圖片來源:Sergey Buldovicz et al., 2018
2014年7月中旬,一架直升機正照常飛越俄羅斯西伯利亞西北部的亞馬爾半島。這里居民很少,大部分地面都覆蓋著多年凍土。但突然,飛行員在熟悉的綠色地面上,看到了一個突兀的黑色巨洞。隨后的實地調查顯示,這個洞的洞口直徑至少有30米,洞壁幾乎是垂直向下,底部被水覆蓋,不知道有多深。?
前往調查的研究團隊試圖將攝像機綁在繩子上觀察洞底的情況,發(fā)現這個洞至少有50米深——因為繩子只有50米長。站在洞口邊緣,“你都可以聽到地面塌陷的聲音和水流的聲音,這讓我感到一陣恐懼”俄羅斯北極科學研究中心的考古學家安德烈亞斯·普列漢諾夫(Andrei Plekhanov)說道,“它的邊緣正在慢慢融化并落入洞中?!?
研究團隊還發(fā)現,洞底空氣中的甲烷濃度也異常地高——高達9.6%,而正常情況下空氣中的甲烷含量只有不足0.0002%。?
我們都知道,多年凍土中貯存了大量的碳,其中不少以甲烷水合物的形式存在。2012年和2013年,這里剛經歷過異常炎熱的夏季,記錄顯示,2012和2013年這里比過去的平均氣溫高出了約5攝氏度。研究人員懷疑,隨著氣溫上升,多年凍土融化并塌陷,并釋放出了大量甲烷。然而簡單的凍土融化,似乎無法制造出這么大、這么深的洞。
一場爆炸?
自那以后,借助更多的實地探查和衛(wèi)星圖像,研究者發(fā)現了至少17個突然出現的巨洞。2017年6月,在亞馬爾半島的一個馴鹿牧民聚居地附近,傳來了震耳欲聾的巨響,當地牧民親眼目睹了不遠處劇烈的亮光和升起的煙柱??茖W家立刻趕到現場檢查,發(fā)現了一個新形成的巨洞。這個洞有大約50米深,洞口邊的土壤和草像是被燒焦了一樣,周圍還散落著大塊的冰塊和巖石。顯然,這里發(fā)生了一場劇烈的爆炸,“炸”出了這樣一個巨洞。?
衛(wèi)星圖像也展示了一些痕跡,其中顯示,2015年一處地面開始變形隆起,而在兩年之后,2017年初夏,同樣的位置出現了一個巨洞。
另一處巨洞的圖像對比(圖片來源:Sergey Buldovicz et al., 2018)
事實上,在其他有多年凍土分布的區(qū)域,也發(fā)現過類似的隆起,這種結構被稱為多年生凍脹丘(pingo)。這是局部的地下水結冰后體積膨脹,將地表推高形成的。然而在大部分地區(qū),這種結構需要幾十年的時間才能形成,而且形成后會隨著氣溫波動自然坍塌,從沒發(fā)生過這樣的爆炸。?
而另一個奇特之處在于,目前已經發(fā)現的十幾個巨洞全都分布在亞馬爾半島和相鄰的格達半島。這里都分布著多年凍土,但不同的是,亞馬爾半島和格達半島有著豐富的石油和天然氣儲層——亞馬爾半島上建設了俄羅斯最大的天然氣田之一??茖W家猜測,這些巨洞或許正與儲層中的甲烷等氣體有關——是氣體的積累讓這里發(fā)生了爆炸。
積攢“壓力”
為了解釋這個現象,一個來自俄羅斯的研究團隊曾多次前往“新鮮”形成的巨洞處考察。他們發(fā)現,這些洞通常都有幾十米深,并且洞壁幾乎垂直,像是曾有一個圓柱插在其中,然后消失了。從2018年到2021年,他們的猜測逐步成型,并將相關研究發(fā)表于《科學報告》(Scientific reports)和《地球科學》(Geosciences)等雜志。?
在他們的模型中,這些巨洞的形成與這里的熱喀斯特湖有關——雖然叫這個名字,但這些湖和喀斯特地貌并沒有什么關系,而是冰層或多年凍土局部融化后,在地表形成的湖泊。
北極地區(qū)典型的熱喀斯特湖(圖片來源:Evgeny Chuvilin et al., 2020)
由于表面熱喀斯特湖的保溫效果,湖水下方的地層會比其他區(qū)域溫度更高,因此會形成一片沒有凍結的區(qū)域。這片沒有凍結的區(qū)域就像三明治一樣夾在上方的湖泊和下方的凍土之間。?
但隨著湖泊面積縮小,下方的未凍結區(qū)域也隨之縮減,凍結往往是由外向內開始的,直到整個未凍結區(qū)域被包裹起來。在這個過程中,未凍結區(qū)域的壓力不斷增加,土壤和地下水中的氣體逸出,并積累在未凍結區(qū)域頂部,此時整個未凍結區(qū)域的形狀就像是一個圓柱。隨著氣體壓力不斷上升,當超過上覆沉積物的極限時,爆炸就發(fā)生了——上層的氣體和水逸出,只留下了圓柱形的洞壁。
爆炸前凍土與熱喀斯特湖的變化,圖中深藍色部分代表凍土,橙色部分代表湖泊下方未凍結的地層,黃色部分代表析出的氣體。(圖片來源:Sergey Buldovicz et al., 2018)
一個形象(但有些惡心)的比喻是,我們可以將這個過程大致比作“擠痘痘”。隨著周圍皮膚分泌的油脂不斷在皮下累積,表層皮膚就會隆起形成“痘痘”,而當痘“長熟”之后,頂部就會爆開,留下一個巨大的毛孔。
爆炸形成巨洞的過程(圖片來源:Sergey Buldovicz et al., 2018)
被削弱的凍土
這個過程會比pingo的隆起與坍塌快得多,似乎也能解釋這些巨洞的形態(tài),但還存在一些問題。例如,科學家依然不能確定,這里積累的氣體是從哪里來的。這些氣體既有可能是甲烷水合物融化釋放的,也可能是微生物分解了融化凍土中的有機物后釋放的氣體。還有一種可能——記得這里的天然氣儲量嗎,有可能是地層深處的甲烷釋放到了表層。?
而另一個似乎無法解釋的問題是,在許多有多年凍土覆蓋的地區(qū),都有熱喀斯特湖存在。然而只有這兩個半島出現過這樣爆炸形成的大洞。?
最近,挪威奧斯陸大學的環(huán)境地球科學教授海爾加·赫勒旺(Helge Hellevang)提出了新的解釋:是地層深部儲存的溫暖甲烷氣體,通過斷層滲出、積累,最終通過爆炸逸出。?
這種假說將這些巨洞的成因與氣候變化聯系得更緊密了。15世紀以來,亞馬爾半島和格達半島夏季的平均氣溫上升了2~2.5攝氏度,這使多年凍土中較薄的區(qū)域被進一步削弱,從而在地層下形成了拱形的脆弱區(qū)。?
當地層深部的甲烷沿著斷層逸出時,這些氣體就會自然地聚集在這些拱形區(qū)域。氣體的積聚不僅會積累應力,氣體攜帶的熱量還會從底部繼續(xù)解凍上覆的凍土層。當凍土層足夠薄和脆弱,氣體就會突破上覆冰層,發(fā)生爆炸。
圖中紫色部分代表甲烷,淺藍色部分代表上覆凍土,沿斷層逸出的甲烷會融化上覆凍土層,形成一個圓柱狀結構。(圖片來源:Helge Hellevang et al., 2024)
這不僅能解釋高甲烷濃度,也能解釋幾乎完美的圓柱形,就是熱的甲烷羽流在不斷向上侵蝕薄弱帶時,形成的結構。同時,正是這兩個地區(qū)豐富的天然氣儲量,才提供了這樣形成巨洞的機會。?
如今,隨著氣候變化導致的升溫不斷削弱多年凍土層,這樣的爆炸可能會更頻繁地發(fā)生。
最可怕的猜測
目前,這項研究發(fā)布于EarthArXiv預印本網站(未經過同行評審)。一些相關研究者也表示,雖然這個想法有其優(yōu)點,但還需要更多證據來證明。?
2014年,當巨洞第一次出現在民眾眼前時,曾引發(fā)了各種各樣的傳言,從天然氣管道爆炸,到武器實驗,甚至有人懷疑這是外星人的遺跡。然而對科學家來說,這個新的解釋雖然不如這些猜測刺激,但卻是最讓他們擔憂的一種:甲烷是一種強效的溫室氣體,如果地底的甲烷會這樣爆裂而出,那這些巨洞就像是一個通向地層深處的大煙囪,正將大量甲烷釋放到大氣中。
研究顯示,北極地區(qū)的變暖速率平均而言是地球上其他地方的2~3倍,這一現象被稱為“北極放大效應”,這已經嚴重威脅了極地地區(qū)的多年凍土。然而隨著多年凍土融化,其中的碳也會被加速釋放到大氣中,給“氣溫上升-多年凍土融化-溫室氣體釋放-氣溫上升”的反饋回路中加入更多的不確定性。?
而我們現在看到的,或許就是反饋回路中的一環(huán),是又一個人類正在劇烈改造地球地貌的直觀景象。
參考鏈接:
https://www.nature.com/articles/nature.2014.15649
https://eartharxiv.org/repository/view/6351/
https://www.nature.com/articles/s41598-018-31858-9
https://www.mdpi.com/2076-3263/10/5/195
https://www.bbc.com/future/article/20201130-climate-change-the-mystery-of-siberias-explosive-craters
https://www.businessinsider.com/mystery-siberia-exploding-craters-may-have-finally-been-solved-methane-2024-1
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