, incendios forestales naturales, y los hidratos de gas) y antropogénico (el uso de energía, rellenos sanitarios y tratamiento de residuos, los rumiantes domésticos, la agricultura del arroz, y la quema de biomasa). La fuerza total de la fuente estimado oscila entre 500 a 600 Tg CH4 / año (Fung et al., 1991) (Lelieveld et al., 1998). El IPCC (2001) concluyó en su tercer informe de evaluación con una mejor estimación de 598 Tg CH4 / año. Fig. 1 muestra las contribuciones relativas de CH4 en el presupuesto atmosférico de las diversas fuentes identificadas. Aunque se reconoce que hay errores probables en la contribución estimada de cada una de las fuentes, para el propósito de este trabajo, la proporción relativa de cada fuente que contribuye y el flujo total de 600 Tg CH4 / año se consideran correctas, dado el estado actual de los conocimientos. Sin embargo, se argumenta que una de las fuentes que contribuyen necesita ser ajustada para dar cuenta de las filtraciones de origen natural de CH4 en el aliento de Gaia.

Fig. 1. Diagrama que muestra las contribuciones relativas de varias fuentes en el presupuesto global de CH4 atmosférico. La información obtenida a partir del IPCC (2001). Unidades en Tg (1,012 g) CH4 / año.

La mayoría de estas fuentes en el presupuesto global de CH4 son el resultado de procesos biológicos activos. La quema de biomasa y los incendios forestales naturales, en las que los materiales biológicos son incompletamente quemados para producir CH4 junto con el principal producto de CO2, es una excepción. Incluso el CH4 de los hidratos de gas se produce principalmente microbiológicamente (Kvenvolden, 1995). Sólo en la fuente identificada en la Fig. 1 como "fuentes de energía" donde los combustibles fósiles son explotados, es el CH4 biológico no activo, es decir geológico, en su origen. La fuente de energía se divide en dos actividades, la minería del carbón y del gas natural y de explotación de petróleo crudo. Estas actividades antropogénicas producen fósiles o viejo CH4 que se ha generado en el pasado geológico por procesos térmicos que actúan sobre materiales biológicos antiguos.

Desde el punto de vista geológico, sin embargo, hay muchas fuentes naturales de CH4 fósiles que han sido completamente ignorados en estas evaluaciones del presupuesto global de metano, como se resume en el IPCC (2001). Estas fuentes naturales de CH4 fósiles incluyen macro-filtraciones y volcanes de lodo, todos los que se encuentran tanto en ambientes terrestres y submarinos de todo el mundo. Además, micro-filtración de CH4 probablemente ocurre a nivel mundial en la superficie de las cuencas sedimentarias donde se generó el petróleo (crudo y gas natural).

Los efectos de este trabajo son: (1) un resumen de información sobre las fuentes geológicas de CH4, (2) estimar sus fortalezas de origen (tasas anuales de liberación CH4), y (3) ajustar el presupuesto global de metano para reflejar las contribuciones de origen geológico de CH4 fósil. En la discusión que sigue, los números del presupuesto promedio se reportan por simplicidad, pero debe entenderse que un rango de valores está siempre implicado.

2. Destino del CH4

El CH4 atmosférico es un gas traza moderadamente reactivo con un curso de la vida actual en la atmósfera de aproximadamente 7,9 años (Lelieveld et al., 1998). Aunque baja en concentración, es sin embargo el compuesto orgánico más abundante en la atmósfera. Es radiactivamente significativa, que funciona como un “gas de efecto invernadero”. El efecto invernadero de una molécula de CH4 en la atmósfera es app 25 veces mayor que la de una molécula de CO2 (Lelieveld et al., 1998). La mayoría de CH4 se retira de la atmósfera a través de la oxidación por radicales hidroxilo (OH) en la troposfera; una mayor destrucción se lleva a cabo en la estratosfera (Levy, 1971). En la superficie de la Tierra, el CH4 atmosférica se difunde suelos y posteriormente se oxida (Nacido et al., 1990). Procesos de oxidación microbiana en la Tierra también interceptar y eliminan más del 50% del CH4 antes de que alcance la atmósfera (Reeburgh, 2003). Oxidación microbiana es particularmente eficaz en los océanos (Reeburgh et al., 1993), y también tiene un efecto sustancial en las emisiones de CH4 de los humedales, la producción de arroz, vertederos, y fugas de los sistemas de distribución de metano, tales como tuberías (resumidos en Reeburgh, 2,003).

Aunque la intensidad de la fuente mundial total de CH4 es 598 Tg CH4 / año, el fregadero mundial total de CH4 es 576 Tg CH4 / año (IPCC, 2001); el desequilibrio de 22 Tg CH4 se agrega a la atmósfera cada año. Las concentraciones de CH4 atmosférico han aumentado con el tiempo a tasas variables. Por ejemplo, durante el último período glacial la concentración fue app 0.35 ppm. Esta cantidad aumentó aproximadamente a 0.75ppm en 1850 momento en el que la concentración de CH4 aumentó mucho más rápidamente como resultado de la expansión agrícola y la industrialización (Lelieveld et al., 1998). En 1998, la abundancia en la superficie atmosférica promedio a nivel global de CH4 fue 1,745 ppm, correspondiente a una carga total de app 4850 Tg CH4 (ICPP, 2001).

La atmósfera contiene CH4 que ha sobrevivido tanto a la oxidación microbiana en la Tierra y a la oxidación de radicales hidroxilo en la atmósfera. Esta residual de CH4 atmosférico originalmente proviene de la alteración de la materia orgánica en la Tierra por dos procesos distintos, uno mediante procesos biológicos y el otro controlado geológicamente. CH4 microbiano, a menudo llamado biogénico CH4, es producido por archaea metanogénicas como un producto final de la descomposición de la materia orgánica que involucra diversos consorcios de microorganismos. Según el IPCC (2001), app el 80% del CH4 en la atmósfera resulta de la actividad metanogénica presente

o pasada y app el 20% es "viejo" o "fósil" y viene originalmente de la descomposición térmica de la materia orgánica. Este CH4 termogénico (y otros gases de hidrocarburos) se forman a partir de la descomposición térmica de compuestos orgánicos complejos, incluyendo querógeno, a altas presiones y temperaturas (> 80ºC) a profundidades mayores de app 1 km debajo de la superficie de la Tierra (Judd et al., 2002). Un tercero, pero menor categoría de CH4 es el CH4 abiogenico, obtenidas por procesos inorgánicos que operan en lo profundo de la corteza terrestre y el manto subyacente; la cantidad de CH4 abiogenico llega a la superficie de la Tierra y en la atmósfera es probablemente muy pequeño (Welhan y Craig, 1983).

3. Litaciones Isotópicas en el CH4 atmosférico

CH4 microbiano, termogénico y abiogenico que se originan en la Tierra con cada categoría tienen rangos isotópicos distintivos de carbono (13C), estas composiciones no son absolutas, pero son útiles para la clasificación: microbiana, principalmente entre 60 y 70‰, con valores que van de lo más ligero 110 ‰; termogénico, generalmente entre 20 52 ‰; y abiogenico, que varía de aproximadamente 5 a 45 ‰, informado con relación a la Belemnite Standard PeeDee (resumido por Judd, 2000). Estas firmas isotópicas de carbono iniciales están parcialmente fraccionadas mediante procesos de oxidación ya que el CH4 se escapa de la superficie de la Tierra. El metano que sobrevive se enriquece isotópicamente en 13C. La oxidación microbiana de metano, tanto anaeróbica y aeróbica, se estima que consume más de la mitad del total de metano producido en la Tierra. De hecho, la oxidación de metano anaerobio es casi un fregadero cuantitativo para la difusión de CH4 de los sedimentos oceánicos anóxicos (Reeburgh et al., 1993). Oxidación aeróbica tiene lugar en la columna de agua oceánica, y las tasas de oxidación se han medido mediante la observación de disminuciones en las concentraciones de CH4 (Scranton y Brewer, 1978) y por estudios de seguimiento directos (Reeburgh et al., 1991; Valentine et al, 2001). No sólo el CH4 se somete a fraccionamiento isotópico del carbono en los sedimentos y los océanos, también es isotópicamente fraccionado en la atmósfera por oxidación del radical hidroxilo (resumidos en Fung et al., 1991). El resultado final es que la composición isotópica estable media de carbono (d 13C) de CH4 atmosférica, tal como se mide para 1990-1995, es aproximadamente 47.3 ‰ (Quay et al., 1999).

El contenido de 14C en el CH4 atmosférico se ha utilizado también para restringir el presupuesto global de CH4. El radiocarbono (14C) sólo está presente en CH4 producido a partir de carbono orgánico moderno (< 35.000 años de edad) por procesos biogénicos. El metano por procesos termogénicos resulta del carbono orgánico viejo que no contiene 14C. Por lo tanto, la fracción de 14C en la cantidad creciente de CH4 en la atmosfera, se cree que es sensible a los combustibles fósiles relacionados con las emisiones de CH4, debido a que el CH4 “antiguo” de los depósitos geológicos se agota en 14C (Lelieveld et al., 1998). Si la contribución relativa de las fuentes de CH4 relacionadas con combustibles fósiles (fuentes de energía en la Fig. 1) se

puede estimar a partir de 14CH4 / 12CH4 las mediciones en la atmósfera, entonces el 18% de CH4 atmosférico proviene de fuentes de energía de combustibles fósiles y el 82% restante es de procesos microbianos (IPCC, 2001).

4. Emisiones naturales de Metano

La intensidad de la fuente total del presupuesto CH4 es de aproximadamente 600 Tg CH4 / año (fig. 1), y app 18% del CH4, o app 110 Tg CH4 / año contiene 14C de carbono empobrecido (IPCC, 2001). Mientras que la totalidad de este CH4 fósil se atribuye actualmente a la explotación de los combustibles fósiles, algunos también deben ser el resultado de procesos naturales que continuamente emiten CH4 a la atmósfera como parte de la respiración (o aliento) de Gaia. Estas emisiones de CH4 son todas filtraciones de gas natural, e incluyen macro-filtraciones, que tienen manifestaciones visibles, como las burbujas cuando las filtraciones están de bajo el agua, y micro-filtraciones, que son invisibles y por lo general son detectados por mediciones químicas. Los volcanes de loso son una categoría especial de macro-filtraciones; las salidas de estas filtraciones naturales son como un volcán en apariencia. El hidrato de gas, una formula solida de CH4 y agua, a menudo se asocia con las macro-filtraciones, incluyendo volcanes de lodo, que se producen en aguas muy profundas. El hidrato de gas se considera una manifestación de la filtración de gas natural en circunstancias especiales.

4.1 Macro-filtraciones naturales

Filtraciones naturales de petróleo (crudo y gas natural) son globalmente extendida (Fig. 2) en ambos ambientes terrestres y marinos (Wilson et al., 1973, 1974). Sus ocurrencias se han documentado desde el comienzo de la historia registrada. Por ejemplo, hay referencias bíblicas al petróleo crudo muy pesado (asfalto) se filtra alrededor del Mar Muerto, y la quema de gas (metano) se filtra en la región de Bakú de Azerbaiyán fueron los sitios de adoración de fuego por parte de grupos religiosos zoroastrianos tempranas (Levorsen, 1956).

Filtraciones de petróleo comúnmente arrastran gas, y filtraciones de gas suelen ir acompañados de un poco de petróleo crudo. Debido a la estrecha asociación entre filtraciones de petróleo y gas, es posible estimar la cantidad de gas que se escapa de la superficie de la Tierra basado en estimaciones de la filtración mundial de petróleo crudo y una relación global de gas / petróleo.

Un estudio de la Academia Nacional de Ciencias (NAS, 2003) llegó a la conclusión de que, como una mejor estimación, ~6x10 ^ 5 toneladas (1 tonelada = 10 ^ 6 g) / año de petróleo crudo se filtra en el medio marino. Detalles que conducen a esta tasa mundial estimada de filtración de petróleo crudo se dan en Kvenvolden y Cooper (2003). Un resumen de las relaciones gas / petróleo (GOR) para 141 sistemas petroleros del mundo muestra que 126 de estos sistemas tienen tanto el petróleo como el gas, que se considera principalmente CH4, mientras que 12 de ellos producen sólo el gas, y tres

producen sólo petróleo crudo (Peters et al., 2005, p. 756). El GOR promedio de los 126 sistemas petroleros es 2.3x10 ^ 5. Suponiendo que el 6x10 ^ 5 toneladas de crudo se filtra en el medio marino cada año tiene este promedio GOR, entonces la cantidad de CH4 que se filtra en los océanos es de ~20 Tg / año. Este cálculo es conservador en el sentido de que no hay participación de ninguno de los 12 sistemas petroleros de sólo gas, y ningún factor de pérdida en la columna de agua está incluido. Suponiendo además que las filtraciones de gas submarino se restringen a los márgenes continentales y que las filtraciones de gas terrestre se encuentran en áreas de extensión comparable, el gas se filtra en la tierra puede emitir directamente a la atmósfera una cantidad equivalente de CH4, o 20 Tg. Por lo tanto, el flujo total mundial de filtraciones naturales se estima en ~40 Tg CH4 / año.

Figura 2. Mapa que muestra la distribución mundial de filtraciones de petróleo en tierra y mar,

muchas de las cuales también emiten gas natural. Los números indican el recuento de filtraciones en una región determinada. Redibujado y modificado de Wilson et al. (1973, 1974).

De interés es una comparación de esta estimación de 40 Tg CH4 / año con las estimaciones publicadas anteriormente por varios autores. Por ejemplo, Ehhalt y Schmidt (1978) calculan el flujo oceánico mundial de CH4 a la atmósfera sobre la base de la velocidad de difusión molecular de CH4 a través del límite aire-mar. Trotsyuk y Avilov (1988) midieron el flujo diseminada de CH4 en el Mar Negro y extrapolar estos resultados en todo el mundo para obtener una estimación global de las emisiones de CH4 del fondo marino. Hovland et al. (1993) utilizaron estimaciones publicadas de flujo fondo marino y las distribuciones de filtración para determinar un flujo fondo marino global para CH4. Cranston (1994) considera la liberación de CH4 de los sedimentos costeros y marinos para estimar la cantidad de CH4 en la atmósfera a partir de

Tabla 1. Estimaciones

globales de las emisiones de

CH4 procedentes de filtraciones

naturales en los

estas fuentes. Observaciones de las "filtraciones de hidrocarburos marinos más espectaculares del mundo" la costa de Coal Oil Point, California, por Hornafius et al. (1999) se extrapolaron para obtener un flujo de CH4 a la atmósfera. Éstas y otras estimaciones han sido recopilados por Judd (2000) y Judd et al. (2002). La Tabla 1 resume las estimaciones de las emisiones de CH4 procedentes de filtraciones naturales en los océanos. Como era de esperar, estas estimaciones varían, pero los resultados sugieren que el ~50 Tg CH4 / año se filtra naturalmente del fondo marino, basada principalmente en las estimaciones de Hovland et al. (1993). Alrededor del 30 Tg CH4 / año llega a la atmósfera, y 20 Tg CH4 / año se disuelve o se convierte en CO2 por oxidación en la columna de agua.

Otro enfoque para estimar las tasas de infiltración globales de CH4 se intentó en un taller (donde el término 'aliento de Gaia' para la filtraciones naturales de CH4 fue acuñado por primera vez), patrocinado por el Servicio Geológico de Estados Unidos, y se mantiene en Portland, Oregon, mayo 2-4, 2001 (Kvenvolden et al., 2001). Este enfoque implicó supuestos generales basadas en consideraciones de la disponibilidad de CH4 para la filtración de todas las fuentes geológicas globales a través del tiempo geológico. El método utilizado fue adoptada de trabajos anteriores se trata de estimaciones mundiales de filtraciones de petróleo crudo (Kvenvolden y Harbaugh, 1983; Miller, 1992). El depósito total de CH4 se estima entre 104 y 108 Tg y la vida media de este embalse se fijó en 108 años. Si la longitud de tiempo para el agotamiento de depósito se supone que es 108 a 1012 años-una gama suficientemente amplia para incluir todas las eventualidades, entonces el flujo de CH4 se estima en ~30 Tg CH4 / año desde el fondo marino y ~10 Tg CH4 / año en la atmósfera. Por lo tanto, las estimaciones del flujo mundial de CH4, basado en la relación de gas / petróleo, estudios en la literatura, y las consideraciones teóricas, promedio de ~25 Tg CH4 / año a la atmósfera y ~35 Tg CH4 / año al fondo del mar.

En filtraciones de hidrocarburos naturales, CH4 es el constituyente principal, pero el gas se filtra en la superficie de la Tierra puede emitir otros gases. Por lo tanto, el aliento de Gaia puede ser complejo, y se requieren análisis químicos para identificar composiciones filtración-gas. Dos ejemplos ilustran este punto. En Norton Sound, Alaska, una filtración de gas natural en 20 m de agua emite una corriente continua de burbujas. Cuando primero descubierto y analizado (Cline y Holmes, 1977), se informó de que una filtración de gas de

hidrocarburos dominado por CH4. Trabajos posteriores por Kvenvolden et al. (1979) demostraron que las emisiones de gas natural en esta filtración fueron dominados por el CO2, y que los gases de hidrocarburos, incluyendo CH4, eran sólo constituyentes menores. Un segundo ejemplo es en el noroeste de Wyoming, donde Kvenvolden et al. (1989) observaron que en el Parque Nacional de Yellowstone las filtraciones de gas son, como la filtración de Norton Sound, dominada por CO2 con CH4 como constituyente menor. Al sur en el Parque Nacional Grand Teton, la situación es muy diferente. Aquí, las filtraciones naturales están dominadas ya sea por CH4 o N2. Estos ejemplos muestran que cuando los trenes de burbujas en el agua indican la presencia de una filtración de gas natural, se necesitan análisis químicos para describir la composición del gas de escape. En todas las filtraciones de hidrocarburos, sin embargo, CH4 es el componente dominante.

4.2 Volcanes de lodo

Volcanes de lodo son una espectacular manifestación de la filtración de gas natural en la superficie de la Tierra. Son estructuras geológicas formadas como resultado de la emisión de gas, por lo general CH4, agua y barro en la superficie terrestre y en el fondo marino (Dimitrov, 2002). A menudo se incluye en el barro son clastos de rocas angulares y redondeados, que varían en tamaño desde unos pocos milímetros hasta 10 m o más. Los clastos pueden ser de varios tipos litológicos y se derivan de las paredes de los conductos a través del cual la mezcla de gas-lodo-agua ha pasado en su camino hacia la superficie. Los volcanes de lodo son morfológicamente diversos, que van desde formas de montículos semi-simétricas a formas cónicas regulares e irregulares. Los volcanes de lodo varían en tamaño, desde pequeñas formaciones terrestres de menos de un metro de diámetro hasta grandes estructuras que ocupan más de 100 km^2. Las erupciones en volcanes de lodo pueden ser suaves o violentas. En las erupciones suaves, los volcanes de lodo se expanden gradual y progresivamente por las salidas de barro líquido. En erupciones violentas, el barro y la brecha de barro se pueden disparar en el aire a una altura de unos pocos kilómetros. El gas emitido puede encender para producir llamas espectaculares. Fig. 3 muestra una típica abertura del volcán del barro en el complejo del volcán del barro de Dashgil actualmente quieto en Azerbayán que ha sido descrito detalladamente por Hovland et al. (1997). Azerbaiyán es la capital del mundo de los volcanes de lodo con ~400 ejemplos ubicadas dentro de la cuenca de petróleo y gas del sur del Caspio y más de 300 volcanes de lodo situados en tierra del este de Azerbaiyán y en alta mar en el Mar Caspio adyacente (Aliyev et al., 2002).

Fig. 3. Fotografía de un volcán de lodo de ventilación en el complejo de volcán de lodo Dashgil

cerca de Bakú, Azerbaiyán. Foto tomada por K.A. Kvenvolden en 2002.

Volcanes de lodo se distribuyen a nivel mundial y se producen tanto en los ambientes terrestres y marinos (Fig. 4). El número de prominentes volcanes de barro individuales asciende a ~1.950 (Dimitrov, 2003), aunque el recuento sigue siendo incierto. Por ejemplo, Milkov (2000), en una afirmación sin fundamento, estima el número de volcanes de lodo de aguas profundas conocidos o inferidos oscilan entre 10^3 a 10^5 y elige el número 5x10^3 con el fin de extrapolar el flujo de CH4. Los volcanes de lodo están irregularmente agrupados en cinturones que generalmente coinciden con las zonas de límites de placas activas y zonas de actividad orogénica joven (Dimitrov, 2002). Más de la mitad del número total de volcanes del barro está localizada a lo largo del Cinturón Activo Alpino-Himalayo donde hay ~650 terrestres y al menos 470 ejemplos prominentes de la costa (Fig. 4). Los volcanes del barro más grandes y más activos pueden ser encontrados a lo largo de este Cinturón.

Figura 4.

El interés en los volcanes de lodo ha aumentado recientemente debido, en parte, a que sus emisiones pueden tener implicaciones para el cambio climático global. Dimitrov (2002) proporciona una revisión completa del volcán de lodo, sistemas de tubería, y posibles consecuencias geológicas. Además, hay informes recientes de volcanes de lodo en el Golfo de México (MacDonald et al., 2000), en el mar Nigeria (Graue, 2000), al sur del Mar Caspio (Voitov, 2001), el margen continental de África del Suroeste (Ben-Avraham et al., 2002), los Apeninos septentrionales de Italia (Capozzi y Picotti, 2002), Sicilia (Etiope et al., 2002), Mar Mediterráneo occidental (Sautkin et al., 2003), el margen atlántica de Marruecos (Mazurenko et al., 2003), Golfo de Cádiz (Pinheiro et al., 2003), el este de Rumania (Etiope et al., 2004), y el Mar de China Oriental (Yin et al., 2003). Una nueva erupción de volcán de lodo en Nueva Zelanda (Pettinga, 2003) ha reemplazado a una filtración de gas de hidrocarburo se descrito geoquímicamente por Kvenvolden y Pettinga (1989). Este ejemplo demuestra bastante bien que los volcanes de barro son una forma especial de la filtración de gas natural en la superficie de la Tierra.

La tabla 2 resume las estimaciones de las emisiones de CH4 de volcanes de lodo. El flujo de CH4 de volcanes de lodo se estima en 10,3 -12,6 Tg CH4/año por Dimitrov (2002), que revisa la estimación a 5,06 Tg CH4/año (Dimitrov, 2003), a fin de reflejar la cantidad de CH4 que realmente llega a la atmósfera. Milkov et al. (2002)  independientemente estimó que el flujo total de volcanes del barro era 30.5 Tg CH4/yr con 5.5 Tg CH4/yr que entra en la atmósfera. Dada la actual comprensión de volcanes de lodo, una estimación

Tabla 2. Las estimaciones de

las emisiones de CH4 de los volcanes de

lodo durante las fases de reposo

razonable y conservador de las emisiones del volcán de lodo a la atmósfera es de aproximadamente 5 Tg CH4 / año.

4.3 Hidratos de gas

Hidrato de gas es un sistema de almacenamiento intermedio para CH4 que se está moviendo a través de las tuberías de los sedimentos que se encuentran principalmente debajo de las aguas profundas (profundidades mayores de ~300 m). Una gran cantidad de CH4, quizá 21x10^15 m^3, se deposita en hidratos de gas (Kvenvolden, 1988a), y porque el depósito de hidratos de gas es metaestable y dinámico, el CH4 es añadido a y retirado de hidratos de gas durante el tiempo geológico. Hidrato de gas es esencialmente un agua clatrato (estructura de jaula) de gas natural (principalmente CH4) y puede ser denominado un hidrato del metano clatrato o hidrato del metano. El CH4 en hidratos de gas se genera principalmente por microbios; sin embargo, CH4 termogénico se produce en los hidratos de gas del Golfo de México, el Mar Caspio, y algunos otros lugares donde no se conocen los sistemas de petróleo (Kvenvolden, 1995). La ocurrencia de hidrato de gas natural está controlada por una interrelación entre los factores de temperatura, presión, y la composición constituyente. Debido a estos factores, la aparición de hidratos de gas en la Tierra está restringida a los sedimentos en regiones oceánicas polares y profundas. En las regiones polares, los hidratos de gas se asocian normalmente con permafrost tanto en tierra como en el sedimento continental y en alta mar en los sedimentos de las plataformas continentales. En las regiones oceánicas profundas, hidratos de gas se encuentra en los márgenes continentales exteriores en los sedimentos de las pendientes y se levanta donde el agua fría inferior está presente (Kvenvolden, 1993). La ocurrencia de todo el mundo conocido e inferido de hidratos de gas se muestra en la figura 5.

El metano en filtraciones de gas natural en aguas profundas y en volcanes de lodo de aguas profundas esta comúnmente presentes en forma de hidratos de gas. Por ejemplo, en el Golfo de México, los hidratos de gas viola el fondo marino en los sitios de la filtración de gas (MacDonald et al., 1994). Del mismo modo, en Hidratar Ridge en el margen de Cascadia, la costa de Oregón, hidrato de gas libera CH4 en la columna de agua (Suess et al., 1999). Un ejemplo de hidrato de gas

asociado con un volcán de lodo está en el volcán de lodo Hakon Mosby situado en el margen Noruega- Barents-Svalbard en el Mar de Noruega (Ginsburg et al., 1999). En cada una de estas ocurrencias de gas-hidrato, hay poca evidencia que el CH4 disociado del hidrato de gas alguna vez llegue a la atmósfera. Por ejemplo en el Golfo de México, la principal fuente de CH4 atmosférico parece ser el sistema de petróleo subterráneo prolífico en lugar del descomposición hidrato de gas (Sassen et al., 2001). En Hydrate Ridge, la emisión de CH4 a la atmósfera se atribuye a la surgencia costera en lugar de hidrato de gas (Rehder et al., 2002). Columnas de burbujas de CH4 a partir de los hidratos de gas fueron asignadas acústicamente y ninguna de las columnas llegó a la superficie del mar, aunque algunos CH4 puede haber llegado a la atmósfera de columnas que se acercaron cerca de la superficie del mar. En el volcán de lodo de Hakon Mosby, el CH4 de hidrato de gas es diluido y mezclado con el CH4 del fondo en el agua de la parte inferior y se pierde en el océano profundo polar del Ártico (Damm y Budeus, 2003).

Fig.5. Mapa que muestra ubicaciones en todo el mundo de conocidos e inferido de hidratos de

gas en acuática (océanos, mares, lagos) de sedimentos y en el sedimento continental polar. Los círculos vacíos indican los lugares donde se han recuperado muestras de hidrato de gas natural. Los círculos negros indican la ubicación de inferido de hidratos de gas. Cuadrados rellenos están en regiones de potencial ocurrencia de gas hidrato en Rusia. Adaptado de Kvenvolden (2002).

Aunque hay poca evidencia directa de origen natural que une CH4 de hidrato de gas con la atmósfera, las consideraciones teóricas (Zhang, 2003), los experimentos empíricos (Brewer et al., 2002), y el razonamiento geológico (Kvenvolden, 1988b) proporcionan evidencia sugestiva de que algunos CH4 de hidratos de gas puede llegar a la atmósfera. Preguntas sin respuesta son: la rapidez con que no se descomponen los hidratos de gas y con qué eficacia se oxida el CH4? Hasta el destino de CH4 a partir de hidrato de gas se entiende completamente, la presente conclusión conservadora es que poco gas-hidrato

de CH4 nunca entra en la atmósfera a menos que haya escapes catastróficos en el que significativa CH4 sobrevive y llega a la atmósfera. Hay evidencia de que CH4 de la disociación masiva de los hidratos de gas, al menos, ha entrado en los océanos en el pasado como se demuestra por Dickens et al. (1995).

Grandes cantidades de CH4 están actualmente almacenados en los hidratos de gas. A 'estimación del consenso' de ~10 tton (1 tton = 10^18 g) de CH4 carbono o ~13 tton de CH4 se ha dado (Kvenvolden, 1999), pero se cree que sólo una pequeña fracción puede filtrarse y llegar a la atmósfera (Lelieveld et al., 1998). Los primeros trabajos de Kvenvolden (1988b) sugiere que la cantidad de fugas de CH4 es inferior a 0,12 Tg/año, más tarde reconsideró a ~4 Tg/año (Kvenvolden, 1991). Cicerone y Oremland (1988) sugirieron 5 Tg/año, y el IPCC (2001) indicaron 10 Tg / año. Estos valores son todos incierto y, en el caso de Cicerone y Oremland (1988), la estimación de 5 Tg CH4 / año es un "marcador de posición" en espera de verificación.

4.4 Micro-filtraciones de gas Natural

Una de las bases para la prospección de superficie para acumulaciones de petróleo del subsuelo es el concepto de micro-filtración de gas natural (Philp y crujiente, 1982). Es decir, mediante la medición de las anomalías gaseosas resultantes de la fuga de la superficie de la Tierra, una evaluación se puede hacer del potencial de petróleo de un área determinada (Schumacher y Abrams, 1996). Aunque la prospección de superficie ha tenido diversos grados de éxito en los últimos años, también ha sido recibido con diferentes niveles de escepticismo como una herramienta de investigación de petróleo (Hunt et al., 2002). Sin embargo, no hay duda de que las micro-filtración de CH4 se producen, en particular asociado con fallas y fracturas que alcanzan la superficie.

Micro-filtración de CH4 de las cuencas sedimentarias antiguas en tierra (Fig. 6) ha sido considerado por Etiope y Klusman (2002). Micro-filtraciones implica la pérdida lenta, continua de gases de hidrocarburos, incluyendo CH4, desde profundidades de hasta unos 5 kilometros, donde se está produciendo la degradación térmica de la materia orgánica. Klusman y Jakel (1998) proporcionan un ejemplo de micro-filtración natural de CH4 a la atmósfera en una cuenca sedimentaria con la explotación de petróleo activo, la cuenca de Denver-Julesburg de Colorado. Flujo de datos de micro filtración en áreas propensas a los hidrocarburos suelen mostrar valores negativos, dependiendo de la temporada; es decir, el área actúa como un sumidero (retira metano) neto de CH4 en lugar de una fuente neta. Etiope y Klusman (2002), extrapolando de los pocos datos disponibles, estiman el flujo total de CH4 de cuencas sedimentarias terrestres de la actualidad del mundo (Fig. 6) es de 70 Tg/año. Este valor de flujo total se reduce, sin embargo, a ~7 Tg CH4 / año debido al consumo metanotrófica 90% (sumidero neto) de CH4 que se produce

en los suelos de las cuencas sedimentarias durante el proceso de micro-filtraciones (Etiope y Klusman, 2002).

Liberación de CH4 a través de micro-filtraciones es sutil, mientras que las emisiones de CH4 de los volcanes de lodo son evidentes. Por lo tanto, la similitud de las tasas totales de flujo de los dos fenómenos (5 Tg CH4 / año para los volcanes de lodo y 7 Tg CH4 / año para micro-filtraciones) es algo sorprendente. Los volcanes de barro se han estudiado más ampliamente desde una perspectiva global que tienen micro-filtraciones. Por lo tanto, el flujo global de 5 Tg CH4 / año se considera que es mejor limitado que el flujo global de 7 Tg CH4 / año estimada para micro-filtraciones.

Fig.6. Mapa que muestra la ubicación de las cuencas sedimentarias de todo el mundo donde se

puede producir micro-filtración de CH4. Adaptado de Etiope y Klusman (2002).

4.5 Fuentes diversas de CH4

Hay otras fuentes de CH4 a la atmósfera, además de volcanes de barro, macro y micro-filtraciones y muchas de estas fuentes se resumen en Judd et al. (2.002). Por ejemplo, aunque el CO2 es el principal gas carboncontaining liberado de volcanes magmáticas (no volcanes de lodo), se estima que la cantidad de CH4 liberado por la actividad volcánica en la tierra está entre 0,8 y 6,2 Tg / año (Lacroix, 1993) o en promedio ~4 Tg CH4 / año. Áreas geotérmicas también emiten CH4 a la atmósfera. Las estimaciones globales de flujo van desde 0,9 hasta 3,2 Tg CH4 / año (Lacroix, 1993) y 2,5-6,3 Tg CH4 / año (Etiope y Klusman, 2002) o un promedio de ~3 Tg CH4 / año. Por último, el sistema dorsal oceánica mundial emite cantidades insignificantes de CH4 de los océanos, que se estima por Welhan y Craig (1983) a 0,1 Tg / año, según ha informado en Judd (2000). La cantidad de CH4 de llegar a la atmósfera a partir de las dorsales oceánicas también probable insignificante.

La Tabla 3 resume las emisiones de CH4 procedentes de diversas fuentes geológicas en el aliento de Gaia incluyendo macro y micro-filtraciones,

Fig.7. Diagrama del

volcanes de lodo, los hidratos de gas, volcanes magmáticos, zonas geotérmicas y las dorsales oceánicas. Estas tasas de emisión varían de 44 a 48 Tg CH4 / año, dependiendo de la función que las emisiones de los hidratos de gas pueden jugar. Los valores están comprendidos en el rango de emisiones geológicas de 40-60 Tg CH4 / año según lo propuesto recientemente por Etiope (2004).

5. Ajuste del presupuesto mundial de CH4; implicaciones para el cambio climático

Si se acuerda que el IPCC (2001) abarca las últimas ideas de consenso en relación con el presupuesto global de CH4 (Fig. 1), entonces la intensidad de la fuente geológica recientemente identificado de 45 Tg CH4 / año debe tenerse en cuenta dentro de la fuerza de la fuente mundial total de ~600 Tg CH4 / año. De este 600, 110 Tg CH4 / año se atribuye al uso antropogénica de combustibles fósiles en la minería del carbón y la producción de petróleo (Fig. 1). Esta explotación de combustibles fósiles produce fósiles CH4, y un 110 Tg CH4/año tasa de emisión de CH4 es necesaria para compensar la carga microbiana o CH4 joven (490 Tg CH4/año) y para equilibrar las limitaciones isotópicas de carbono del presupuesto de CH4 tanto para 14C y 13C (Fig. 7). Debido a que las fuentes geológicas de CH4 también son viejas y contribuyen ~45 Tg CH4 / año a la atmósfera, esta fuente constante de CH4 tiene que ser parte del presupuesto global de CH4. Por lo tanto, la tasa de 110 Tg/año de emisiones procedentes de combustibles fósiles se ve obligado a satisfacer el resto del presupuesto total, y la tasa de 45 Tg/año para las fuentes geológicas de antiguo CH4 debe formar parte de las 110 tg/año. Por lo tanto, la cantidad de emisión de CH4 atribuido al uso de combustibles fósiles se debe reducir en un 45 Tg CH4 / año, dejando 65 Tg CH4 / año que se asignará a la explotación de los combustibles fósiles. El 65 Tg CH4 / año tiene que ser dividido entre las actividades mineras de carbón y las actividades de producción de petróleo, y se sugiere, como una aproximación, que el 40 Tg CH4 / año se asignará a la minería del carbón y 25 Tg CH4 / año para la producción de petróleo. Si esta asignación es correcta, entonces las emisiones anuales atribuidas a la explotación de petróleo se reducen en un factor de 2 a partir de las estimaciones previas de ~45 Tg CH4 / año, mientras que las estimaciones de las emisiones procedentes de la minería del carbón siguen siendo casi lo mismo que determino Lelieveld et al. (1998). Esta asignación parece razonable,

Fig.7. Diagrama del

aunque especulativa, ya que la utilización del carbón está aumentando a nivel internacional y los yacimientos de carbón de CH4 es una fuente de energía emergente. Por lo tanto, las emisiones de CH4 procedentes de la minería del carbón están sin ajustar. Por otra parte, en la producción y transmisión de petróleo, ha habido una reducción en la quema de CH4 de exceso, e instalaciones de transmisión son cada vez más eficientes. Así, se han reducido las emisiones de CH4 asignadas de esta fuente.

Las emisiones de CH4 de hidratos de gas presentan un caso especial. Aunque los hidratos de gas se compone de fósiles o CH4 viejo, la mayoría de este CH4 microbios se genera y tiene una composición isotópica liviana (ligera) de carbono de ~60‰ (Kvenvolden, 1995). En contraste, el CH4 de otras fuentes geológicas es producido por procesos termogénicos, dando lugar a CH4 viejo con las composiciones isotópicas de carbono pesado entre 20 y 52‰. La suposición aquí es que todos los isótopos pesados de CH4 provienen de origen termogénico en lugar de fuentes microbianas parcialmente oxidados. Satisfacción del actual presupuesto global de CH4 requiere CH4 que es viejo e isotópicamente pesado. Por lo tanto, CH4 de los hidratos de gas parece ser un factor de menor importancia con una fuerza de fuente de <4 Tg CH4/año en el presupuesto mundial de CH4 atmosférico, desde ambos puntos de vista cuantitativo y de isotopos de carbono. Por otra parte, liberación masiva de hidrato de gas CH4, como postulado por Dickens et al., (1995) y Kennett et al (2002), podría alterar el presupuesto total de CH4 mediante la adición de carbono isotópicamente ligera al sistema océano/atmósfera. Tales inyecciones masivas de CH4 de hidrato de gas pueden haber afectado el clima global en el pasado, pero gran parte del CH4 de fuentes geológicas en el actual presupuesto global es parte de la atmósfera, que tiene poco o ningún efecto sobre los cambios actuales en el clima global. Cualquier liberación masiva de hidrato de gas de CH4 en el futuro podría influir en el clima global, pero el alcance de esta influencia no puede todavía ser pronosticado, dado el estado actual de los conocimientos.

6. Conclusiones

A excepción de CH4 de los hidratos de gas, CH4 de fuentes geológicas no se considera en las estimaciones actuales del presupuesto global de CH4 atmosférico. En cambio, todos los fósiles de CH4 (110 Tg/año) necesario para equilibrar el presupuesto global cuantitativamente e isotópicamente se atribuye a la utilización de combustibles fósiles. Esta evaluación debe ser revisado para reconocer las contribuciones de origen geológico CH4 de rezumaderos de macro, micro filtración, volcanes de lodo, volcanes magmáticos, las áreas geotérmicas y dorsales oceánicas. Conservadoramente se estima que la cantidad de CH4 geológico que entra en la atmósfera es un total de 45 Tg CH4/año. Así, las estimaciones de las emisiones anuales de utilización de combustibles fósiles tiene que ser reducido por esta cantidad, dejando 65 Tg CH4/año que se repartirán entre los usos de combustibles fósiles de la explotación de petróleo y minería de carbón. Sugerimos que una partición razonable es 40 Tg CH4/año para la minería del carbón y 25 Tg CH4/año para la utilización de petróleo. Esto significa que se reducen las estimaciones de las emisiones de uso de petróleo por sobre un factor de 2 y las estimaciones de las emisiones de carbón quedan sobre el mismo según lo divulgado previamente. El efecto de CH4 origen geológico sobre el cambio climático global actual se considera mínimo. Sin embargo, las emisiones masivas de CH4 de hidrato de gas podrían alterar el presupuesto total de CH4 mediante la adición de carbono isotópicamente liviano al sistema océano/atmosfera. Tales inyecciones masivas de CH4 a partir de los hidratos de gas pueden haber afectado el clima mundial en el pasado, y cualquier liberación masiva de CH4 gas hidrato en el futuro podrían influir en el clima global, aunque el alcance de esta influencia aún no se puede predecir, dado el conocimiento actual.

“El metano se encuentra en el gas natural y en el gas grisú de las minas de carbón, así como en los procesos de las refinerías de petróleo”