這不僅僅是泥巴。它是含有甲烷水合物的泥漿，在低溫和高壓下形成的冰狀晶體。它可能是未來的能源。查看更多 替代燃料圖片.

　　美聯(lián)社照片/HO， USGS就其本身而言，甲烷并不是很令人興奮。它是一種無色無味的氣體，是烷烴系列碳?xì)浠衔镏凶詈唵蔚某蓡T。它最大的名聲是，作為天然氣的主要成分，它作為能源很有用。

　　然而，最近，地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種激起他們好奇心的甲烷。它不尋常的部分特征是它如何以自然狀態(tài)存在 - 被困在冰籠中。更有趣的是，這些冰凍的甲烷中有多少似乎被鎖在地殼中。一些估計表明，多達(dá) 700 萬億(700 × 1015)立方英尺(20萬億立方米)的甲烷被包裹在冰中，并被困在世界各地的海底沉積物中[來源： 塔巴克].這是地球上其他化石燃料總和的兩倍。

　　這種新型甲烷的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家稱之為 甲烷水合物，引出了兩個重要問題。首先是務(wù)實的：它會像普通甲烷一樣燃燒嗎?事實證明會的。如果你取一塊甲烷水合物 - 它看起來像硬包裝的雪 - 并觸摸點燃的火柴，樣品會燃燒出紅色的火焰。如果是這樣的話，它可以用來為家庭供暖，為汽車加油，并為日本，美國，印度和中國等能源匱乏的國家提供動力。最近的數(shù)據(jù)表明，地球上只有1%的甲烷水合物沉積物可以產(chǎn)生足夠的天然氣來滿足美國17萬年的能源需求。 石頭].

　　第二個問題部分是出于道德考慮：作為一個全球社會，我們是否應(yīng)該熱切地努力開發(fā)清潔的可再生能源，接受最初讓我們陷入困境的化石燃料之一?科學(xué)無法回答這個問題。然而，它可以揭示希望利用甲烷水合物的國家面臨的挑戰(zhàn)和風(fēng)險。最重要的挑戰(zhàn)之一是找到提取冷凍燃料的有效方法。更令人不安的是與甲烷開采有關(guān)的潛在災(zāi)難 - 從大規(guī)模的水下山體滑坡到失控的溫室效應(yīng)。

　　在本文中，我們將探討甲烷水合物的所有積極和消極因素。我們將看看它相對短暫的歷史，以及它如何適應(yīng)一些可能的未來場景。當(dāng)然，我們將研究這種所謂的“易燃冰”背后的基礎(chǔ)科學(xué)。

　　讓我們從一些化學(xué)開始。

　　冰與火：甲烷水合物的化學(xué)性質(zhì)

　　甲烷分子的表示，藍(lán)色球體表示碳，四個紅色球體表示氫

　　? ISTOCKPHOTO.COM/JC559冷凍燃料是被稱為 天然氣水合物.所討論的氣體是天然氣，是甲烷、丙烷、丁烷和戊烷等碳?xì)浠衔锏幕旌衔?。其中，甲烷是迄今為止化學(xué)中最常見的成分和研究最多的化合物之一。

　　像所有碳?xì)浠衔镆粯?，甲烷只含有兩種元素——碳和氫。這是一個例子 飽和烴，或完全由單鍵組成的分子，因此允許的最大氫原子數(shù)。飽和烴的一般分子式為CnH2n+2.甲烷只有一個碳原子，所以它的化學(xué)式是CH4.化學(xué)家將這種形狀描述為四面體。

　　甲烷是由植物和動物物質(zhì)細(xì)菌分解產(chǎn)生的無色、無味、可燃?xì)怏w。它是在所有化石燃料共享的過程中形成的。首先，海洋植物和動物死亡并落入海底。接下來，泥漿和其他海底沉積物覆蓋了分解的生物。沉積物對有機物施加了很大的壓力并開始壓縮它。這種壓縮與高溫相結(jié)合，分解了有機物中的碳鍵，將其轉(zhuǎn)化為石油和天然氣。

　　一般來說，這種甲烷 - 地質(zhì)學(xué)家稱之為“常規(guī)”甲烷 - 位于地球表面之下。為了到達(dá)它，工人必須鉆穿巖石和沉積物，并利用甲烷沉積物釋放氣體。然后他們把它泵送到地面，在那里通過全國各地的管道運輸。

　　如果產(chǎn)生甲烷的沉積物位于海洋表面以下約1，640英尺(500米)處，甲烷也可以非常規(guī)形成。這些條件的接近冰點的溫度和高壓導(dǎo)致甲烷被冰包裹。甲烷不會與水發(fā)生化學(xué)鍵合。相反，每個四面體甲烷分子都位于由冰制成的晶體殼內(nèi)。這種獨特的物質(zhì)被稱為 甲烷水合物，一旦達(dá)到更高的溫度和更低的壓力，冰就會融化，留下純甲烷。

　　地質(zhì)學(xué)家最近才發(fā)現(xiàn)天然存在的甲烷水合物，但化學(xué)家們多年來就知道了，我們將在下一節(jié)中看到。

　　包合物化合物

　　甲烷水合物是一種 包合物，一種由一種化合物嵌套在另一種化合物中的化學(xué)物質(zhì)。這個詞來自拉丁語 克拉特拉圖斯，意思是“酒吧”或“格子”。 一個化合物充當(dāng)主機，另一個作為客人。在甲烷水合物的情況下，水是主人，甲烷是客人。出于這個原因，化學(xué)家有時將包合物稱為 主人-客人復(fù)合體.

　　甲烷水合物簡史

　　2002年從墨西哥灣回收的天然氣水合物塊

　　照片由比爾·溫特斯提供/美國地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物的歷史可以追溯到來自英國康沃爾郡的化學(xué)家漢弗萊·戴維(Humphrey Davy)，他在1810年將氯確定為一種元素。

　　戴維和他的助手邁克爾·法拉第(Michael Faraday)在整個1800年代早期繼續(xù)使用氯，將綠色氣體與水混合并將混合物冷卻至低溫。

　　戴維很可能觀察到氯原子被冰晶包裹的奇怪固體，但法拉第因這一發(fā)現(xiàn)而獲得官方榮譽。1823年，法拉第發(fā)表了一份報告，描述了這種奇怪的物質(zhì)，并稱其為氯包合物水合物。其他類型的包合物，每種包合物都涉及鎖定在宿主晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)的客體化合物，很快就被發(fā)現(xiàn)了，但它們?nèi)匀皇菍嶒炇业暮闷嫘摹?/span>

　　然后，在 1930 年代，天然氣礦工開始抱怨冰狀材料堵塞暴露在低溫下的管道?？茖W(xué)家確定這種物質(zhì)不是純冰，而是包裹在甲烷上的冰。他們不失時機地試圖找到防止水合物形成的方法，并主要轉(zhuǎn)向化學(xué)品，如甲醇或單乙二醇。從那時起，礦業(yè)公司將這些材料添加到其天然氣管道中，以抑制水合物的形成。

　　在1960年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)甲烷水合物或“固體天然氣”存在于西伯利亞西部的Messoyakha氣田中。這很重要，因為以前從未發(fā)現(xiàn)過天然存在的天然氣水合物。地質(zhì)學(xué)家和化學(xué)家抵達(dá)廣闊的盆地，開始研究水合物形成的條件。他們發(fā)現(xiàn)永久凍土層沉積物富含水合物，并開始在其他高緯度地區(qū)尋找類似的沉積物。很快，另一組研究人員在深埋在阿拉斯加北坡下方的沉積物中發(fā)現(xiàn)了甲烷水合物。

　　基于這些早期發(fā)現(xiàn)，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和能源部國家能源技術(shù)實驗室在1982年至1992年間進行了廣泛的研究，揭示了在近海沉積物中也可以發(fā)現(xiàn)甲烷水合物沉積物。突然之間，曾經(jīng)的好奇心和工業(yè)滋擾看起來可能是一種重要的資源。在1990年代中期，日本和印度率先進行甲烷水合物研究，目標(biāo)是尋找更多的礦床并開發(fā)經(jīng)濟地提取被捕獲甲烷的方法。此后，科學(xué)家們在許多地方發(fā)現(xiàn)了甲烷水合物沉積物，包括加拿大的麥肯齊河三角洲和日本沿海的南海海槽。

　　接下來，我們將考慮甲烷水合物可能對世界能源供應(yīng)產(chǎn)生的影響。

　　冷凍燃料的潛力

　　主要甲烷水合物田

　　HOWSTUFFWORKS.COM一旦科學(xué)家開始尋找甲烷水合物礦床，他們并沒有失望。他們在北極永久凍土層下和海底下發(fā)現(xiàn)了它們，特別是在一個構(gòu)造板塊滑過另一個構(gòu)造板塊的地區(qū)。這些區(qū)域被稱為 俯沖帶 因為一個板塊的邊緣在另一個板塊下方移動。例如，在華盛頓和俄勒岡州的海岸附近，胡安·德·富卡板塊正在北美板塊下方滑動。就像一塊木頭被拉過飛機的葉片一樣，胡安德富卡板塊的沉積物，包括水合物，被北美板塊的巖石地殼去除。這創(chuàng)造了一個平行于海岸的水合物脊。

　　在大洋流交匯的地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了水合物沉積物。布萊克嶺是位于南卡羅來納州海岸附近的一個地層，水深 6，562 至 15，748 英尺(2，000 至 4，800 米)。地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，該山脊形成于漸新世時期，大約在33.7至2380萬年前。格陵蘭海在此期間開放，允許大量寒冷，密集的水沿著大西洋海岸向南流動。當(dāng)這些冷水一頭扎進溫水中，沿著墨西哥灣流向北移動時，水流減慢并掉落了大量的沉積物。埋藏在這些沉積物中的有機物質(zhì)最終產(chǎn)生了大量的甲烷水合物。

　　這種冷凍燃料中有多少存在于布萊克嶺和世界各地的其他地方?據(jù)估計，鎖定在水合物中的甲烷量在100，000萬億至300，000，000萬億立方英尺(2，832萬億至8，495，054萬億立方米)之間。將其與地球上剩余的13，000萬億立方英尺(368萬億立方米)的常規(guī)天然氣儲量進行比較，您可以理解為什么科學(xué)界的下巴已經(jīng)下降[來源： 科萊特].

　　當(dāng)然，找到水合物沉積物是一回事。正如我們將在下一節(jié)中看到的，將它們?nèi)〕?- 并且安全地進行 - 完全是另一回事。

　　開采甲烷水合物的風(fēng)險業(yè)務(wù)

　　從天然氣水合物田釋放甲烷的潛在回報必須與風(fēng)險相平衡。而且風(fēng)險很大。讓我們首先從礦業(yè)公司及其工人面臨的挑戰(zhàn)開始。大多數(shù)甲烷水合物礦床位于海底沉積物中。這意味著鉆機必須能夠通過超過1，600英尺(500米)的水向下到達(dá)，然后，由于水合物通常位于地下很遠(yuǎn)的地方，在開始開采之前還有幾千英尺。水合物也傾向于沿著大陸斜坡的較低邊緣形成，海床從相對較淺的大陸架向深淵下降。大致傾斜的海底使管道難以運行。

　　即使你可以安全地放置鉆井平臺，甲烷水合物一旦從深海的高壓和低溫中取出，也是不穩(wěn)定的。甲烷在被輸送到地表時也開始逸出。除非有辦法防止天然氣泄漏，否則提取將沒有效率。這有點像用一個布滿洞的桶來拉井水。

　　信不信由你，這種泄漏可能是最不擔(dān)心的。許多地質(zhì)學(xué)家懷疑天然氣水合物在穩(wěn)定海底方面發(fā)揮著重要作用。在這些海洋沉積物中鉆探可能會破壞海底的穩(wěn)定性，導(dǎo)致大片沉積物沿著大陸斜坡滑下數(shù)英里。有證據(jù)表明，過去曾發(fā)生過此類水下山體滑坡(見側(cè)欄)，造成了毀滅性的后果。如此多的沉積物的移動肯定會引發(fā)類似于2004年12月印度洋海嘯的大規(guī)模海嘯。

　　但也許最大的擔(dān)憂是甲烷水合物開采如何影響全球變暖?？茖W(xué)家們已經(jīng)知道，水合物沉積物會自然釋放少量甲烷。氣體在天空中工作 - 通過永久凍土或海水冒泡 - 直到它被釋放到大氣中。一旦甲烷進入大氣層，它就會成為一種溫室氣體，在捕獲太陽輻射方面甚至比二氧化碳更有效。一些專家擔(dān)心，在水合物礦床中鉆探可能會導(dǎo)致甲烷的災(zāi)難性釋放，從而大大加速全球變暖。

　　這是否使水合物田的甲烷成為禁區(qū)?這是來自世界各地的科學(xué)家試圖回答的問題。

　　移山

　　歷史上最大的山體滑坡之一不是發(fā)生在陸地上，而是發(fā)生在挪威海岸附近的水下。它也沒有發(fā)生在近代歷史上，而是發(fā)生在大約8000年前的全新世時代。該事件被稱為Storegga海底滑坡，導(dǎo)致大量沉積物沿著大陸斜坡滑下約497英里(800公里)。這反過來又引發(fā)了一場可能高達(dá)82英尺(25米)的巨型海嘯，襲擊了挪威和蘇格蘭。

　　1998年，俄羅斯研究人員在Storegga滑坡現(xiàn)場附近發(fā)現(xiàn)了一個不穩(wěn)定的水合物場?，F(xiàn)在科學(xué)家認(rèn)為，與上一個冰河時代結(jié)束時的溫度和壓力變化有關(guān)的水合物的快速分解破壞了沉積物的穩(wěn)定性并導(dǎo)致了山體滑坡。

　　冷凍燃料的未來

　　2006年，韓國的抗議者示威反對日本計劃派遣調(diào)查船進入兩國聲稱擁有主權(quán)的水域。有爭議的水域是一個富饒的漁場，被認(rèn)為有甲烷水合物礦床。

　　美聯(lián)社照片/安英俊1997年，美國能源部(DOE)啟動了一項研究計劃，最終將在2015年之前允許從天然氣水合物礦床中商業(yè)化生產(chǎn)甲烷。三年后，國會通過2000年的《甲烷水合物研究與開發(fā)法案》授權(quán)提供資金。機構(gòu)間協(xié)調(diào)委員會(ICC)由六個政府機構(gòu)組成，一直在推進多個方面的研究。我們對甲烷水合物基礎(chǔ)科學(xué)的了解 - 它是如何形成的，在哪里形成以及它在海底穩(wěn)定和全球變暖中發(fā)揮的作用 - 都來自ICC的研究。

　　關(guān)于如何有效地從水合物中提取甲烷的有趣想法也正在出現(xiàn)。一些專家提出了一種技術(shù)，其中礦工將熱水泵入鉆孔以融化水合物并釋放被困的甲烷。當(dāng)甲烷逸出時，它通過一個伴隨的鉆孔被泵送到海底。從那里，海底管道將天然氣輸送到岸上。不幸的是，這種管道需要在困難的水下地形上行駛。一種解決方案是在海底建造一個生產(chǎn)設(shè)施，使其位于水合物礦床附近。當(dāng)甲烷從加熱的沉積物中逸出時，工廠的工人將重新凍結(jié)氣體以形成“清潔”的甲烷水合物。然后潛艇將把冷凍燃料拖到巨大的儲罐中，到較淺的水域， 甲烷可以安全有效地提取和運輸。

　　這一切都有必要嗎?可再生能源不會讓如此積極地追求另一種不可再生的化石燃料成為浪費時間嗎?實際上，在未來幾十年里，化石燃料仍將是世界整體能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。根據(jù)美國能源信息署(EIA)的數(shù)據(jù)，美國天然氣總消費量預(yù)計將從今天的約22萬億立方英尺(0.622萬億立方米)增加到2030年的約27萬億立方英尺(0.76萬億立方米)。同期全球天然氣消費量預(yù)計將增加到182萬億立方英尺(5.15萬億立方米)[來源： 環(huán) 評].利用鎖定在水合物中的甲烷顯然將在滿足這一需求方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　這意味著甲烷水合物的冷凍燃料可以爭取更多的時間，因為科學(xué)家們正在尋找為我們的星球提供動力的替代品。將其視為我們向更清潔、更綠色的能源過渡的重要墊腳石。