去年八月的一个早晨，蒙特雷湾水族馆研究所的深海机器人“道克·里基茨”号在加利福尼亚州北部海岸外1812米深的冰冷海水中四处窥探。它在一个长2000米、厚60米的椭圆形土堆上滑行，土堆的某些地方覆盖着一层薄薄的卡其色沉积物。来自机器人水下摄像机的视频突然显示出看起来像脏污但仍然发出光芒的白色雪堆——类似于在犁过的停车场边缘发现的那种，除了周围的蛤蜊和鱼。这个发光的壁架表明，土堆含有甲烷水合物，这是一种冷冻水晶格，将甲烷气体分子捕获在冰冷的笼子中。如果你抓起一把雪球状的物质，你可以点燃它。
像这样的露头只是冰山一角。大多数甲烷水合物矿藏都埋藏在海床下方的沉积物中，位于寒冷深海的底部。这些矿藏的总量非常巨大，科学家们发现它们潜伏在各处，在每个大陆的边缘。最新的估计表明，全球范围内，海底的甲烷水合物所含的碳至少与地球上所有煤炭、石油和天然气储量一样多。然而，很少有矿藏被详细研究过。
这次为期11天的考察的目的是探测大型水合物和沉积物土堆，这是一项棘手的操作。遥控机器人配备了机械臂，通过缆绳连接到研究船“西式飞行者”号。当图像出现在船上小型控制室的20个视频屏幕上时，该研究所的资深科学家、海洋地质学家查理·保尔高兴地咯咯笑起来。来自该研究所和美国地质调查局的十几位科学家与保尔、我和其他人一起挤在房间里，坐在旧飞机座椅和翻倒的塑料桶上。所有这些头脑和设备都将集中在土堆的秘密上：它是如何形成的？它的甲烷来自哪里？它是10年前开始从海底出现的，还是已经生长了一百万年？
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该团队正在寻求可能有助于解决更大问题的基本信息。最近的一项地质调查表明，仅美国本土48个州海岸附近的水合物就蕴藏着相当于该国目前消费率下2000年的天然气供应量。如果公司能够开采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“地球号”成为首艘从海底水合物中提取天然气的船只。但是，如果海洋变暖破坏水合物的稳定性，使其释放甲烷，甲烷通过水向上进入大气层，那么这种气体可能会加速气候灾难。在一个世纪的时间里，甲烷的全球变暖能力是二氧化碳的20倍。甲烷水合物是能源领域的下一个重大事件还是下一个重大的环境担忧？像保尔这样的科学家正在努力寻找答案。
冰冷的黑匣子
保尔是一位身材高大、留着宽阔白胡须、带着罗德岛口音的人，他从1970年代开始研究水合物，当时水合物主要被认为是石油工业的麻烦，因为它们的冰晶会堵塞深水井中的管道。如果你问他关于水合物的问题，他几乎总是以一连串的事实开始，语气肯定，但当他谈到他不知道的事情时，最终会痛苦地皱起眉头。在他的职业生涯中，水合物已经从深奥的奇物变成了地球碳系统中潜在的巨大参与者，这使得它们更加神秘。曾经，每次看到甲烷水合物都很令人兴奋，但“现在的问题是：哪里没有它们？”保尔说。
大约1%的甲烷水合物实际上位于陆地上，夹在地球两极附近的永久冻土层中。其余大部分存在于所谓的“水合物稳定带”中，在至少300米深的海水下的低温和高压下。在那里，巨大的晶体网络饱和了厚达1000米的沉积层。在超过1000米的沉积物之下，甲烷只是以气体的形式存在，被地球更深处的内部加热。水合物不断形成，但不可预测，在沙粒之间的一些孔隙空间中变成固体，而在另一些孔隙空间中保持流动气体。科学家们不确定为什么在特定位置会盛行特定状态。
确定水合物的魔鬼般细节——为什么它们在气态和固态之间波动，或者它们在一个地方保持甲烷的时间有多长——对于任何试图开采其能源的人来说至关重要。随着成功测试的出现，这些问题变得更加紧迫。“地球号”钻入富含水合物的沉积物，然后从周围区域抽出水。去除水降低了局部压力，这导致甲烷从其在沉积物中的冰晶格中解离出来。气体从井中流出持续了五天半。
日本在开发水合物作为能源的小规模但意义重大的国际竞赛中处于领先地位，去年在研究上花费了1.2亿美元。2010年，美国投资约2000万美元，但到2013年，这一数字已降至仅500万美元。德国、台湾、韩国、中国和印度都有小型研究项目，石油公司壳牌和挪威国家石油公司也是如此。尽管这些支出很大，但与全球石油工业仅在2011年在研发上花费的数十亿美元相比，就相形见绌了。
对于一个在能源进口方面苦苦挣扎，并且仍在清理福岛核灾难的国家来说，日本海岸附近蕴藏的大量甲烷使其开采具有吸引力。美国人不太有动力探索水合物作为能源，因为美国已经充斥着廉价的页岩气，这使得水合物相比之下显得非常昂贵。加拿大也富含水合物，但出于类似原因，于2013年放弃了其研究计划。
如果存在开采甲烷水合物的“杀手级应用”，那将是一个稳定其结构、隔离开采将释放的温室气体并提供燃料的系统。2012年，来自美国地质调查局、美国能源部、康菲石油公司、日本和挪威的研究人员团队试图做到这一点。他们将二氧化碳和氮气（以防止结冰）的混合物泵入阿拉斯加北坡被永久冻土覆盖的水合物中。希望CO2能够挤出甲烷并取而代之，被困在冰晶格中以保持水合物结构的完整性。
甲烷从测试井中流出一个月，但研究人员无法确定CO2是否已取代甲烷。“概念很简单，但自然界更为复杂，”美国能源部国家能源技术实验室水合物技术经理雷·博斯韦尔说。博斯韦尔说，来自测试的数据揭示了“地下一个混乱的黑匣子”。尽管取得了相对成功，但康菲石油公司已重新分配了参与其中的员工。美国能源部正在寻找新的行业合作伙伴以继续进行实验。
对于保尔来说，该实验反映了我们对水合物行为的有限理解。2010年，他领导了一个美国国家科学院委员会，审查了美国能源部关于甲烷水合物作为能源资源的工作。该小组的结论是，工程师可能可以克服从水合物生产燃料的技术挑战，但在就是否继续进行做出明智的决定之前，仍有许多科学、环境和工程问题需要解答。与石油矿藏不同，水合物本质上是不稳定的且难以绘制地图，并且它们对周围生态系统的影响知之甚少。“我认为我们对以环境友好的方式开采它们意味着什么了解不足，”保尔说。
困在冰冻的机场休息室
了解水合物变化无常、不可预测的性质对于确定它们是否可以可靠地开采以及它们是否可能加剧地球变暖至关重要。
例如，仅仅触摸水合物就会导致它们从固态变为气态，从而毁掉实验。出于这个原因，保尔告诉“西式飞行者”号船员，在潜水结束之前避免戳冰冷的露头。当机器人滑过浑浊、绿色的海底时，土堆像巨大的水泡一样升起，某些地方有小麻点，就好像有微小的陨石撞击过它一样。保尔怀疑这些麻点是水合物碎片脱落的地方，可能只是被鱼轻轻一碰就脱落了。无论在海中何处发现矿藏，都可以看到脆弱的水合物雪片向上漂浮，后面跟着气泡——就像彗星被尾巴拉向海面一样。
水合物在整个稳定带中不断解离和形成。在一次潜水中，“道克·里基茨”号上的声纳定位到一股从土堆中冒出的气泡流。保尔想知道这种气体是在地球深处的热厨房中形成的，类似于天然气和石油的生成地，还是由沉积物中漂浮的有机物碎片微生物群生物产生的。几乎所有矿藏都含有来自生物来源的气体，有些含有来自热成因来源的气体；了解混合物可以帮助确定土堆是如何形成的以及下面是什么。保尔让飞行员将机器人降低到气泡的来源，这是一个昏暗的裂缝，周围环绕着蛤蜊，这些蛤蜊消耗利用化学合成生活的细菌——将甲烷转化为能量。
船员将“道克·里基茨”号降落在露头上，摄像头立即显示出一只螃蟹栖息在气泡附近，拼命地用蟹钳将气泡挥舞到嘴里。由于水温只有两摄氏度，而且压力巨大，气体迅速形成小水合物晶体，在螃蟹的口器上结了一层可笑的白色胡须，破坏了它吃掉气泡的企图。船上的一位生物学家说，经常发现螃蟹试图吞噬甲烷气泡，即使这些生物似乎没有从中获得任何营养。
为了避免与螃蟹遇到同样的问题，该研究所的工程师将一个加热装置连接到一个通向采样瓶的漏斗上，所有这些都可以由机器人操纵。即便如此，船员们还是需要在接下来的几天内进行几次潜水才能获得足够的样本来确定其中热成因气体和生物成因气体的混合比例。
保尔还想弄清楚土堆的年龄，以了解它形成的有多快。船员将“道克·里基茨”号降落在土堆的一侧边缘，并操纵其机械臂，通过将专门设计的管子向下推入土堆来采集岩芯样本。在某些地方，机器人很容易将管子驱动到冰冷、泥泞的沉积物中。在另一些地方，管子卡在可能是冰或另一种坚硬物质（如碳酸钙）的壁架上。
在工作过程中，机器人LED灯中出现了诡异的亮蓝色气泡。在控制室里，美国地质调查局地质学家托马斯·洛伦森认为这些气泡可能是石油。来自海底石油和天然气储层的渗漏是海底持续不断的自然石油泄漏。美国国家科学院2003年发布的一份出版物估计，每年有6.8亿升石油渗入世界海洋。这些渗漏支持着大量的蛤蜊、蠕虫和其他生物，这表明如果要开采水合物作为能源，确定什么是健康的环境将是多么困难。
一旦两米长的岩芯样本被存放在“道克·里基茨”号上，船员们花了一个小时才将机器人及其缓存拉回船上。当载具通过船体上的滑动气闸进入时，它带来了一股浓烈的石油和臭鸡蛋味。研究人员将一些样本放入冰箱以供以后分析，并在船上处理了其他样本。泥泞的岩芯类似于巧克力蛋糕糊，由于溶解了如此多的气体而冒着气泡。
保尔和他的团队开始快速处理较小的岩芯，将它们倒出到托盘中，以测量每厘米的沉积物并确定其沉积时间。我面前的泥浆是一个狂野的微生物派对的现场：寒冷的沉积物包含许多不同的微生物，它们产生甲烷、消耗甲烷并交换硫和氧分子。水合物地层，无论多么巨大，都只是海底以下沉积物中的甲烷和上方海水之间的中转站。洛伦森将这个空间比作“机场的过境休息室”，每个人都在等待起飞的机会。
莱斯大学的地球科学家杰拉尔德·狄更斯将全球范围内的水合物描述为甲烷的巨大存储电容器，甲烷上升到沉积物中或在沉积物中产生——储存气体，然后逐渐将其释放到海水中，并有可能释放到大气中。我们不知道的是这个电容器的作用速度有多快——水合物在休息室等待多久才出现。气体可能会等待长达七百万年，也可能会相对快速地释放出来，这可能会加剧全球变暖。
不确定性增加的是，研究人员不确定电容器中实际有多少水合物处于待机状态。2011年，狄更斯引用了各种论文，得出了170至12,700千兆吨碳的估计值，这个范围很广，说明了极大的不确定性。该估计值的上限意味着甲烷水合物可能比所有其他已量化的化石燃料储量（通常估计为4,000千兆吨碳）多出三倍以上的碳。
甲烷海啸
作为电容器，水合物还可以一次释放大量能量，这既引起了能源研究人员的关注，也引起了气候研究人员的关注。由于水合物具有强大的浮力，因此在受到扰动时可能很危险。一立方米的水合物在环境温度和压力下膨胀为164立方米的甲烷气体和0.8立方米的水。当地震摇晃水合物时，膨胀会引发滑坡，从而导致海啸。这种多米诺骨牌效应被认为是造成Storegga滑坡的原因，Storegga滑坡引发的海浪在8100年前袭击了现在的英国，以及1998年在巴布亚新几内亚造成2000多人死亡的Sissano海啸。
对于任何试图开采水合物以获取能源的人来说，防止此类地质灾害将是一个挑战。传统的石油和天然气是通过钻穿岩石到达密封的地下储层来生产的。但是水合物中的甲烷是固体，必须改变相变为气体才能提取，这会使整个结构处于运动状态。
更广泛的地球行星担忧是甲烷解离后会去哪里。如果甲烷进入大气层而不是被海水吸收，则可能对气候产生巨大影响。我有机会观察到一块水合物在水柱中上升。在一次潜水中，机器人从1800米处的露头上取下了一块甜瓜大小的水合物冰块，并努力将这个漂浮的肿块放入网袋中，这种令人沮丧的舞蹈被一位观察员描述为“反重力篮球”。当我从控制室观看时，球体在深水中大部分保持完整。但是，当机器人上升到稳定带上方时，更多的气体解离出来，网袋被一层薄雾状的气泡遮蔽了。当机器人最终到达水面时，水合物的体积只有几汤匙。
在甲板上，洛伦森迅速将消失的样品浸入液氮中以供以后测试。他还点燃了一小块水合物，并递给我另一块碎片让我吃。它在我的嘴里发出嘶嘶声，味道就像你期望的碳氢化合物冰糕一样令人倒胃口，除了几乎带有薄荷味的芳香后味。
那次狂野的向上之旅可能为有多少甲烷可能逸入空气提供了线索。蒙特雷湾研究所的海洋化学家彼得·布鲁尔使用X射线断层扫描技术检查了上升的水合物。他发现水合物从外部和内部解离。另一项实验表明，气泡形成了薄薄的水合物“皮肤”，就像乒乓球一样，它们在上升过程中不规则地发出嘶嘶声和爆裂声。布鲁尔说，解离的物理和化学性质的揭示将有助于研究人员确定它在水柱中发生的地点、它如何被海洋微生物消耗、通常有多少（如果有的话）到达水面以及预计有多少会进入大气层。
确凿证据
这些见解可能有助于解决科学家们十多年来一直争论不休的一个问题：海洋变暖是否可能引发甲烷的大量释放，以及这种排放是否会超出海洋吸收它的能力。早期的一种理论称为“笼形水合物枪”假说，该假说认为水合物会积聚，然后在数千年的周期内灾难性地释放甲烷。化石记录并未证实这种周期性情景，但仍然有可能，来自水合物的大量一次性甲烷释放可能导致地球在最高温度时期——5500万年前的“热最大值”——快速变暖。
相比之下，芝加哥大学的大卫·阿彻的模型表明，在数千年内，水合物可能会持续释放甲烷，从而导致全球变暖的巨大变化，其中气温升高将导致一些水合物在海洋中氧化成CO2，从而延长变暖趋势。
被困在北极陆地永久冻土下的水合物，以及那些淹没在近海浅海下的水合物，可能构成更紧迫的威胁。2013年11月，由阿拉斯加大学费尔班克斯分校的娜塔莉亚·沙科娃领导的一个团队估计，东西伯利亚北极陆架每年向大气中排放1700万吨甲烷——是先前估计的两倍。沙科娃发现，从仅50米深的海水中被永久冻土覆盖的水合物矿藏中升起了大量甲烷气泡。在该地区频繁发生的风暴期间，这些气泡似乎直接与大气混合。在进行更多研究之前，没有人能确定这种动态是否发生在整个北极地区，甚至无法确定甲烷主要来自水合物还是永久冻土。这又是我们理解中的另一个“黑匣子”。
在船上的工作带来了更多的神秘感。在我登船的最后一天，保尔一直在“西式飞行者”号的大型湿实验室里摆弄小岩芯样本，等待稍后来自美国地质调查局对长长的冷冻岩芯的分析结果。保尔认为我们在土堆顶部看到的沉积物可能是最近才形成的——他可以通过扫描仅在1945年后才出现的滴滴涕的痕迹来确定这一点。然而，沉积物向上推挤并使海底起泡的事实表明，它们可能已经积累了大约10,000年——在地质时间尺度上仍然相对较新。
后来，洛伦森送到科罗拉多矿业学院的冷冻水合物碎片分析显示，土堆不仅包含自身的甲烷，而且还覆盖了其下的储藏系统。科罗拉多州的研究人员发现了多种碳同位素，表明水合物是由两个不同的深层热储层和两种来自微生物的气体形成的。
这种模式意味着气体已经从地球地壳深处一个以前未知的厨房向上流动，从一个较浅的厨房中拾取了另一种气体，然后蜿蜒穿过沉积物以拾取生物成因气体，包括一种由微生物将轻质石油加工成甲烷而形成的气体。洛伦森感到惊讶：“这指出了石油和天然气迁移的复杂性。[石油和天然气的迁移]。我们不了解所有主要的参与者在下面做什么。”
在试图测量一个土堆时，机器人偶然发现了下方一个更大的世界。我们的土堆是一个相对较小的软木塞，挡住了大量的甲烷和石油。事实证明，甲烷水合物并非简单的问题，即它是能源的祝福还是气候的诅咒，而是提出了关于全球系统如何运作及其时间框架的更大的难题。科学家需要回答这些问题——对基础地球科学进行更大的投资——才能理解这种神秘物质如何将地球过去生命中的碳与地球的未来联系起来。