去年八月的一個早晨，蒙特雷灣水族館研究所的深海機器人“道克·裡基茨”號在加利福尼亞州北部海岸外1812米深的冰冷海水中四處窺探。它在一個長2000米、厚60米的橢圓形土堆上滑行，土堆的某些地方覆蓋著一層薄薄的卡其色沉積物。來自機器人水下攝像機的影片突然顯示出看起來像髒汙但仍然發出光芒的白色雪堆——類似於在犁過的停車場邊緣發現的那種，除了周圍的蛤蜊和魚。這個發光的壁架表明，土堆含有甲烷水合物，這是一種冷凍水晶格，將甲烷氣體分子捕獲在冰冷的籠子中。如果你抓起一把雪球狀的物質，你可以點燃它。
像這樣的露頭只是冰山一角。大多數甲烷水合物礦藏都埋藏在海床下方的沉積物中，位於寒冷深海的底部。這些礦藏的總量非常巨大，科學家們發現它們潛伏在各處，在每個大陸的邊緣。最新的估計表明，全球範圍內，海底的甲烷水合物所含的碳至少與地球上所有煤炭、石油和天然氣儲量一樣多。然而，很少有礦藏被詳細研究過。
這次為期11天的考察的目的是探測大型水合物和沉積物土堆，這是一項棘手的操作。遙控機器人配備了機械臂，透過纜繩連線到研究船“西式飛行者”號。當影像出現在船上小型控制室的20個影片螢幕上時，該研究所的資深科學家、海洋地質學家查理·保爾高興地咯咯笑起來。來自該研究所和美國地質調查局的十幾位科學家與保爾、我和其他人一起擠在房間裡，坐在舊飛機座椅和翻倒的塑膠桶上。所有這些頭腦和裝置都將集中在土堆的秘密上：它是如何形成的？它的甲烷來自哪裡？它是10年前開始從海底出現的，還是已經生長了一百萬年？
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該團隊正在尋求可能有助於解決更大問題的基本資訊。最近的一項地質調查表明，僅美國本土48個州海岸附近的水合物就蘊藏著相當於該國目前消費率下2000年的天然氣供應量。如果公司能夠開採即使是一小部分燃料，水合物也可能非常有用；2013年3月，日本研究船“地球號”成為首艘從海底水合物中提取天然氣的船隻。但是，如果海洋變暖破壞水合物的穩定性，使其釋放甲烷，甲烷透過水向上進入大氣層，那麼這種氣體可能會加速氣候災難。在一個世紀的時間裡，甲烷的全球變暖能力是二氧化碳的20倍。甲烷水合物是能源領域的下一個重大事件還是下一個重大的環境擔憂？像保爾這樣的科學家正在努力尋找答案。
冰冷的黑匣子
保爾是一位身材高大、留著寬闊白鬍須、帶著羅德島口音的人，他從1970年代開始研究水合物，當時水合物主要被認為是石油工業的麻煩，因為它們的冰晶會堵塞深水井中的管道。如果你問他關於水合物的問題，他幾乎總是以一連串的事實開始，語氣肯定，但當他談到他不知道的事情時，最終會痛苦地皺起眉頭。在他的職業生涯中，水合物已經從深奧的奇物變成了地球碳系統中潛在的巨大參與者，這使得它們更加神秘。曾經，每次看到甲烷水合物都很令人興奮，但“現在的問題是：哪裡沒有它們？”保爾說。
大約1%的甲烷水合物實際上位於陸地上，夾在地球兩極附近的永久凍土層中。其餘大部分存在於所謂的“水合物穩定帶”中，在至少300米深的海水下的低溫和高壓下。在那裡，巨大的晶體網路飽和了厚達1000米的沉積層。在超過1000米的沉積物之下，甲烷只是以氣體的形式存在，被地球更深處的內部加熱。水合物不斷形成，但不可預測，在沙粒之間的一些孔隙空間中變成固體，而在另一些孔隙空間中保持流動氣體。科學家們不確定為什麼在特定位置會盛行特定狀態。
確定水合物的魔鬼般細節——為什麼它們在氣態和固態之間波動，或者它們在一個地方保持甲烷的時間有多長——對於任何試圖開採其能源的人來說至關重要。隨著成功測試的出現，這些問題變得更加緊迫。“地球號”鑽入富含水合物的沉積物，然後從周圍區域抽出水。去除水降低了區域性壓力，這導致甲烷從其在沉積物中的冰晶格中解離出來。氣體從井中流出持續了五天半。
日本在開發水合物作為能源的小規模但意義重大的國際競賽中處於領先地位，去年在研究上花費了1.2億美元。2010年，美國投資約2000萬美元，但到2013年，這一數字已降至僅500萬美元。德國、臺灣、韓國、中國和印度都有小型研究專案，石油公司殼牌和挪威國家石油公司也是如此。儘管這些支出很大，但與全球石油工業僅在2011年在研發上花費的數十億美元相比，就相形見絀了。
對於一個在能源進口方面苦苦掙扎，並且仍在清理福島核災難的國家來說，日本海岸附近蘊藏的大量甲烷使其開採具有吸引力。美國人不太有動力探索水合物作為能源，因為美國已經充斥著廉價的頁岩氣，這使得水合物相比之下顯得非常昂貴。加拿大也富含水合物，但出於類似原因，於2013年放棄了其研究計劃。
如果存在開採甲烷水合物的“殺手級應用”，那將是一個穩定其結構、隔離開採將釋放的溫室氣體並提供燃料的系統。2012年，來自美國地質調查局、美國能源部、康菲石油公司、日本和挪威的研究人員團隊試圖做到這一點。他們將二氧化碳和氮氣（以防止結冰）的混合物泵入阿拉斯加北坡被永久凍土覆蓋的水合物中。希望CO2能夠擠出甲烷並取而代之，被困在冰晶格中以保持水合物結構的完整性。
甲烷從測試井中流出一個月，但研究人員無法確定CO2是否已取代甲烷。“概念很簡單，但自然界更為複雜，”美國能源部國家能源技術實驗室水合物技術經理雷·博斯韋爾說。博斯韋爾說，來自測試的資料揭示了“地下一個混亂的黑匣子”。儘管取得了相對成功，但康菲石油公司已重新分配了參與其中的員工。美國能源部正在尋找新的行業合作伙伴以繼續進行實驗。
對於保爾來說，該實驗反映了我們對水合物行為的有限理解。2010年，他領導了一個美國國家科學院委員會，審查了美國能源部關於甲烷水合物作為能源資源的工作。該小組的結論是，工程師可能可以克服從水合物生產燃料的技術挑戰，但在就是否繼續進行做出明智的決定之前，仍有許多科學、環境和工程問題需要解答。與石油礦藏不同，水合物本質上是不穩定的且難以繪製地圖，並且它們對周圍生態系統的影響知之甚少。“我認為我們對以環境友好的方式開採它們意味著什麼瞭解不足，”保爾說。
困在冰凍的機場休息室
瞭解水合物變化無常、不可預測的性質對於確定它們是否可以可靠地開採以及它們是否可能加劇地球變暖至關重要。
例如，僅僅觸控水合物就會導致它們從固態變為氣態，從而毀掉實驗。出於這個原因，保爾告訴“西式飛行者”號船員，在潛水結束之前避免戳冰冷的露頭。當機器人滑過渾濁、綠色的海底時，土堆像巨大的水泡一樣升起，某些地方有小麻點，就好像有微小的隕石撞擊過它一樣。保爾懷疑這些麻點是水合物碎片脫落的地方，可能只是被魚輕輕一碰就脫落了。無論在海中何處發現礦藏，都可以看到脆弱的水合物雪片向上漂浮，後面跟著氣泡——就像彗星被尾巴拉向海面一樣。
水合物在整個穩定帶中不斷解離和形成。在一次潛水中，“道克·裡基茨”號上的聲納定位到一股從土堆中冒出的氣泡流。保爾想知道這種氣體是在地球深處的熱廚房中形成的，類似於天然氣和石油的生成地，還是由沉積物中漂浮的有機物碎片微生物群生物產生的。幾乎所有礦藏都含有來自生物來源的氣體，有些含有來自熱成因來源的氣體；瞭解混合物可以幫助確定土堆是如何形成的以及下面是什麼。保爾讓飛行員將機器人降低到氣泡的來源，這是一個昏暗的裂縫，周圍環繞著蛤蜊，這些蛤蜊消耗利用化學合成生活的細菌——將甲烷轉化為能量。
船員將“道克·裡基茨”號降落在露頭上，攝像頭立即顯示出一隻螃蟹棲息在氣泡附近，拼命地用蟹鉗將氣泡揮舞到嘴裡。由於水溫只有兩攝氏度，而且壓力巨大，氣體迅速形成小水合物晶體，在螃蟹的口器上結了一層可笑的白色鬍鬚，破壞了它吃掉氣泡的企圖。船上的一位生物學家說，經常發現螃蟹試圖吞噬甲烷氣泡，即使這些生物似乎沒有從中獲得任何營養。
為了避免與螃蟹遇到同樣的問題，該研究所的工程師將一個加熱裝置連線到一個通向取樣瓶的漏斗上，所有這些都可以由機器人操縱。即便如此，船員們還是需要在接下來的幾天內進行幾次潛水才能獲得足夠的樣本來確定其中熱成因氣體和生物成因氣體的混合比例。
保爾還想弄清楚土堆的年齡，以瞭解它形成的有多快。船員將“道克·裡基茨”號降落在土堆的一側邊緣，並操縱其機械臂，透過將專門設計的管子向下推入土堆來採集巖芯樣本。在某些地方，機器人很容易將管子驅動到冰冷、泥濘的沉積物中。在另一些地方，管子卡在可能是冰或另一種堅硬物質（如碳酸鈣）的壁架上。
在工作過程中，機器人LED燈中出現了詭異的亮藍色氣泡。在控制室裡，美國地質調查局地質學家托馬斯·洛倫森認為這些氣泡可能是石油。來自海底石油和天然氣儲層的滲漏是海底持續不斷的自然石油洩漏。美國國家科學院2003年釋出的一份出版物估計，每年有6.8億升石油滲入世界海洋。這些滲漏支援著大量的蛤蜊、蠕蟲和其他生物，這表明如果要開採水合物作為能源，確定什麼是健康的環境將是多麼困難。
一旦兩米長的巖芯樣本被存放在“道克·裡基茨”號上，船員們花了一個小時才將機器人及其快取拉回船上。當載具透過船體上的滑動氣閘進入時，它帶來了一股濃烈的石油和臭雞蛋味。研究人員將一些樣本放入冰箱以供以後分析，並在船上處理了其他樣本。泥濘的巖芯類似於巧克力蛋糕糊，由於溶解了如此多的氣體而冒著氣泡。
保爾和他的團隊開始快速處理較小的巖芯，將它們倒出到托盤中，以測量每釐米的沉積物並確定其沉積時間。我面前的泥漿是一個狂野的微生物派對的現場：寒冷的沉積物包含許多不同的微生物，它們產生甲烷、消耗甲烷並交換硫和氧分子。水合物地層，無論多麼巨大，都只是海底以下沉積物中的甲烷和上方海水之間的中轉站。洛倫森將這個空間比作“機場的過境休息室”，每個人都在等待起飛的機會。
萊斯大學的地球科學家傑拉爾德·狄更斯將全球範圍內的水合物描述為甲烷的巨大儲存電容器，甲烷上升到沉積物中或在沉積物中產生——儲存氣體，然後逐漸將其釋放到海水中，並有可能釋放到大氣中。我們不知道的是這個電容器的作用速度有多快——水合物在休息室等待多久才出現。氣體可能會等待長達七百萬年，也可能會相對快速地釋放出來，這可能會加劇全球變暖。
不確定性增加的是，研究人員不確定電容器中實際有多少水合物處於待機狀態。2011年，狄更斯引用了各種論文，得出了170至12,700千兆噸碳的估計值，這個範圍很廣，說明了極大的不確定性。該估計值的上限意味著甲烷水合物可能比所有其他已量化的化石燃料儲量（通常估計為4,000千兆噸碳）多出三倍以上的碳。
甲烷海嘯
作為電容器，水合物還可以一次釋放大量能量，這既引起了能源研究人員的關注，也引起了氣候研究人員的關注。由於水合物具有強大的浮力，因此在受到擾動時可能很危險。一立方米的水合物在環境溫度和壓力下膨脹為164立方米的甲烷氣體和0.8立方米的水。當地震搖晃水合物時，膨脹會引發滑坡，從而導致海嘯。這種多米諾骨牌效應被認為是造成Storegga滑坡的原因，Storegga滑坡引發的海浪在8100年前襲擊了現在的英國，以及1998年在巴布亞紐幾內亞造成2000多人死亡的Sissano海嘯。
對於任何試圖開採水合物以獲取能源的人來說，防止此類地質災害將是一個挑戰。傳統的石油和天然氣是透過鑽穿岩石到達密封的地下儲層來生產的。但是水合物中的甲烷是固體，必須改變相變為氣體才能提取，這會使整個結構處於運動狀態。
更廣泛的地球行星擔憂是甲烷解離後會去哪裡。如果甲烷進入大氣層而不是被海水吸收，則可能對氣候產生巨大影響。我有機會觀察到一塊水合物在水柱中上升。在一次潛水中，機器人從1800米處的露頭上取下了一塊甜瓜大小的水合物冰塊，並努力將這個漂浮的腫塊放入網袋中，這種令人沮喪的舞蹈被一位觀察員描述為“反重力籃球”。當我從控制室觀看時，球體在深水中大部分保持完整。但是，當機器人上升到穩定帶上方時，更多的氣體解離出來，網袋被一層薄霧狀的氣泡遮蔽了。當機器人最終到達水面時，水合物的體積只有幾湯匙。
在甲板上，洛倫森迅速將消失的樣品浸入液氮中以供以後測試。他還點燃了一小塊水合物，並遞給我另一塊碎片讓我吃。它在我的嘴裡發出嘶嘶聲，味道就像你期望的碳氫化合物冰糕一樣令人倒胃口，除了幾乎帶有薄荷味的芳香後味。
那次狂野的向上之旅可能為有多少甲烷可能逸入空氣提供了線索。蒙特雷灣研究所的海洋化學家彼得·布魯爾使用X射線斷層掃描技術檢查了上升的水合物。他發現水合物從外部和內部解離。另一項實驗表明，氣泡形成了薄薄的水合物“皮膚”，就像乒乓球一樣，它們在上升過程中不規則地發出嘶嘶聲和爆裂聲。布魯爾說，解離的物理和化學性質的揭示將有助於研究人員確定它在水柱中發生的地點、它如何被海洋微生物消耗、通常有多少（如果有的話）到達水面以及預計有多少會進入大氣層。
確鑿證據
這些見解可能有助於解決科學家們十多年來一直爭論不休的一個問題：海洋變暖是否可能引發甲烷的大量釋放，以及這種排放是否會超出海洋吸收它的能力。早期的一種理論稱為“籠形水合物槍”假說，該假說認為水合物會積聚，然後在數千年的週期內災難性地釋放甲烷。化石記錄並未證實這種週期性情景，但仍然有可能，來自水合物的大量一次性甲烷釋放可能導致地球在最高溫度時期——5500萬年前的“熱最大值”——快速變暖。
相比之下，芝加哥大學的大衛·阿徹的模型表明，在數千年內，水合物可能會持續釋放甲烷，從而導致全球變暖的巨大變化，其中氣溫升高將導致一些水合物在海洋中氧化成CO2，從而延長變暖趨勢。
被困在北極陸地永久凍土下的水合物，以及那些淹沒在近海淺海下的水合物，可能構成更緊迫的威脅。2013年11月，由阿拉斯加大學費爾班克斯分校的娜塔莉亞·沙科娃領導的一個團隊估計，東西伯利亞北極陸架每年向大氣中排放1700萬噸甲烷——是先前估計的兩倍。沙科娃發現，從僅50米深的海水中被永久凍土覆蓋的水合物礦藏中升起了大量甲烷氣泡。在該地區頻繁發生的風暴期間，這些氣泡似乎直接與大氣混合。在進行更多研究之前，沒有人能確定這種動態是否發生在整個北極地區，甚至無法確定甲烷主要來自水合物還是永久凍土。這又是我們理解中的另一個“黑匣子”。
在船上的工作帶來了更多的神秘感。在我登船的最後一天，保爾一直在“西式飛行者”號的大型溼實驗室裡擺弄小巖芯樣本，等待稍後來自美國地質調查局對長長的冷凍巖芯的分析結果。保爾認為我們在土堆頂部看到的沉積物可能是最近才形成的——他可以透過掃描僅在1945年後才出現的滴滴涕的痕跡來確定這一點。然而，沉積物向上推擠並使海底起泡的事實表明，它們可能已經積累了大約10,000年——在地質時間尺度上仍然相對較新。
後來，洛倫森送到科羅拉多礦業學院的冷凍水合物碎片分析顯示，土堆不僅包含自身的甲烷，而且還覆蓋了其下的儲藏系統。科羅拉多州的研究人員發現了多種碳同位素，表明水合物是由兩個不同的深層熱儲層和兩種來自微生物的氣體形成的。
這種模式意味著氣體已經從地球地殼深處一個以前未知的廚房向上流動，從一個較淺的廚房中拾取了另一種氣體，然後蜿蜒穿過沉積物以拾取生物成因氣體，包括一種由微生物將輕質石油加工成甲烷而形成的氣體。洛倫森感到驚訝：“這指出了石油和天然氣遷移的複雜性。[石油和天然氣的遷移]。我們不瞭解所有主要的參與者在下面做什麼。”
在試圖測量一個土堆時，機器人偶然發現了下方一個更大的世界。我們的土堆是一個相對較小的軟木塞，擋住了大量的甲烷和石油。事實證明，甲烷水合物並非簡單的問題，即它是能源的祝福還是氣候的詛咒，而是提出了關於全球系統如何運作及其時間框架的更大的難題。科學家需要回答這些問題——對基礎地球科學進行更大的投資——才能理解這種神秘物質如何將地球過去生命中的碳與地球的未來聯絡起來。