互动科普

 “烫手”的可燃冰

甲烷水合物是解决世界能源危机的“妙方”，

还是加速全球变暖的“毒药”？

撰文 莉萨·玛格内利（Lisa Margonelli） 翻译 王栋

这些暴露在海床外的少许痕迹，往往只是冰山一角。大多数甲烷水合物都蕴藏在深冷海床下的浅层沉积物中。这些沉积物大多体积惊人，而且分布广泛，科学家几乎能在全球任何一片大陆边缘的外海中找到甲烷水合物。根据最新的估计，全世界海底蕴藏的甲烷水合物中包含的碳元素，至少相当于地球上煤炭、石油和天然气储量的总和。然而，对甲烷水合物的研究目前还处于初级阶段。

蒙特雷湾水族馆研究所的这次科考活动为期11天，目标是探测、研究这个由甲烷水合物和沉积物构成的巨大堆垛状地形。这是一项复杂的工作，需要借助“道格利茨”号这部装备有机械臂的遥控机器人进行。机器人通过线缆同海面上的科考船“西部飞翔者”号（Western Flyer）相连，来接收控制指令和实时传输图像。在船上狭小的控制室里，大大小小的显示屏共20块。当甲烷水合物的图像出现在这些显示屏上时，蒙特雷湾水族馆研究所的资深科学家、海洋地质学家查利·保罗（Charlie Paull）顿时高兴得合不拢嘴。在场的除了我、保罗和其他一些人，还有来自水族馆研究所和美国地质调查局（U.S. Geological Survey）的十几位科学家。大家坐在拆下来的旧飞机座椅上，甚至还有倒扣过来的塑料桶上，把整个控制室挤了个满满当当。此刻，所有人的注意力，以及所有仪器的探测目标，都集中在下面堆垛状地形所蕴藏的秘密上：它是如何形成的？这些甲烷又来自何方？它是什么时候开始从洋底出现的？10年前？还是已经有100万年了？

这个研究团队正在搜寻一些基本信息，以便解决更大的问题。近期的一项地质勘测显示，如果按美国当前的消耗速度计算，仅美国本土48个州沿线海域所蕴藏的甲烷水合物，就可供美国使用2 000年。如果能采集哪怕一小部分，甲烷水合物就能发挥巨大作用。2013年3月，日本科考船“地球”号（Chikyu）首次从海洋里的甲烷水合物中提取出了天然气。然而，如果持续升温的海洋破坏了这些甲烷水合物的稳定性，从而释放出大量甲烷并钻出海面进入大气层，将大大加剧气候恶化，引发气候灾难。上个世纪，甲烷对全球变暖的“贡献”是二氧化碳的20倍。那么，甲烷水合物究竟会是下一种主要能源，还是造成巨大环境灾难的凶手呢？保罗等科学家正在寻找答案。  

神秘的“甲烷冰”

保罗是一个高个男人，留着花白的大胡子，声音平缓，带有罗得岛口音，从上世纪70年代起，他就开始研究水合物。当时，水合物主要被看作石油工业中的有害物质，因为它们的冰晶体会堵塞深海油井中的管道。如果你向保罗提一些关于水合物的问题，他一开始总会告诉你很多事实，只有在最后，谈到他不了解的问题时，他的脸上才会出现一种奇怪的痛苦表情。在他的职业生涯中，人们对甲烷水合物的认识从神秘的新奇事物，逐渐变成了地球碳循环系统的关键环节，而这也让它们变得更加神秘了。保罗说：“曾经，每次发现甲烷水合物，都会给大家带来惊喜，但现在问题却变成了——有找不到它们的地方吗。”

实际上，大约有1%的甲烷水合物存在于陆地上，它们储藏在两极地区的永久冻土层中。剩下的大部分都储藏在海洋里，处于至少300米深海水下的低温和高压环境，即所谓的“甲烷水合物稳定区”（hydrate stability zone）中。在那里厚达1 000米的巨大沉积层中，遍布着甲烷水合物的晶体“网络”。超出1 000米的沉积层范围，由于地球内部深处的加热作用，甲烷就只能以气体形式存在了。虽然甲烷水合物在不断形成，但它们的形成过程却无法预测。在某些种类的沙粒之间，它们会以固态形式存在于多孔空间里；而在另一些环境下，却保持着可流动的气态形式。科学家还不确定，为什么某一特定形态会在某一地点占据主导地位。

弄清甲烷水合物这些难以捉摸的细节特性（比如它们为什么会在气态和固态之间来回转换，以及它们能将甲烷束缚在一个地方多久），是利用好这种能源的关键。要想进行成功的开采试验，解决这些问题是当务之急。“地球”号科考船先钻探进富含甲烷水合物的沉积层，然后将周围的海水抽走，以降低局部压强，从而导致沉积物中冰冻晶格里的甲烷分离逸出。从那个钻孔中，甲烷气体持续喷了五天半。

在这个规模虽小，竞争却很激烈的甲烷水合物开发竞赛中，日本暂时占据了领先地位。去年，日本对此项研究的投资高达1.2亿美元。2010年，美国还投入了2 000万美元，但到了2013年，这一数目却降到了区区500万美元。德国、中国大陆和台湾地区、韩国、印度都上马了小型研究项目，壳牌（Shell）和挪威国家石油公司（Statoil）等石油巨头也参与其中。

虽然这些国家和地区对甲烷水合物投入的数额也算巨大，但全球石油工业仅2011年在研发上的投入就有数十亿美元。与后者相比，前者的规模还是相形见绌。

对于陷于福岛核泄漏烂摊子、苦于四处寻找进口能源的日本来说，开采外海储量巨大的甲烷显得十分诱人。而美国虽然同样坐拥巨大的储量，对甲烷水合物开发的兴趣却较低，因为美国的能源市场上已是页岩天然气的天下。与后者相比，开采甲烷水合物的成本显得非常高昂。加拿大的甲烷水合物储量也十分丰富，不过出于类似考虑，它于2013年也中止了相关研究项目。

在甲烷水合物的开采中，如果说哪项技术算是“杀手级”技术的话，那必然是这样的一套系统：可以稳定甲烷水合物的化学结构，隔离开采过程中释放的温室气体，并输出作为燃料的甲烷。2012年，一个由美国地质调查局、美国能源部（Department of Energy，DOE）、康菲石油公司（ConocoPhillips）、日本和挪威的科学家组成的研究团队，曾试着开发这种系统。他们将一种由二氧化碳和氮气（用于防止结冰）组成的混合气体，泵入美国阿拉斯加州北坡油田永久冻土层中的一块甲烷水合物。他们的思路是，二氧化碳会将甲烷挤出，占据甲烷原先的位置，被束缚在冰晶格中，这样水合物结构就不会被破坏。

随后，甲烷从一个钻孔中逸出，持续了一个月时间。不过直到最后，研究人员也无法确定，二氧化碳是否成功地取代了甲烷的位置。

美国能源部下属的国家能源技术实验室水合物技术主管雷·博斯韦尔（Ray Boswell）说：“人们的想法很简单，但大自然总是更复杂，”他补充道，“这次实验得到的数据显示，就像有一个内部结构极其复杂的‘黑箱’埋在地下”。虽然这次实验比较成功，但康菲石油公司随后还是解散了相关研究团队，所以美国能源部正在寻找新的业界伙伴来继续该项实验。

对保罗来说，这项实验还显示出，科学家对甲烷水合物性质的了解还很有限。2010年，在他的领导下，美国国家科学院的一个委员会审查了美国能源部关于甲烷水合物的研究工作。该委员会的最终结论是：虽然有可能攻克从甲烷水合物中提取燃料的技术难题，但对于是否应该继续进行该项研究，只有解决了众多科学、环境和工程学问题后，才能做出合理的决策。与石油沉积物不同，甲烷水合物本身不稳定，勘探起来也很困难。并且，我们还不了解它们对周围环境的影响。保罗说：“我们现在还不清楚，利用对环境无害的方式来开采甲烷水合物会有怎样的影响。”  

更多的谜团

了解甲烷水合物多变难测的特性，是确定它们能否可靠开采，以及它们是否会加速全球变暖的基础。

例如，仅仅碰触一下甲烷水合物，就可能会让它们从固态转变成气态，导致实验失败。因此，保罗告诫“西部飞行者”号上的研究人员，在整个下潜过程中，都要避免碰触到那些冰状突起物。当潜水机器人从昏暗、微绿的海床上方游过时，堆垛像一个巨大的气泡一样开始逐渐升高。堆垛的表面上，到处都是一些小“疤痕”，就像被微小的陨石撞击过一样。保罗怀疑，这些“疤痕”就是小块甲烷水合物破裂的地方，是由鱼儿游动等外力引起的微弱压力变化造成的。无论在海底什么地方，只要有沉积物，都能看到像雪一样的、松脆的甲烷水合物小块由气泡牵着向上浮，就像一个个小“彗星”被它们的尾巴拽着，朝海面“飞”去。

在稳定区里，到处都有甲烷水合物在不断分解和形成。在一次下潜过程中，“道格利茨”号上的声纳发现，有一列气泡正从堆垛上逸出。保罗非常感兴趣，他想知道这些气体是产生于地壳深处的热源（类似天然气和石油产生的地方），还是由沉积物中吞噬小块有机物的微生物群落产生的。实际上，所有沉积物中都包含生物成因的气体，其中一些还含有热成因的气体。研究这种混合气体，有助于确定堆垛是如何形成的，以及在它下面蕴藏着什么。保罗指示操控员，让潜水机器人下降到产生气泡的源头——一个又暗又脏的裂口，旁边围满了贝类动物，它们以一些能进行化合作用（吸收甲烷并转化为能量的过程）的细菌为食。

“道格利茨”号在海床上一着地，相机就立即发现有一只螃蟹蹲在气泡附近，气势汹汹地想用钳子把不断涌出的气泡送入自己口中。因为那里的水温只有2℃，而且压强也大得惊人，气体很快就会形成小的晶体结构，所以那只螃蟹的“嘴”的四周仿佛长出了一圈滑稽的白胡子，它的“气泡大餐”最终也只落得一场空。随船的一位生物学家介绍说，经常可以发现螃蟹试图吞食甲烷气泡，即便这些可怜的小家伙似乎并不能从中获取任何营养成分。

为了避免遭受与螃蟹们同样的“不幸”，在通向机器人操控的样品采集瓶的漏斗上，工程师装上了加热器。即便如此，在接下来的几天里，研究人员还是需要进行数次下潜，以获得足够的样品，以便研究热成因及生物成因气体的混合物。

保罗还希望弄清楚这块堆垛的年龄，从而了解它的形成速度。操控员将“道格利茨”号降落到堆垛地形的边缘，并操纵它的机械臂，将特殊设计的采集管插入堆垛，以获取垛心样品。在一些地方，机器人很轻易地就能将采集管插入冰冷的、淤泥状的沉积物中；而在另一些地方，采集管则会被水冰或其他坚硬物质（例如碳酸钙）卡住。

这次科考期间，机器人的LED照明灯下还出现过奇异的宝蓝色泡泡。当时，坐在控制室里的美国地质调查局的地质学家托马斯·劳伦森（Thomas Lorenson）认为，这些泡泡可能是石油。海底油田和气田经常会发生自然泄漏，美国国家科学院于2003年发表的一项研究估计，全世界每年约有6.8亿升石油渗入到海水中。这样的渗漏，给大群贝类、蠕虫类和其他生命体提供了能源，这也说明，如果要开采甲烷水合物，确保对环境安全无害是多么地困难。

“道格利茨”号采集到垛心样品后，研究人员又花了一个小时，将这台机器人——连同它的“战利品”，一并回收到科考船上。在机器人进入船舱的滑动气密门的瞬间，一股浓烈的石油和臭鸡蛋气味迎面而来。研究人员将其中一些样品放进冰柜保存，留待以后进一步分析；剩下的，研究人员在船上就开始着手处理了。淤泥般的钻芯看起来就像捣糊的巧克力面包，还有大量气体逸出，嘶嘶作响。

保罗和同事迅速开工。他们从较小的钻芯开始，把沉积物放入托盘，一厘米一厘米地测量，确定它是何时沉积形成的。在我面前的这块污泥里面，仿佛正在举办一场微生物的狂野派对——这块冰冷的沉积物含有数千种微生物，有的可以生成甲烷，有的以甲烷为食，还有的正在进行硫和氧分子的交换。虽然由甲烷水合物构成的网状结构可能规模宏大，但它们其实不过是海底沉积物和上方海水之间的“甲烷中转站”。劳伦森将这一空间比作“机场候机厅”，每个甲烷分子都在那里等待自己“起飞”的时刻。

美国莱斯大学的地球科学家杰拉尔德·迪肯斯（Gerald Dickens）认为，从全球的视角看，甲烷水合物就像一种巨大的“电容器”，收集容纳那些从海底上浮进入沉积物，或者在沉积物中生成的甲烷（类比于电荷），并束缚住它们，然后再逐渐将其释放进海水，最终有可能进入大气层。而我们还不清楚的是，这种“电容器”作用时间有多长——甲烷会在这个“候机厅”里等多久，是700万年，还是会迅速释放？如果是后一种情况，全球变暖无疑会更加严重。

更不确定的是，在海底的这个“电容器”里，究竟装有多少处于可开采状态的甲烷水合物？2011年，在参阅了大量研究论文后，迪肯斯得到了一个估值：相当于1 700亿吨到12.7万亿吨的碳。这个范围太宽，不确定性巨大。若依据估值的上限，则全球甲烷水合物中蕴藏的碳元素，将是其他所有已探明的化石燃料储量总和的3倍以上，后者通常的估值为4万亿吨。  

福音还是灾难

就像真正的电容器一样，甲烷水合物还有一次性释放出巨量甲烷（相当于电容器放电）的可能，这种先前未预料到的风险，引起了能源和气候研究人员的忧虑。因为甲烷水合物的浮力很强，它们在受到扰动时很危险。若将1立方米的甲烷水合物放到常温常压环境下，就会膨胀成为164立方米的甲烷气体和0.8立方米的水。若甲烷水合物受到地震扰动，这种急速膨胀会触发海底滑坡，还可能引起海啸。这样的多米诺骨牌效应，被认为是8 100年前发生在挪威外海的那次“大断崖滑坡”（Storegga slides）的元凶，当时产生的巨浪袭卷了如今是英国的那片地区；还有1998年的锡萨诺海啸（Sissano tsunami），当时在巴布亚新几内亚夺走了2 000多人的生命。

对于尝试开采甲烷水合物的研究人员来说，防止这类地质灾害的发生将是一个大难题。传统的石油天然气开采，都是通过钻进由岩石封闭的地下储层来采集流体。但水合物中的甲烷是包含在固体中的，必须相变至气态才能开采出来，而这样的话就会扰动整个结构。

一个更值得深思的问题是，甲烷自发分离出来以后会去什么地方。如果它最终进入大气层而不是被海水吸收，就有可能对气候造成显著影响。我曾经有机会观察过一块甲烷水合物在海水中上浮的过程。那一次，潜水机器人在1 800米的深海、有甲烷水合物暴露的地方采集了一块甜瓜大小的水合物冰晶样品，试图把这块总想向上浮去的东西装进网袋里。用另外一个目击者的话说，这段手忙脚乱的“舞蹈”就像是一场“反重力篮球赛”。我在控制室里观察，这个“篮球”在深水中基本上是完整无缺的。但随着机器人浮到稳定区之上，越来越多的气体开始逸出，网袋也被一层美丽的、薄雾般的气泡包裹。当机器人最终浮到海面上时，甲烷水合物就只剩几汤匙那么大了。

在甲板上，劳伦森迅速将正在消失的水合物样品投进液态氮中保存，留作以后测试所用。他还试着点着了一小块，并递给我一小片让我尝尝味道。你能想象出品尝油气口味儿的、还在嘴里嘶嘶冒泡的雪糕的感觉吗？虽然让人反胃，不过回味还不错，有一种类似薄荷的香味儿。

这段狂野的上浮之旅，能为研究人员提供线索，让他们了解有多少甲烷会逸出到大气中。蒙特雷湾研究所（Monterey Bay Institute）的海洋化学家彼得·布鲁尔（Peter Brewer），使用x射线断层摄影对上浮的甲烷水合物进行研究。结果发现，水合物从里到外都在“分崩离析”。另一个实验显示，随着水合物的上浮，产生的气泡会像一层“皮肤”似的包裹在外面，就像周身嘶嘶冒泡、向外膨胀的乒乓球一样。布鲁尔说，弄清甲烷从水合物中分离时发生的物理和化学变化，将有助于研究人员确定分离过程会在海水中多深的地方发生；海洋微生物如何以水合物为食；一般情况下有多少水合物（如果有的话）能一路上浮到海面；以及大约有多少甲烷会进入大气层中。  

开启“魔瓶”？

了解这些知识，可以平息一场已经持续了十多年的激烈论战：海水温度上升是否会触发大规模的甲烷释放，以及这种释放的规模是否会超过海洋吸收甲烷的能力。早先有一个所谓的“笼炮理论”（Clathrate Gun hypothes）认为，甲烷水合物以一种“生成——聚集——大规模释放”的模式周而复始地存在，循环的周期长达几千几万年。虽然这种周期性的循环模式无法通过化石记录得到证实，但在地球历史上，水合物中甲烷的一次大规模释放，有可能导致了5 500万年前“极热时代”（thermal maximum）的出现——那时，地球温度的上升速度非常快。

与之相对，美国芝加哥大学的戴维· 阿切尔（David Archer）认为，水合物会在上千年里持续释放甲烷，导致全球气候的变暖模式发生巨大变化——不断上升的温度会导致一些甲烷水合物被氧化成二氧化碳，从而在一定程度上延缓气候变暖的趋势。

那些封闭在大陆极地地区永久冻土层下，以及靠近陆地浅海水下的水合物，可能是更迫在眉睫的威胁。2013年11月，由美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校（University of Alaska Fairbanks）的娜塔莉娅·沙克霍娃（Natalia Shakhova）带领的一个研究组估计，东西伯利亚的北极大陆架目前每年会向大气中排放1 700万吨甲烷——是先前估计值的两倍。在那里仅有50米深的海水中，沙克霍娃发现大量的甲烷气泡正从被冻土层覆盖的甲烷水合物沉积物中逃逸出来。在那个地区，风暴天气非常频繁，所以这些气泡很可能会被直接卷入大气中。在进行更多研究之前，没人知道这种动态过程是否在整个极地地区发生，我们甚至不清楚这些甲烷的主要来源是水合物还是冻土层。这是我们对甲烷水合物的认识中的另一个“黑箱”。

随着分析工作的进行，另一个谜团也逐渐浮现了出来。我在船上的最后一天，保罗一直都在“西部飞翔者”号的水下实验室里捣鼓那些小块样品。而那些较长的冰冻钻芯正在由美国地质调查局的研究人员着手分析，还要晚些才能得到结果。保罗觉得，我们看到的堆垛上的沉积物很可能是近期才形成的。通过扫描寻找DDT的微量痕迹，他就能确定这一点，因为这种杀虫剂直到1945年之后才出现。然而，沉积物向上涌起并在海床上鼓出这一事实，表明它们聚集形成的时间应该超过了1万年——虽然以地质学时间尺度来看仍然比较年轻。

劳伦森送到美国科罗拉多矿业大学（Colorado School of Mines）的那些冰冻水合物碎片也在接受分析。结果表明，这块堆垛不仅自身包含甲烷，它下面还封压着一系列的甲烷“仓库”。科罗拉多的研究人员在样品中发现了多种碳同位素——表明这些甲烷水合物来自两个不同的深层热源，同时还包括两种来自微生物的甲烷气体。

这种模式意味着，甲烷气体是从地壳深处的一个先前未知的热源里向上流动，中间同来自另一个较浅热源的甲烷气体混合，辗转继续向上穿过沉积物，再同那里的生物源甲烷气体（包括微生物将轻质原油转化成的甲烷）汇合。劳伦森对此感到非常惊奇：“这显示了（石油、天然气）运动的复杂性。对地壳深处（反应过程中）的那些主要‘参与者’，我们都还不怎么了解。”

在这次对堆垛地形的探测过程中，潜水机器人无意中发现了一个更庞大的地下世界。我们研究的这个堆垛只不过是一个小“瓶塞”，在它底下则是蕴藏着巨量甲烷和石油的巨大“魔瓶”。看来，对甲烷水合物的认识不仅仅是“能源福音还是气候灾难”这么简单的问题。它带给我们的是一个更深层次的谜题，包括全球范围内的水合物系统是如何演化发展的，以及这种演化的发生是在怎样的时间尺度进行的。所以，我们需要加大对基础地球科学研究的投入，这样科学家才有可能搞清楚，这种神秘物质是如何将来自地球远古生命的碳，同这个星球的未来联系起来的。