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存在于海底低温高压环境下形成的甲烷被水合物结构包裹的特殊物质形式。由于估算其储量惊人，正在成为世界各国竞相研究的对象。近日日本的一项重大技术突破再次引起了人们对这一话题的关注。
日本未来的能源希望
这一时间表的迅速程度超出了绝大部分研究者原先的预计。尽管学界之前就已经基本达成共识，那就是埋藏在近海大陆架以及北极冻土地带的甲烷水合物可能是地球上最大的有机燃料储备，但是仍然低估了这一资源被纳入实际开发的进度之快。有一个经常被引用的数据是，全世界范围内的这一资源储量约相当于70万万亿立方英尺(约合1.98万万亿立方米)天然气，这一数量超越了地球上所有石油，煤矿以及其它天然气储量的总和。然而这种在高压低温环境下生成的物质中甲烷并不是自由的，而是被以络合物的形式束缚的。
由于甲烷是一种强烈的温室效应气体，其导致温室效应的能力要比二氧化碳高出25倍以上，因此很多人对甲烷被无节制地释放进入大气的前景心存疑虑。不过使用甲烷燃料也将同时降低碳排放量，因为它部分替代了煤炭的燃烧。作为全世界开展甲烷水合物研究技术领先的国家之一，美国政府在去年甚至还曾试图寻求用甲烷的使用来部分替代并减少二氧化碳的排放量。
但在全世界范围内，可能没有哪个国家在甲烷水合物方面的研究力度能跟日本相比。作为一个迄今为止都没能在自己的本土找到可开采的化石能源的贫瘠岛国，甲烷水合物是日本未来能源的希望所在。在2011年福岛核电事故之后日本社会对核电的质疑大幅上升，这一事故直接导致日本境内全部54座核电站被关闭。此后日本不得不加大了对国外进口天然气能源的依赖性，因为此前这些核电站提供的电力占到了全日本用电量供应的30%以上。有鉴于此，以及这种能源短缺引发的强烈危机感，此次在日本中部爱知县外海成功开采到可燃冰资源对于这个国家而言无疑具有重大意义。日本石油天然气金属矿物资源机构(JOGMEC)发言人川本高见表示：“日本终于拥有‘属于自己的’能源资源了。”
美国阿拉斯加北部冰原，一座钻塔矗立在此。这是一项在2012年得到美国政府资助的野外研究项目，名为“Iġnik Sikumi”钻井，其使用所谓“气体交换”技术获取这里的甲烷水合物资源。在当地因纽特人语言中，这口钻井的名字意为“冰中之火”。这是一个实验装置，其设计目标是尝试用一种气体来置换另一种气体：研究人员将二氧化碳排入地下，从而置换出那里的甲烷气体。
这项技术一旦实验成功，其巨大意义将是不言而喻的：它将让人们得以减少对大气中最主要的温室气体二氧化碳的排放量，并在此过程中开采地球上最大的燃料资源。因此这项方案是值得进行投入和尝试的。
美国康菲国际石油公司甲烷水合物项目主管戴维·斯科德贝克（David Schoderbek）表示，根据化学热力学，研究人员认为这种络合物结构对二氧化碳的亲和度应当会高于甲烷。自2003年以来，戴维一直在与挪威的卑尔根大学合作开展相关的可燃冰研究项目。
这口井目前的产量并不惊人：大约每年80万标准立方英尺（约合2.265万立方米）天然气，这大约只能满足14户美国家庭的用气量。然而此次康菲石油在阿拉斯加的这片冰原上进行的这项实验的确是经历数年实验室研究之后迈向野外实际测试的第一步，这是一项里程碑。
美国联邦能源部国家能源技术实验室甲烷水合物项目主管雷伊·博斯威尔（Ray Boswell）表示：“最终，这些看似具有商业应用前景的方案都将会在毫无遮挡的野外环境下进行实际应用。因此面对这些看似有前景的技术，你都必须将其放到野外经受实际测试的考验。”他表示美国能源部的目标是测试不同技术方案下甲烷水合物的反应，以便改进和提升最终方案的效率和有效性并达成整个过程零碳排放的目标。
2012年春季的一次海底考察行动，在墨西哥湾海底拍摄到的一处可燃冰隆起，在摄影师的镜头光线下发出诡异的亮光。这种在特殊环境条件下形成的产物不仅引起了能源开发者的注意，还引发了研究地球环境演变史的科学家们的强烈兴趣。
地球的持续变暖会不会造成这些海底甲烷冰的融化和甲烷气体的释放？如果是这样，那么这将引起一种变暖效应引起更进一步变暖的恶性循环，因为甲烷的温室效应强度是二氧化碳的25倍之多。
美国联邦地质调查局（USGS）表示，大规模的海底甲烷释放发生的可能性并不大，尽管现在在环北冰洋海区大陆架浅海海底的永冻土已经开始由于温度上升而发生局部的气泡释放。该机构表示仅有约1%不到的甲烷冰存在于永冻土中，而绝大部分（95%以上）的甲烷冰则存在于1000米以上的深海海底。在如此高的水压环境下，在千米深的水下，即便未来全球气温真的持续上升，这些甲烷冰预计也将保持稳定。
然而这些隐藏在海底的甲烷冰仍然引起了气候研究人员的高度关注，原因是他们在钻取的冰芯中提取到了地质历史时期的全球温度和大气成分信息。他们注意到历史上地球的大气成分中出现的甲烷含量升高和降低与全球的突然降温或升温过程之间存在紧密联系。科学家们已经找到了甲烷含量与二叠-三叠纪生物大灭绝之间联系的证据。此次灭绝大约发生在2.5亿年前，当时地球上大约90%的物种消失；科学家们也找到了甲烷含量与另一次重大地质历史事件——古新世-始新世极热期之间的关联，这是一个发生在大约5600万年前的一次全球气候异常温暖时期，这种异常的炎热气候造成瘟疫蔓延，干旱和洪水频发，大量生物灭绝。一个名为“甲烷水合物枪假说”的理论认为在地质历史时期地球洋底下的甲烷水合物曾经经历过反复的大规模释放和重新固结埋藏的过程。而另外一些研究则认为地质历史时期的甲烷水合物一直以来保持着稳定状态，即便是在地质历史上异常高温的时期也是一样。
但即便大规模快速的甲烷释放的确不会发生，缓慢的甲烷释放仍然将造成严重后果。它可能导致海水的酸性增加，并加剧水体缺氧。一些研究试图对这种影响效应进行定量化研究，将洋流，以及洋底沉积物中微生物对甲烷的消耗等因素都考虑进去。
只有在适当的环境条件下自然界中才会产生甲烷水合物，一种被冰晶封闭起来的燃料。这样的环境条件首先是必须极度地寒冷和潮湿，并且需要相对较高的压力环境，当然，还要有充足的甲烷供应。甲烷是最简单的碳氢化合物，其由一个碳原子外加四个氢原子构成。甲烷是当有机物在缺氧环境下受热或微生物作用下分解时产生的产物。博斯威尔表示：“甲烷水合物非常不同寻常。”甲烷本身在化学上看并没有和水冰结合在一起，而是被冰晶的网格状结晶结构封闭在了内部。
美国政府资助的康菲石油在阿拉斯加冰原上开展的实验中心思想是试图利用二氧化碳去置换掉这些被困在冰晶结构中的甲烷，因为实验室研究已经证明似乎这种晶格结构与二氧化碳结合时的稳定性要高于与甲烷结合时的稳定性。因此如果它更倾向于与二氧化碳结合，那么它应该就会释放出其内部封闭的甲烷。
当然博斯威尔也指出这种过程机制都是原子层面的，我们并不能亲眼看到，而只能推测或利用模型进行研究。他说：“事实上没人说得清这就究竟是如何进行的。难道是这个晶格结构的顶部向一扇小门那样打开放出甲烷分子并换取二氧化碳分子？还是说整个晶格结构会彻底崩塌成为液态水然后再重新凝结形成晶体？我不认为我们已经了解了其中的机理，我们只知道它就是会这样发生。”
墨西哥湾1400多米的深海海底，一大群冰虫正爬行在一片可燃冰表面，看上去几乎让人误以为是在外星世界。这张照片是由一台无人遥控深潜器拍摄的。
这些奇特冰虫的身体长度大约为2~4厘米，它们依靠甲烷水合物中生长的细菌为食。这些细菌则以甲烷水合物内部包裹着的硫化物为食，它们可以将硫直接转化为能量。这种化学合成细菌构成了深海生态食物链的基础，这里完全没有阳光，因此不存在基于光合作用的生态系统。
当这些冰虫在甲烷冰表面到处爬行时，他们帮助细菌从被搅动的海水中获得营养并造成水合物冰的局部融化，形成照片中所看到的那种扇贝形凹陷。
这张照片是由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）下属的奥肯诺斯探索者（Okeanos Explorer）深潜器拍摄的。科学家们此行的目的之一是测试声呐在探测洋底甲烷方面的可靠性。由于洋底埋藏的油气资源中不断有气体渗出形成水泡，可以用声呐尝试进行探测。在此之前科学家们在进行此类勘探时都不得不使用一种更加原始而不太可靠的方法，那就是寻找洋底海床上在外观上看起来似乎和甲烷水合物相似的物体。除了能用于进行探测工作之外，这项技术方案还将有望帮助科学家们估算渗透进入海水中的甲烷的量究竟有多大。
日本，一名研究人员点燃一小块可燃冰。早在19世纪初，科学家们便已经发现气体在低温环境下有时可以被封闭在冰晶结构之中。但是他们并不知道在实验室之外的自然界中竟然真的能存在封闭于冰晶之中的甲烷资源。
到了20世纪30年代，随着大规模输气管道的铺设工作逐渐展开，科学家们发现在一些低温区域，气体形成了水合物，阻碍了管道中气体的流动。为此，科学家们进行了大量实验和研究工作以便阻止管路中的天然气形成水合物。
但是直到1960年代人们才第一次在自然界中发现甲烷的水合物，地点是在苏联西西伯利亚的米苏雅卡气田（Messoyahka gas field）。近10年之后，美国也在该国的阿拉斯加地区发现了甲烷水合物。当随后在中美洲危地马拉海岸外进行的深海钻探发现大量纯净的甲烷水合物之后，人们逐渐意识到这种资源可能是分布非常广泛的。1995年，美国地质调查局针对美国境内的甲烷水合物资源进行了一次全面评估，结论是认为这种资源的储量远远超过了其它传统能源的储量总和。
到2012年年末，美国内政部海洋能源管理局估算认为美国大陆近海大陆棚区域埋藏的甲烷水合物储量约为51338万亿立方英尺（约合1453.7万亿立方米）这一数字相当于全美所有传统天然气储量规模的27倍以上。
2002年，一个由日本和加拿大，美国等牵头的国际委员会在加拿大北极地区试验场成功展示了这些水合物中是可以成功分离出甲烷气体的。
然而尽管听上去这种潜在能源的储量惊人，但是目前能够被纳入实际开采范围的数量却极为有限。美国康菲石油的斯科德贝克表示：“问题之一就在于这种资源是非常分散地散布在广阔大洋洋底的。不但开采的难度很大，它们的聚集规模也太小。”
此前康菲石油和美国能源部之所以选择在阿拉斯加北部进行开发甲烷水合物的技术尝试也是因为这里的这些资源都蕴含在多孔的砂岩之中，从而使其拥有较大的聚集规模。
2012年，美国能源部在全美11个州选择了14个新的研究项目开展针对甲烷水合物的研究工作。能源部表示目前他们还需要进行更多的研究工作来证明在环境不受影响的情况下进行甲烷水合物商业开发的前景。
美国政府资助的阿拉斯加“Ignik Sikumi”实验井项目上空突然窜起一股巨大的火苗，标志着这一甲烷水合物开采野外实验项目的成功。研究人员们必须抓紧冬末春初的一小段短暂的适宜时期迅速搭建实验设施并开展工作。每隔一年就要开展两次野外作业，准备工作，钻探，然后从钻井中取出找到的甲烷水合物。他们使用的技术主旨是使用二氧化碳去置换地下被冰晶包裹的甲烷成分。
在2011年年初，这个拥有70名工作人员的小组在阿拉斯加的冰原上打了一口深达半英里（约合805米）的钻井，并使用低温液体不断对钻头进行冷却，以将作业过程对这里的永冻土造成的破坏作用降到最低。那一年研究组并未能找到甲烷水合物，但是他们在作业过程中收集了这一地区的岩石和流体的性质数据。随后他们建立起一座装备了温度和压力探测仪表的新钻井，并封闭了井口。
当2012年小组返回营地之后他们又立即动手整理出了另一片场地，随后他们重新打开2011年时钻探的那口钻井并向其内部注入二氧化碳和氮气的混合气体，这种气体加注持续进行长达两周时间。在对钻井进行重新调整之后，他们安装了深入钻井内部的泵来向外抽气，以便造成井内压力骤减，在这种减压作用下，甲烷水合物失去稳定，释放出甲烷气体。由于现场没有存放甲烷的管路设备，于是技术人员便点燃甲烷气体，形成一股喷涌的火焰。这样做不但可以保护现场工作人员，也可以减少大气污染，因为没有燃烧的甲烷具有强烈的温室效应作用，其温室效应比二氧化碳要高出25倍以上。
这一口测井内的甲烷气体一直持续涌出，直到2012年4月份整个试验项目结束，这让其成为有史以来持续时间最长的甲烷水合物提取野外实验项目。在此之前的记录仅仅持续了6天而已，当时是日本和加拿大等国家在加拿大北极地区开展的。美国国家能源技术实验室近日向公众公布了大量来自这项野外实验的数据。该机构还将继续推进相关研究以加深我们对甲烷水合物性质的理解并推进未来更多实验的开展。这项总耗资约2900万美元的项目中大约一半的经费来自美国政府，由该实验室与日本以及康菲石油等机构合作进行。
2012年，工作人员在阿拉斯加野外实验现场吊装二氧化碳吊舱，其中的二氧化碳气体将被输送到地下置换出那里的甲烷气体。
阿拉斯加的甲烷水合物储量相比深海海底的储量而言规模是很小的。但是在这一地区可以利用二氧化碳置换这种有利的技术。因为这里有道路设施，各种所需的设备以及相关的人员。
当然，任何事情有利也就会有弊。美国能源部的博斯威尔表示：“在这里遍布商业基础设施的地方开展钻探工作，需要大量的协调工作要做。”他说：“你正从事的实验是并无法立即实现商业化的，而其它那些可以让你长期进行这些实验工作的地点却都被商业化的石油开采项目占据了。”
这就是为什么科学家们不得不自己平整冰原，并在每年的短暂时间内开展工作。斯科德贝克说：“这里有时候温度会低至-40℃，在凌冽寒风中，实际的体感温度则可以低至-56摄氏度左右。”
2013年年初，一艘液化天然气船（LNG）正停靠在日本东京电力公司的一座电站能源码头。当时日本的能源进口量创下历史新高。甲烷是天然气的主要组成成分，作为燃料具有很多优点但是由于其在运输方面的困难，其应用一直受到限制。但是根据世界能源组织（IEA）的预测，天然气必将在未来的世界能源格局中占据更加重要的位置。
做出这一预测的一大原因来自美国，因为美国在该国的页岩中成功开采出来了大量的所谓“页岩气”并且依靠该国强大的管路系统进行输运。燃烧天然气释放的碳排放量仅有煤炭的一半，并且不会产生汞，硫和其它有害物质。因此其它国家也希望能分享美国的“页岩气繁荣”，或者在自己国内也尝试开采页岩气，或者就从国外进口天然气。
而如果能源界能最终找到方法利用甲烷水合物的话，它将让所谓的页岩气繁荣相形失色。根据美国地质调查局的报告，即便根据最保守的估计，全世界的甲烷水合物中所含的天然气储量也将相当于全世界每年消耗量的1000倍以上。
全球范围内天然气产量的大幅上升将会对气候产生影响。世界能源组织指出如果全世界范围内都极大增加对天然气的使用而不采取其它限制碳排放量的举措，那么全球温度还将继续上升超过2℃，这是各国此前一致同意必须避免达到的升温极限，因为这一升温幅度或将带来严重影响。丰富的天然气资源不但将导致对传统煤炭的打压，还将对那些不产生碳排放的发电产业造成冲击，如核电站等。
事实上，作为甲烷水合物研究领域的世界领先国家，在其遭遇东北大地震并随之关闭全国的核电站之后便已经开始用天然气来部分替代核电站停转后留下的电力需求空当。初步勘测结果显示，在日本近海进行的为期六天的勘探中共采出12万立方英尺（约合0.34万立方米）的天然气，这是一个很不错的成绩，它点燃了日本能达成国内能源自给的希望曙光，因为这一产气量已经一举超越了过去30年间美国政府在阿拉斯加进行的采气实验。
科学家们表示，今年他们将尽最大努力尽可能多的了解这种奇特的海底资源。博斯威尔表示：“能源是否安全，从哪里获得能源都将成为一个重要议题。”他说：“我们的目标是进行大量积极的科学研究，这样当有朝一日政府决定将甲烷水合物列入能源供应时，我们对其性质以及可能会产生的影响已经有足够的认识。”
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