Gashydrate sind eisähnliche Verbindungen aus Wasser und Methan, die nur bei hohem Druck und niedriger Temperatur beständig sind. Im Baikal gilt das unterhalb von rund 360 bis 380 Metern Wassertiefe. 1997 wurden sie hier als erstem Süßwassersee erbohrt; bis 2019 kannte man 60 Fundstellen, oft an Schlammvulkanen und Gasquellen im Süd- und Mittelbecken.
Was sind Gashydrate?
Gashydrate sind feste Stoffe, in denen Gasmoleküle in einem Gitter aus Wassermolekülen eingeschlossen sind. Das Wasser bildet winzige Käfige, in deren Innerem meist ein Methanmolekül sitzt. Äußerlich ähneln die Hydrate schmutzigem Eis; bei Druckentlastung oder Erwärmung zerfallen sie in Wasser und Gas. Ein Volumen Hydrat kann dabei 150 bis 180 Volumen Gas freisetzen.
Auf der Erde kommen natürliche Gashydrate vor allem an zwei Orten vor: im Dauerfrostboden der Arktis und in den Sedimenten der Kontinentalhänge unter dem Meer, wo der Wasserdruck hoch und das Bodenwasser kalt ist. Weltweit gelten sie als riesiger Kohlenstoffspeicher, als mögliche Energiequelle und als Risiko, weil zerfallende Hydrate Rutschungen auslösen und das starke Treibhausgas Methan freisetzen können. Dass auch ein Süßwassersee die nötigen Bedingungen bietet, war bis zu den Funden im Baikal nicht nachgewiesen. Nach dem Stand der Forschung ist er bis heute das einzige Süßwasserbecken, in dem Gashydrate sowohl seismisch erschlossen als auch beprobt wurden.
Wie wurden die Gashydrate im Baikal entdeckt?
Zuerst seismisch, dann durch eine Bohrung. Bei seismischen Messungen einer russischen Expedition 1989 und einer russisch-amerikanischen 1992 fiel dem Geophysiker Alexander Golmschtok ein besonderer Reflektor auf, der unter großen Flächen nördlich und südlich des Selenga-Deltas parallel zum Seeboden verlief. Er war der erste Hinweis auf Hydrate im See. 1997 holte das Baikal Drilling Project, ein internationales Bohrprogramm, im Südbecken die ersten Proben: Hydratlagen in 121 und 161 Metern unter dem Seeboden. Das Gas darin war zu rund 99 Prozent Methan, das Mikroben aus organischem Material gebildet hatten.
Ab 1999 suchte eine belgisch-russische Arbeitsgruppe um den Meeresgeologen Marc De Batist von der Universität Gent mit dem Limnologischen Institut gezielt nach Stellen, an denen die Hydratschicht gestört ist. Ein Seitensichtsonar zeigte im Südbecken in rund 1.350 Metern Tiefe kegel- und kraterförmige Strukturen am Grund. Im Winter 2000 stachen Forscher vom Eis aus kurze Kerne genau über diesen Stellen und fanden in 15 bis 40 Zentimetern unter dem Seeboden eine rund 10 Zentimeter dicke Hydratlage mit Kristallen bis 7 Zentimeter Größe.
Seither ist die Zahl der Funde stark gewachsen. Ein internationales Projekt mit russischen, japanischen und europäischen Forschern dokumentierte von 2009 bis 2019 Hydrate an zahlreichen weiteren Stellen; bis 2019 waren 60 hydrathaltige Strukturen bekannt, 48 davon von diesem Projekt entdeckt. Sie liegen zwischen 396 Metern Wassertiefe bei Goloustnoje und 1.508 Metern an einer Stelle namens Nowosibirsk-2. An acht Stellen fanden die Forscher eine seltene Kristallform, in der Methan und Ethan gemeinsam eingeschlossen sind; diese Mischung ist bisher nur vom Baikal bekannt.
Was ist der bodenparallele Reflektor?
Der bodenparallele Reflektor, englisch Bottom Simulating Reflector oder kurz BSR, markiert die Untergrenze der Zone, in der Hydrate beständig sind. Schallwellen, die ein Schiff in den Untergrund sendet, werden dort zurückgeworfen, weil über der Grenze hydrathaltiges, darunter gashaltiges Sediment liegt. Weil diese Grenze von Druck und Temperatur bestimmt wird und nicht von den Gesteinsschichten, folgt sie der Form des Seebodens und schneidet die Schichten schräg.
Im Baikal zeigt sich der Reflektor nach Auswertungen der Messungen von 1989 und 1992 dort, wo das Wasser tiefer als 500 bis 700 Meter ist, im Süd- und im Mittelbecken. Die Zone, in der Hydrate beständig sind, ist nach diesen Daten 35 bis 450 Meter mächtig. Aus ihrer Tiefe lässt sich zurückrechnen, wie viel Wärme aus dem Erdinneren nach oben strömt; die Forscher kamen auf 48 bis 119 Milliwatt je Quadratmeter, im Einklang mit direkten Messungen am Seeboden. An jüngeren Verwerfungen ist der Reflektor versetzt oder ganz zerstört, ein Hinweis darauf, wie aktiv der Grabenbruch ist. Wie dieser entstand und warum die Erde dort bebt, beschreibt die Seite über die Baikal-Riftzone.
Unter welchen Bedingungen bleiben Gashydrate stabil?
Sie brauchen hohen Druck, niedrige Temperatur und genug Methan. Bei Wassertemperaturen von 3,4 bis 3,65 °C, wie sie in einigen Hundert Metern Tiefe im Jahreslauf herrschen, sind reine Methanhydrate unterhalb von etwa 360 bis 380 Metern Wassertiefe beständig. Für ein gemessenes Temperaturprofil berechneten Forscher des Limnologischen Instituts die Grenze bei einem Druck von 372 Dezibar, was ungefähr derselben Zahl an Metern Wassertiefe entspricht. Darüber zerfallen Hydrate in Wasser und Gas.
Weil der See bis 1.642 Meter tief ist, liegt ein großer Teil seines Bodens im Stabilitätsbereich. Wie tief die Becken genau sind und wie man das gemessen hat, beschreibt die Seite zur Tiefe des Baikalsees. Nach unten begrenzt die Erdwärme die Zone: Mit jedem Meter im Sediment wird es wärmer, bis die Hydrate nicht mehr beständig sind. Wo mehr Wärme aus der Tiefe aufsteigt, rückt diese Grenze nach oben. Genug Methan gibt es vor allem dort, wo Flüsse viel organisches Material einschwemmen; die Vorkommen konzentrieren sich deshalb auf das Gebiet um das Selenga-Delta, das den größten Zufluss des Sees bildet.
| Größe | Wert | Quelle |
|---|---|---|
| Obergrenze der Stabilität im Wasser | rund 360–380 m Wassertiefe | Granin u. a. 2019 |
| Reflektor großflächig ab Wassertiefe | 500–700 m | Golmschtok u. a. 2000 |
| Mächtigkeit der Stabilitätszone | 35–450 m unter dem Seeboden | Golmschtok u. a. 2000 |
| Basis der Zone im Schlammvulkanfeld | rund 400 m, an den Austritten bis rund 150 m | Van Rensbergen u. a. 2002 |
| Erste erbohrte Hydrate | 121 und 161 m unter dem Seeboden | Bohrung 1997 |
| Oberflächennahe Hydrate an Austritten | ab rund 15–40 cm unter dem Seeboden | Klerkx u. a. 2004 |
Was sind die Schlammvulkane am Seegrund?
Schlammvulkane sind Hügel und Krater am Seeboden, aus denen Gas, Wasser und Schlamm aus der Tiefe austreten. Die ersten beschriebenen liegen im Südbecken südlich des Selenga-Deltas in 1.320 bis 1.440 Metern Tiefe an einer kleinen Nebenstörung der Possolski-Verwerfung. Die Forscher gaben ihnen russische Namen: Bolschoi, der große, ist ein unregelmäßiger Kegel von 24 Metern Höhe und 800 Metern Durchmesser; Stary, der alte, ein länglicher Hügel von rund 500 Metern Länge und 10 Metern Höhe; Malenki, der kleine, ein flacher Krater von rund 500 Metern Durchmesser und bis 8 Metern Tiefe; Maljutka, der winzige, eine Senke von etwa 200 Metern.
Eine Studie von 2002 erklärte, wie sie entstehen. Unter dem Feld steigt die Basis der Hydratzone von rund 400 Metern auf etwa 150 Meter unter dem Seeboden an, und dort ist auch der Wärmestrom erhöht, an Malenki auf bis zu 160 Milliwatt je Quadratmeter. Die Autoren deuten das als Folge warmer Wässer, die entlang einer aktiven Verwerfung aufsteigen. Sie bringen die Hydrate von unten zum Zerfallen; das freiwerdende Gas baut Überdruck auf, bricht durch die Schichten und reißt Schlamm mit. Dass solche Austritte mit dem Zerfall von Hydraten zusammenhängen, war damit erstmals unter einem See belegt. Der Schlamm enthält Kieselalgen, die vor rund 3 Millionen Jahren lebten und normalerweise in etwa 300 Metern Tiefe im Sediment lägen.
Über den Austritten zeigten Echolote Gasfahnen von rund 25 Metern Höhe, und im Wasser darüber maßen die Forscher kurzzeitig leicht erhöhte Temperaturen und etwas weniger Sauerstoff, beides Spuren aufsteigenden Methans. Später kamen weitere Strukturen im Mittelbecken hinzu, etwa der Schlammvulkan St. Petersburg und Austritte im Kukui-Canyon. Dort enthalten einige Hydrate auch Gas, das nicht von Mikroben stammt, sondern bei hoher Temperatur in der Tiefe entstand; bei Gorewoi Utjos tritt am Seeboden sogar Erdöl aus.
Haben die Hydrate etwas mit den Blasen im Eis und dem Klima zu tun?
Nur zum Teil, und hier ist Vorsicht geboten. Ein großer Teil der Methanblasen, die im Winter im Eis einfrieren, stammt aus dem mikrobiellen Abbau organischen Materials im Sediment, besonders in flachen Buchten. Gas aus großer Tiefe löst sich auf dem Weg nach oben fast vollständig im Wasser. Granin und Kollegen vom Limnologischen Institut beobachteten 2013 jedoch, dass sich Bruchstücke von Hydraten vom Grund lösen und als feste Brocken aufsteigen; ab rund 2,5 Zentimetern Radius können sie die Oberfläche erreichen, bevor sie zerfallen. Bestimmte raue Eisfelder und hohle Eishügel mit erhöhtem Methangehalt deuten sie als Spuren solcher Hydrate. Wie die gestapelten weißen Scheiben im Klareis entstehen, erklärt die Seite über die Methanblasen im Baikal-Eis.
Für das Klima sind die Baikal-Hydrate nach heutigem Stand keine große Quelle. Messungen zeigten, dass das meiste Methan in den oberen Wasserschichten von den Flüssen stammt und nicht von den Austritten am Grund, und dass Bakterien einen Großteil des Gases aus der Tiefe abbauen. Eine Abschätzung von 2001 kam zudem zu dem Schluss, dass die Vorkommen zu klein für eine wirtschaftliche Nutzung sind. Offen ist, wie die Hydrate auf eine deutliche Erwärmung des Tiefenwassers oder auf starke Erdbeben reagieren würden, und wie viel Methan auf dem Weg über aufsteigende Hydratbrocken die Luft erreicht. Wie die Forschung am See organisiert ist, zeigt die Seite über die Limnologie am Baikalsee.
Häufige Fragen zu Gashydraten im Baikalsee
Gibt es Gashydrate auch in anderen Seen?
Nach dem Stand der Forschung ist der Baikal das einzige Süßwasserbecken, in dem Gashydrate sowohl seismisch erkannt als auch als Proben geborgen wurden. Voraussetzung sind große Wassertiefe, kaltes Bodenwasser und viel organisches Material im Sediment, wie sie der Baikal vor dem Selenga-Delta bietet.
Kann man Baikal-Hydrate als Energiequelle nutzen?
Nach einer Abschätzung belgischer und russischer Forscher von 2001 nicht. Sie kombinierten Bohr- und Seismikdaten und folgerten, dass die Vorkommen im Baikal keine lohnende Lagerstätte bilden.
Woher stammt das Methan in den Hydraten?
Überwiegend von Mikroben, die im Sediment organisches Material abbauen, das vor allem die Selenga einträgt. An einigen Stellen, etwa im Kukui-Canyon, ist Gas beigemischt, das in größerer Tiefe durch Hitze entstanden ist.
Können Hydrate bis an die Seeoberfläche steigen?
Ja, in seltenen Fällen. Forscher beobachteten 2013, wie etwa 10 Zentimeter große Bruchstücke nach dem Bergen eines Messgeräts an die Oberfläche trieben und dort durch den inneren Gasdruck zerplatzten. Kleinere Stücke zerfallen unterwegs.
Quellen: Klerkx, De Batist, Zemskaya, Granin (2004): Gas Hydrates in a Freshwater „Ocean“, Science First Hand; Van Rensbergen et al. (2002): Sublacustrine mud volcanoes and methane seeps, Geology 30; Golmshtok et al. (2000): Heat flow and gas hydrates of the Baikal rift zone; Granin et al. (2019): Methane hydrate emergence from Lake Baikal, Scientific Reports; Hachikubo et al. (2023): Gases in natural gas hydrates at Lake Baikal, Scientific Reports 13. Weitere: Vanneste et al. 2001 (Marine Geology 172), Kuzmin et al. 1998 (Doklady Akademii Nauk 362), Kuzmin et al. 2001 (Geologiya i Geofizika 42), Schmid et al. 2007 (Limnology and Oceanography 52). Stand: Oktober 2026.