西伯利亚亚马尔半岛的巨洞之谜

Daphane

來源: 新浪科技

新浪科技讯 北京时间12月4日消息，在北极圈的一个偏远半岛上，永久冻土层出现了一些巨大的伤口，某种让科学家担心的事情似乎正在地下爆发。　　在一场突然的爆炸之后，地面上留下了一个不规则的凹坑。在凹坑的边缘，是破碎的地面，灰色的冰混杂着永久冻土。植物的根暴露在坑洞边缘，显示出烧焦的痕迹。这一切让我们知道，这个位于西伯利亚北极区中部的坑洞在形成时经历了多么剧烈的过程。

这些坑洞是非常令人震惊的指示器，预示着在更广阔的北极地区正在发生的事情


　　从空中俯瞰，新鲜暴露的泥土在绿色苔原和周围黑色湖泊的映衬下，显得格外醒目。进一步观察可以发现，圆柱形坑洞内部的土层和岩石几乎是黑色的。当科学家来到洞口的时候，其底部已经形成了一个水池。
　　叶夫根尼·丘维林（Evgeny Chuvilin）便是最早来到这里的地质学家之一，他在俄罗斯莫斯科的斯科尔科沃科学技术研究所工作。在一个困扰他长达六年的谜团中，这个深约50米的坑洞可能最关键的部分之一。自第一个神秘坑洞在亚马尔半岛另一地点被发现以来，这个谜团就一直萦绕在他脑海里。

俄罗斯科学院石油和天然气问题研究所的科学家们在2020年8月对亚马尔的考察中访问了这个最新发现的巨洞


　　当时那个坑洞宽约20米，深约52米，是在2014年由直升机飞行员在其上空发现的，距离亚马尔半岛的博瓦年科沃（Bovanenkovo）气田约42公里。参观过该巨洞的科学家——包括研究西伯利亚永久冻土层已有40多年的地球冰冻圈研究所首席科学家马里亚娜·莱布曼（Mariana Leibman）——把它描述为永久冻土层的一个全新特征。后来对卫星图像的分析显示，这个坑洞（现在被称为GEC-1）形成于2013年10月9日至11月1日之间的某个时间。
　　2020年8月，一个电视摄制组在飞行拍摄时发现了这个最新的巨洞，当时他们正与俄罗斯科学院的一组科学家，以及亚马尔当地政府人员一起进行考察。这一发现使得在亚马尔半岛与邻近的格达半岛上已经发现的巨洞总数达到17个。
　　但是，究竟是什么原因导致永久冻土上出现这些巨洞，这些巨洞又是如何突然形成的，在很大程度上仍然是一个谜。它们对于北极的未来意味着什么，又将如何影响当地人的生活和工作，这些都是悬而未决的问题。在许多研究北极的科学家看来，巨洞的出现是一个令人不安的迹象，表明地球北部这片寒冷且人烟稀少的土地正在发生一些根本性的变化。


　　巨洞如何形成？

　　不过，最近的研究开始为这一现象提供了一些线索。可以确定的是，这些洞的形成并不是永久冻土在地表下融化和移动，从而逐渐下沉的结果；它们的形成来源于爆炸。
　　“当爆炸发生时，大块的土壤和冰块会被抛离爆炸中心数百米，”叶夫根尼·丘维林说，“我们所看到的是一种巨大的力量，来自于极高的压力。地下的压力为什么会这么高，这仍然是一个谜。”


为了进一步了解巨洞如何形成，科学家们深入到洞中采集样品


　　叶夫根尼·丘维林所在的俄罗斯科学家团队正在与世界各地的同行合作，他们一直在探索这些巨洞，采集样本并测量数据，希望更深入了解苔原下方的情况。
　　一些科学家将这些巨洞与冰火山进行了比较。冰火山存在于太阳系的冥王星、土星的卫星土卫六和矮行星谷神星等遥远天体上，不会喷发熔岩，而是喷发由水、氨、甲烷等挥发物组成的冰岩浆。然而，随着越来越多处于不同演变阶段的北极巨洞得到研究，这些巨洞又被称为“气体排放天坑”（gas emission crater）。从这一名称中，我们可以得到一些有关它们如何形成的线索。
　　叶夫根尼·丘维林说：“基于卫星图像的分析表明，在一个原本是冰皋（Pingo）或土堆的地方发生了一场爆炸，形成了一个巨大的坑洞。”。冰皋即冻胀丘，又称冰堆丘，是一类圆顶状的小丘。当一层冻结的地面被下方的流水推挤成堆，而后水流开始冻结，土堆就会膨胀形成冻胀丘。在俄罗斯，这种地貌也被称为“bulgunnyakhs”，源自当地的雅库特语。它们会随着季节的变化而消长。在加拿大发现的一些冻胀丘已经有1200年的历史了。然而，在北极的大部分地区，这些土堆最终往往会崩塌而不是爆炸。
　　很明显，西伯利亚西北部的这些土堆很不一样。叶夫根尼·丘维林解释道，它们膨胀得“非常快，能推升到数米高”，然后突然爆炸。而且，它们的推升并不是因为正在冻结的水，而似乎是由地下气体的堆积造成的。
　　“冻胀丘需要几十年的时间来形成，并且能持续很长一段时间，”研究永久冻土的北极生态学家、美国伍德威尔气候研究中心的北极项目主管苏·娜塔莉（Sue Natali）说，“而这些充满气体的土堆则是几年间形成的。”
　　在2014年发现的第一个巨洞中，科学家从爆炸的残余物中发现了灌木柳树的年轮。一项针对这些年轮的研究表明，这些植物自20世纪40年代以来就一直在承受压力。研究人员表示，这些压力可能来自于地面的变形。
　　“然而，有证据表明，气体排放天坑的生命周期可以非常短，从3到5年不等，”俄罗斯莫斯科国立罗蒙诺索夫大学的冰川学家亚历山大·基兹亚科夫（Alexander Kizyakov）说道。有卫星图像显示，2017年初夏形成的一个名为“SeYkhGEC”的巨洞早在2015年就开始使地面变形。


　　会爆炸的土堆

　　在距离亚马尔半岛不远的喀拉海海底，也发现了类似的与气穴排放有关的凹坑和土丘，在巴伦支海也发现了类似的痕迹。但苏·娜塔莉表示，到目前为止，在北极其他陆地上还没有发现类似的地貌。


在亚马尔半岛和邻近的格达半岛的热溶喀斯特湖中发现了许多坑洞，这张地图显示了7个坑洞的位置


　　亚马尔半岛和格达半岛的永久冻土很容易形成会爆炸的土堆。“那里的景观有一些独特的特征，”苏·娜塔莉说，“这个区域具有一层很厚的冰，称为平顶冰（tabular ice），相当于在永久冻土层上方形成一个覆盖层。这个地方也具有很多被称为湿寒土（cryopeg）的地貌，即未冻结土地被永冻层包围的区域，相当于永冻层夹层。第三个特征是沉积得非常深的天然气和石油储藏。”
　　埃尔库塔巨洞（Erkuta crater）是叶夫根尼·丘维林最近发现的一个坑洞，宽约20米，得名于其所在的河漫滩。这个坑洞似乎是在一个干涸的牛轭湖上形成的。湖泊消失后，其下方留下了一片未冻结的土地，称为居间不冻层（talik），气体便在这里积聚起来。但叶夫根尼·丘维林也指出，确切的天然气来源在很大程度上仍不清楚。“坑洞研究的关键问题是确定在永久冻土表面下所积聚气体的来源，”他说，“在坑洞出现之后，气体早就消失了。”
　　追溯这些土堆的演变以及气体如何到达那里，是目前研究的重点。苏·娜塔莉说：“有趣的是，可能有一种我们从未想象过，或以前未知的新型地球化学过程正在发生。”
　　研究人员勇敢地下降到坑洞内部，发现洞底部聚集的水中具有较高的甲烷含量，这表明甲烷可能正从下面冒出来。一个主流理论认为，这些埋藏在永久冻土层下方深处的甲烷气体找到了某种途径，从冰帽下方未冻结的凹坑中涌起。另一个观点是，在这些未冻结的凹坑中，随着水开始冻结，剩余的水就无法再留住溶解的高浓度二氧化碳，这些气体便开始以气泡冒出。
　　叶夫根尼·丘维林表示，甲烷和二氧化碳的另一个来源可能是在未冻结土地中蓬勃生长的微生物，它们会分解有机物并释放气体。在一个特别引人注目的坑洞中，研究人员进行了甲烷的同位素分析，结果似乎证实了这一点。但在最近形成的坑洞底部的湖泊中，产甲烷微生物的活性特别低——即使在发现它们的寒冷环境中也是如此。
　　不过，甲烷也可能从冰体中泄漏出来。气体会被困在永久冻土的水晶体中，形成一种奇怪的冻结物质，称为气体水合物。当气体水合物融化时，气体就被释放出来。
　　“我们认为可能存在不同的形成机制，这很难用单一的模型来描述，”叶夫根尼·丘维林说，“这在很大程度上取决于环境和景观。”他指出，至少有一个坑洞是在河床上发现的。
　　不管气体来源是什么，研究人员基本认为，气体会积聚在未冻结的地面凹坑中，将坚实扁平的冰帽向上推5到6米，直到它像疖子一样破裂。一些科学家发现，他们已经被亚马尔巨洞所吸引。“与这些坑洞相关的未知和风险让我着迷，”娜塔莉承认道。
　　当这些土堆最终爆炸时，景象看起来的确很壮观。充气凹坑上方的泥土和冰，连同未冻结部分的大部分物质，被抛向300米之外。这种力量是如此之大，以至于1米宽的土块都会被抛到外面，留下一个带有凸起边缘的大坑，其洞口宽大，下方是较窄的圆柱形巨洞——应该就是未冻结的凹坑。当地的驯鹿牧人报告称，2017年6月，Myudriyakha河岸边的一个坑洞发生爆炸后，他们看到了火焰和烟雾。在坑洞以南约33公里的Seyakha村，村民称气体持续燃烧了大约90分钟，火焰高达4到5米。


天然气和石油基础设施遍布西伯利亚西北部，博瓦年科沃气田（如图）距离其中最先发现的一个坑洞只有42公里


　　在这个人口稀少的地区，一场发生在如此接近定居点的爆炸引起了人们的关注。该地区还布满了石油和天然气基础设施的管道，试图获取埋藏在永冻土下的化石燃料。“我们还不知道这些事件是否会对北极地区的人们构成威胁，”苏·娜塔莉说道。她和同事们一直试图在高分辨率的卫星图像中寻找其他坑洞的迹象，以回答这个特殊的问题。
　　“一旦我们发现类似坑洞的东西，我们就会使用非常高分辨率的时间序列图像（不同时间在同一地点拍摄的卫星图片）来尝试弄清楚它们是何时形成的，”苏·娜塔莉说。他们的工作似乎表明，坑洞的数量要比之前认为的更多。“到目前为止，我们已经确定并证实了两个新的坑洞位置，还有几个位置我们仍在确认过程中。在我们的‘非常有可能’类别中，有二十几个候选即将退出。考虑到2013年我们对它们还一无所知，看来很可能还存在更多的坑洞。”
　　最终，苏·娜塔莉和她的团队希望能够收集到足够的数据，以实现搜索过程的自动化。他们的最终目标是创建一种算法，通过在卫星图像中寻找可能的排气土丘，在坑洞形成之前对其进行预测。
　　“我们希望在形成之前就能看到它们，”苏·娜塔莉说，“当这种情况发生在有人居住、有管道和其他天然气和石油基础设施的地区时，这是我们特别想知道的信息。”
　　就目前而言，要弄清这些坑洞究竟有多常见仍是一个缓慢的过程。这些在爆炸后诞生的坑洞，大多数可能很快就消失在荒原之中，比如在Seyakha村附近的爆炸事件中留下的坑洞——宽70米，深度超过50米——由于靠近河边，在短短4天内就装满了水。在一场剧烈事件之后，坑洞转变成了湖泊，这似乎是一个相当人畜无害的结局。
　　其他坑洞则需要更长的时间才能被水淹没，但在一到两年的时间里，洞口边缘会逐渐侵蚀，里面开始充满水，变得几乎无法与其他成千上万的小面积圆形湖泊——称为热溶喀斯特湖（thermokarst lake）——区分开来。我们仍不清楚这些湖泊中究竟有多少是“气体排放天坑”留下的痕迹。
　　“永久冻土中的一些湖泊很可能是被水淹没的排气坑洞，”亚历山大·基兹亚科夫说，“现在说这种湖泊形成机制有多普遍还为时过早。”一些研究人员试图通过测量特定湖泊中溶解的化学物质来确定以前的气体排放坑洞，但目前还未能发现任何模式。


　　更大的影响

　　了解这些事件究竟有多普遍不仅仅是出于好奇。越来越多的人担心，在西伯利亚西北部出现的巨洞可能与气候变化导致北极发生更广泛的变化有关。北极表面气温的上升速度是全球平均水平的两倍，这增加了夏季永久冻土层的解冻量。这本身也在改变北极的地貌，导致地面下沉和滑坡，即所谓的“热融滑塌”。西伯利亚拥有可能是地球上最大的热融滑塌地貌——巴塔盖卡坑，又称巴塔盖卡巨型塌陷（Batagaika megaslump），它从20世纪60年代的一个峡谷发展到近900米宽，被当地人称为“地狱之门”。
　　“据我所知，在这个星球上，没有其他任何一个地方的气候变化能像这样导致地面的物理结构发生变化，”苏·娜塔莉说。


这些巨洞的出现是非常壮观的景象，因为爆炸将泥土和冰抛出，留下一个深深的圆柱形空洞


　　大量的碳被固定在北极永久冻土层中，大约是目前大气中碳含量的两倍，主要以冰冻的植物和其他有机物质的形式存在，以及困在冰晶中的甲烷，即叶夫根尼·丘维林之前提到的气体水合物。随着地面解冻，微生物会分解有机物，释放出甲烷和二氧化碳等副产物，而困在冰晶里的甲烷也会释放出来。
作为一种强效的温室气体，从永冻土中泄漏出来的甲烷有可能加速全球变暖，从而导致更多的永冻土融化。但在亚马尔半岛，巨洞有可能会引发另一个过程，而这个过程会给气温上升、永久冻土融化和温室气体释放之间的复杂反馈回路增加更多的不确定性。如果最终发现，困在地下深处永冻层的甲烷沉积物开始从通常无法渗透的永冻层中向上渗出，可能预示着苔原上方的冰帽会变得更容易渗透。北极的变化可能会对全球变暖产生更广泛的影响，这可能会带来新的不确定性。
　　“这些坑洞是非常令人震惊的指示器，预示着在更广阔的北极地区正在发生的事情，”苏·娜塔莉说，“当你审视这个地区正在发生的变化，会发现有些是逐渐发生的，有些则会突然发生。很少会发生爆炸性的变化，但这些事件引起了人们对所有这些变化将如何影响大气中温室气体的关注。”
　　尽管亚马尔巨洞之谜仍有待研究，但迄今为止已经揭示的事实表明，这些坑洞有着重要的意义，未来人类应该更仔细地观察它们。