这不仅仅是泥巴。它是含有甲烷水合物的泥浆，在低温和高压下形成的冰状晶体。它可能是未来的能源。查看更多 替代燃料图片.

　　美联社照片/HO， USGS就其本身而言，甲烷并不是很令人兴奋。它是一种无色无味的气体，是烷烃系列碳氢化合物中最简单的成员。它最大的名声是，作为天然气的主要成分，它作为能源很有用。

　　然而，最近，地质学家发现了一种激起他们好奇心的甲烷。它不寻常的部分特征是它如何以自然状态存在 - 被困在冰笼中。更有趣的是，这些冰冻的甲烷中有多少似乎被锁在地壳中。一些估计表明，多达 700 万亿(700 × 1015)立方英尺(20万亿立方米)的甲烷被包裹在冰中，并被困在世界各地的海底沉积物中[来源： 塔巴克].这是地球上其他化石燃料总和的两倍。

　　这种新型甲烷的发现，科学家称之为 甲烷水合物，引出了两个重要问题。首先是务实的：它会像普通甲烷一样燃烧吗?事实证明会的。如果你取一块甲烷水合物 - 它看起来像硬包装的雪 - 并触摸点燃的火柴，样品会燃烧出红色的火焰。如果是这样的话，它可以用来为家庭供暖，为汽车加油，并为日本，美国，印度和中国等能源匮乏的国家提供动力。最近的数据表明，地球上只有1%的甲烷水合物沉积物可以产生足够的天然气来满足美国17万年的能源需求。 石头].

　　第二个问题部分是出于道德考虑：作为一个全球社会，我们是否应该热切地努力开发清洁的可再生能源，接受最初让我们陷入困境的化石燃料之一?科学无法回答这个问题。然而，它可以揭示希望利用甲烷水合物的国家面临的挑战和风险。最重要的挑战之一是找到提取冷冻燃料的有效方法。更令人不安的是与甲烷开采有关的潜在灾难 - 从大规模的水下山体滑坡到失控的温室效应。

　　在本文中，我们将探讨甲烷水合物的所有积极和消极因素。我们将看看它相对短暂的历史，以及它如何适应一些可能的未来场景。当然，我们将研究这种所谓的“易燃冰”背后的基础科学。

　　让我们从一些化学开始。

　　冰与火：甲烷水合物的化学性质

　　甲烷分子的表示，蓝色球体表示碳，四个红色球体表示氢

　　© ISTOCKPHOTO.COM/JC559冷冻燃料是被称为 天然气水合物.所讨论的气体是天然气，是甲烷、丙烷、丁烷和戊烷等碳氢化合物的混合物。其中，甲烷是迄今为止化学中最常见的成分和研究最多的化合物之一。

　　像所有碳氢化合物一样，甲烷只含有两种元素——碳和氢。这是一个例子 饱和烃，或完全由单键组成的分子，因此允许的最大氢原子数。饱和烃的一般分子式为CnH2n+2.甲烷只有一个碳原子，所以它的化学式是CH4.化学家将这种形状描述为四面体。

　　甲烷是由植物和动物物质细菌分解产生的无色、无味、可燃气体。它是在所有化石燃料共享的过程中形成的。首先，海洋植物和动物死亡并落入海底。接下来，泥浆和其他海底沉积物覆盖了分解的生物。沉积物对有机物施加了很大的压力并开始压缩它。这种压缩与高温相结合，分解了有机物中的碳键，将其转化为石油和天然气。

　　一般来说，这种甲烷 - 地质学家称之为“常规”甲烷 - 位于地球表面之下。为了到达它，工人必须钻穿岩石和沉积物，并利用甲烷沉积物释放气体。然后他们把它泵送到地面，在那里通过全国各地的管道运输。

　　如果产生甲烷的沉积物位于海洋表面以下约1，640英尺(500米)处，甲烷也可以非常规形成。这些条件的接近冰点的温度和高压导致甲烷被冰包裹。甲烷不会与水发生化学键合。相反，每个四面体甲烷分子都位于由冰制成的晶体壳内。这种独特的物质被称为 甲烷水合物，一旦达到更高的温度和更低的压力，冰就会融化，留下纯甲烷。

　　地质学家最近才发现天然存在的甲烷水合物，但化学家们多年来就知道了，我们将在下一节中看到。

　　包合物化合物

　　甲烷水合物是一种 包合物，一种由一种化合物嵌套在另一种化合物中的化学物质。这个词来自拉丁语 克拉特拉图斯，意思是“酒吧”或“格子”。 一个化合物充当主机，另一个作为客人。在甲烷水合物的情况下，水是主人，甲烷是客人。出于这个原因，化学家有时将包合物称为 主人-客人复合体.

　　甲烷水合物简史

　　2002年从墨西哥湾回收的天然气水合物块

　　照片由比尔·温特斯提供/美国地质调查局天然气水合物的历史可以追溯到来自英国康沃尔郡的化学家汉弗莱·戴维(Humphrey Davy)，他在1810年将氯确定为一种元素。

　　戴维和他的助手迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在整个1800年代早期继续使用氯，将绿色气体与水混合并将混合物冷却至低温。

　　戴维很可能观察到氯原子被冰晶包裹的奇怪固体，但法拉第因这一发现而获得官方荣誉。1823年，法拉第发表了一份报告，描述了这种奇怪的物质，并称其为氯包合物水合物。其他类型的包合物，每种包合物都涉及锁定在宿主晶格结构内的客体化合物，很快就被发现了，但它们仍然是实验室的好奇心。

　　然后，在 1930 年代，天然气矿工开始抱怨冰状材料堵塞暴露在低温下的管道。科学家确定这种物质不是纯冰，而是包裹在甲烷上的冰。他们不失时机地试图找到防止水合物形成的方法，并主要转向化学品，如甲醇或单乙二醇。从那时起，矿业公司将这些材料添加到其天然气管道中，以抑制水合物的形成。

　　在1960年代，科学家发现甲烷水合物或“固体天然气”存在于西伯利亚西部的Messoyakha气田中。这很重要，因为以前从未发现过天然存在的天然气水合物。地质学家和化学家抵达广阔的盆地，开始研究水合物形成的条件。他们发现永久冻土层沉积物富含水合物，并开始在其他高纬度地区寻找类似的沉积物。很快，另一组研究人员在深埋在阿拉斯加北坡下方的沉积物中发现了甲烷水合物。

　　基于这些早期发现，美国地质调查局(USGS)和能源部国家能源技术实验室在1982年至1992年间进行了广泛的研究，揭示了在近海沉积物中也可以发现甲烷水合物沉积物。突然之间，曾经的好奇心和工业滋扰看起来可能是一种重要的资源。在1990年代中期，日本和印度率先进行甲烷水合物研究，目标是寻找更多的矿床并开发经济地提取被捕获甲烷的方法。此后，科学家们在许多地方发现了甲烷水合物沉积物，包括加拿大的麦肯齐河三角洲和日本沿海的南海海槽。

　　接下来，我们将考虑甲烷水合物可能对世界能源供应产生的影响。

　　冷冻燃料的潜力

　　主要甲烷水合物田

　　HOWSTUFFWORKS.COM一旦科学家开始寻找甲烷水合物矿床，他们并没有失望。他们在北极永久冻土层下和海底下发现了它们，特别是在一个构造板块滑过另一个构造板块的地区。这些区域被称为 俯冲带 因为一个板块的边缘在另一个板块下方移动。例如，在华盛顿和俄勒冈州的海岸附近，胡安·德·富卡板块正在北美板块下方滑动。就像一块木头被拉过飞机的叶片一样，胡安德富卡板块的沉积物，包括水合物，被北美板块的岩石地壳去除。这创造了一个平行于海岸的水合物脊。

　　在大洋流交汇的地区也发现了水合物沉积物。布莱克岭是位于南卡罗来纳州海岸附近的一个地层，水深 6，562 至 15，748 英尺(2，000 至 4，800 米)。地质学家认为，该山脊形成于渐新世时期，大约在33.7至2380万年前。格陵兰海在此期间开放，允许大量寒冷，密集的水沿着大西洋海岸向南流动。当这些冷水一头扎进温水中，沿着墨西哥湾流向北移动时，水流减慢并掉落了大量的沉积物。埋藏在这些沉积物中的有机物质最终产生了大量的甲烷水合物。

　　这种冷冻燃料中有多少存在于布莱克岭和世界各地的其他地方?据估计，锁定在水合物中的甲烷量在100，000万亿至300，000，000万亿立方英尺(2，832万亿至8，495，054万亿立方米)之间。将其与地球上剩余的13，000万亿立方英尺(368万亿立方米)的常规天然气储量进行比较，您可以理解为什么科学界的下巴已经下降[来源： 科莱特].

　　当然，找到水合物沉积物是一回事。正如我们将在下一节中看到的，将它们取出 - 并且安全地进行 - 完全是另一回事。

　　开采甲烷水合物的风险业务

　　从天然气水合物田释放甲烷的潜在回报必须与风险相平衡。而且风险很大。让我们首先从矿业公司及其工人面临的挑战开始。大多数甲烷水合物矿床位于海底沉积物中。这意味着钻机必须能够通过超过1，600英尺(500米)的水向下到达，然后，由于水合物通常位于地下很远的地方，在开始开采之前还有几千英尺。水合物也倾向于沿着大陆斜坡的较低边缘形成，海床从相对较浅的大陆架向深渊下降。大致倾斜的海底使管道难以运行。

　　即使你可以安全地放置钻井平台，甲烷水合物一旦从深海的高压和低温中取出，也是不稳定的。甲烷在被输送到地表时也开始逸出。除非有办法防止天然气泄漏，否则提取将没有效率。这有点像用一个布满洞的桶来拉井水。

　　信不信由你，这种泄漏可能是最不担心的。许多地质学家怀疑天然气水合物在稳定海底方面发挥着重要作用。在这些海洋沉积物中钻探可能会破坏海底的稳定性，导致大片沉积物沿着大陆斜坡滑下数英里。有证据表明，过去曾发生过此类水下山体滑坡(见侧栏)，造成了毁灭性的后果。如此多的沉积物的移动肯定会引发类似于2004年12月印度洋海啸的大规模海啸。

　　但也许最大的担忧是甲烷水合物开采如何影响全球变暖。科学家们已经知道，水合物沉积物会自然释放少量甲烷。气体在天空中工作 - 通过永久冻土或海水冒泡 - 直到它被释放到大气中。一旦甲烷进入大气层，它就会成为一种温室气体，在捕获太阳辐射方面甚至比二氧化碳更有效。一些专家担心，在水合物矿床中钻探可能会导致甲烷的灾难性释放，从而大大加速全球变暖。

　　这是否使水合物田的甲烷成为禁区?这是来自世界各地的科学家试图回答的问题。

　　移山

　　历史上最大的山体滑坡之一不是发生在陆地上，而是发生在挪威海岸附近的水下。它也没有发生在近代历史上，而是发生在大约8000年前的全新世时代。该事件被称为Storegga海底滑坡，导致大量沉积物沿着大陆斜坡滑下约497英里(800公里)。这反过来又引发了一场可能高达82英尺(25米)的巨型海啸，袭击了挪威和苏格兰。

　　1998年，俄罗斯研究人员在Storegga滑坡现场附近发现了一个不稳定的水合物场。现在科学家认为，与上一个冰河时代结束时的温度和压力变化有关的水合物的快速分解破坏了沉积物的稳定性并导致了山体滑坡。

　　冷冻燃料的未来

　　2006年，韩国的抗议者示威反对日本计划派遣调查船进入两国声称拥有主权的水域。有争议的水域是一个富饶的渔场，被认为有甲烷水合物矿床。

　　美联社照片/安英俊1997年，美国能源部(DOE)启动了一项研究计划，最终将在2015年之前允许从天然气水合物矿床中商业化生产甲烷。三年后，国会通过2000年的《甲烷水合物研究与开发法案》授权提供资金。机构间协调委员会(ICC)由六个政府机构组成，一直在推进多个方面的研究。我们对甲烷水合物基础科学的了解 - 它是如何形成的，在哪里形成以及它在海底稳定和全球变暖中发挥的作用 - 都来自ICC的研究。

　　关于如何有效地从水合物中提取甲烷的有趣想法也正在出现。一些专家提出了一种技术，其中矿工将热水泵入钻孔以融化水合物并释放被困的甲烷。当甲烷逸出时，它通过一个伴随的钻孔被泵送到海底。从那里，海底管道将天然气输送到岸上。不幸的是，这种管道需要在困难的水下地形上行驶。一种解决方案是在海底建造一个生产设施，使其位于水合物矿床附近。当甲烷从加热的沉积物中逸出时，工厂的工人将重新冻结气体以形成“清洁”的甲烷水合物。然后潜艇将把冷冻燃料拖到巨大的储罐中，到较浅的水域， 甲烷可以安全有效地提取和运输。

　　这一切都有必要吗?可再生能源不会让如此积极地追求另一种不可再生的化石燃料成为浪费时间吗?实际上，在未来几十年里，化石燃料仍将是世界整体能源结构的重要组成部分。根据美国能源信息署(EIA)的数据，美国天然气总消费量预计将从今天的约22万亿立方英尺(0.622万亿立方米)增加到2030年的约27万亿立方英尺(0.76万亿立方米)。同期全球天然气消费量预计将增加到182万亿立方英尺(5.15万亿立方米)[来源： 环 评].利用锁定在水合物中的甲烷显然将在满足这一需求方面发挥关键作用。

　　这意味着甲烷水合物的冷冻燃料可以争取更多的时间，因为科学家们正在寻找为我们的星球提供动力的替代品。将其视为我们向更清洁、更绿色的能源过渡的重要垫脚石。