Development of a coupled geophysical–geothermal scheme for quantification of hydrates in gas hydrate-bearing permafrost sediments

文献情報

出版日 2021-10-06
DOI 10.1039/D1CP03086H
インパクトファクター 3.676
著者

Mehrdad Vasheghani Farahani, Aliakbar Hassanpouryouzband, Jinhai Yang, Bahman Tohidi


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要旨

Quantification of hydrates in permafrost sediments using conventional seismic techniques has always been a major challenge in the study of the climate-driven evolution of gas hydrate-bearing permafrost sediments due to almost identical acoustic properties of hydrates and ice. In this article, a coupled geophysical–geothermal scheme is developed, for the first time, to predict hydrate saturation in gas hydrate-bearing permafrost sediments by utilising their geophysical and geothermal responses. The scheme includes a geophysical part which interprets the measured elastic wave velocities using a rock-physics model, coupled with a geothermal part, interpreting the measured effective thermal conductivity (ETC) using a new pore-scale model. By conducting a series of sensitivity analyses, it is shown that the ETC model is able to incorporate the effect of the hydrate pore-scale habit and hydrate/ice-forced heave as well as the effect of unfrozen water saturation under frozen conditions. Given that the geophysical and geothermal responses depend on the overburden pressure, the elastic wave velocities and ETC of methane hydrate-bearing permafrost sediment samples were measured at different effective overburden pressures and the results were provided. These experimental data together with the results of our recent study on the geophysical and geothermal responses of gas hydrate-bearing permafrost sediment samples at different hydrate saturations are used to validate the performance of the coupled scheme. By comparing the predicted saturations with those obtained experimentally, it is shown that the coupled scheme is able to quantify the saturation of the co-existing phases with an acceptable accuracy in a wide range of hydrate saturations and at different overburden pressures.

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Contents

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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