图 | 《自然》杂志

　　在北极圈内的一个偏远半岛上，突然出现了一些神秘的大洞，这似乎说明了让科学家担心的事情正在地下发生。

　　编译 | 石云雷

　　审校 | 吴非

　　爆炸性登场

　　北极圈内寒冷的西伯利亚平原上，一场爆炸突然发生，在平原上留下一个巨洞。巨洞的边缘混杂着破碎的灰色冰块和冻土块，其附近的植物根部呈现出被烧焦的迹象。

　　6年前，直升机飞行员在飞过西伯利亚平原西北部的亚马尔半岛（Yamal Peninsula）时，首次发现了这类巨洞，洞的直径约20米，深为52米。卫星图像分析显示，这个被命名为GEC-1的洞是在2013年10月形成的。这并不是一个孤例，截至目前，科学家在亚马尔半岛和邻近的吉丹半岛（Gydan Peninsula）上已经发现了多达17个巨洞。

　　究竟是什么原因导致这片永久冻土上出现了这些洞，以及它们是如何突然形成的，在很大程度上仍然是个谜团。对于许多研究北极的科学家来说，这是一个令人不安的迹象，它表明地球北部这片寒冷、人烟稀少的土地，正在发生一些根本性的变化。Evgeny Chuvilin是斯科尔科沃科技学院的一位地质学家，他特意飞到亚马尔半岛上的这一僻远角落来一探究竟。他对巨洞的形成倍感困惑，而一个深度接近50米的巨洞似乎包含了解决这一谜团的关键信息。

　　图 | AP Photo/Associated Press Television

　　近期的一些研究为这种现象提供了线索。目前可以明确的是，这些巨洞的形成原因并不地表下的永久冻土融化、移动或逐渐下沉，而是爆炸。“在爆炸发生时，大块的土壤和冰块被抛离至离中心区域数百米的地方，”Chuvilin说，“这种巨大的力量是由很高的压力造成的。而为什么会出现这样的高压，还是一个谜团。”

　　一些科学家比较了这些巨洞与冰火山（cryovolcanoes，喷射冰而不是岩浆的火山，存在于冥王星、土卫六和谷神星上）。随着更深入地了解到这些巨洞的演化阶段，他们开始将它们称作“气体排放环形山”（gas emission craters）。这个名字也提示了这些大洞是如何形成的。Chuvilin说：“对卫星图像的分析表明，一次爆炸会在冰丘或土堆所在的地方形成一个巨大的洞。”

　　奇特的巨洞

　　冰丘（Pingo）是一种圆顶状的小山。当冻土层下方的水开始冻结，会将其往上推，使其膨胀成一个土堆。但在北极圈内的大部分地区，这些土堆最终都会塌陷。但西伯利亚西北部的这些土堆并不相同。Chuvilin解释说，它们膨胀得“非常快，会上升到数米高”，然后突然爆炸。让土堆膨胀随后爆炸的并不是冻结的冰，而似乎是积累的下层气体。

　　莫斯科国立大学的岩相学家Alexander Kizyakov表示，从气体累积到爆炸形成巨洞的周期只有3~5年的时间。在离亚马尔半岛不远的喀拉海海底，科学家也发现了类似的气体排放形成的土堆和巨洞，另外在巴伦支海也找到了类似的迹象。但是截至目前，他们还没有在北极圈内的其他陆地上发现类似的现象。

　　亚马尔半岛的永久冻土中的一些成分，使它们容易爆炸形成巨洞。这里具有一些典型的地质特征：上层通常是一层很厚的冰，被称为平顶冰（tabular ice），它能在永久冻土层上形成盖层。这一区域还含有特征性的湿寒土（cryopeg），它由永冻层包围未冻结的土壤组成——就像一种永冻层“三明治”。而第三个特征是该地区的地下深处储藏着天然气和石油。

　　图 | Skolkovo Institute of Science and Technology

　　研究人员发现在巨洞底部的水里，甲烷的含量升高，这表明甲烷可能正在从下面冒出来。一个主流的理论是，来自永久冻土层下方的甲烷气体通过一些途径到达了冰层下未被冻住的土壤中。另一个观点认为，当湿寒土中的水开始结冰时，其中溶解的高浓度二氧化碳会开始溢出。

　　Chuvilin表示甲烷和二氧化碳的另一种来源可能是未冻结土壤中的大量微生物，它们能分解有机物质并释放气体。研究人员对一个巨洞进行的甲烷同位素分析实验，似乎也证实了这一点。但是，在近期形成的巨洞底部的水中，产生甲烷的微生物的活性特别低。

　　但是甲烷也可能从冰中泄露出来。被封存在永冻层中的气体，会和水组成一种奇怪的冻结状态，称为气体水合物（gas hydrate）。当冰融化时，气体就会被释放。“研究人员认为这些巨洞的形成可能存在不同的机制，很难用单一的模型来描述，”Chuvilin说，“巨洞的形成很大程度上取决于环境和地形。”他指出，目前至少发现了一个在河床形成的巨洞。

　　发现更多巨洞

　　当它们最终爆炸时，场面看起来确实很壮观。气体上方的泥土、冰以及大部分未冻结的物质，被甩到300米外的地方。由于作用力太大，被抛出的土块直径可达到1米。洞的周围会形成一个“护栏”，洞口比洞身更宽。根据当地的牧民报告，当2017年6月米乌德里亚卡河岸边的一个洞爆炸时，他们看到了火焰和烟雾。距离洞口以南约33千米的塞亚卡附近的村民称，气体持续燃烧了大约90分钟，火焰达到了4~5米高。

　　虽然这一区域人口稀少，但在如此接近居住点的地方发生爆炸，也足以引发了人们的担忧。除此之外，这块地区还遍布着石油和天然气基础设施管道。这些管道正在尝试开采埋在永久冻土层下的化石燃料。

　　北极生态学家 Sue Natali说：“一旦我们发现类似的巨洞，就会利用高分辨率卫星图片，来弄清楚它们是什么时候形成的。”他们的研究表明，这一区域的巨洞似乎比之前认为的更多。“我们已经确认并验证了两个新的巨洞的位置，并且正在检查20多个‘非常有可能’是大洞的位点。她的研究团队希望能够收集足够的数据，让这一搜索过程自动化。而她们的最终目标是创建一种算法，通过卫星图像寻找可能的气体排放堆，在大洞形成前预测出它们的位置。

　　想要弄清楚这些大洞的存在有多普遍，或将是一个缓慢的过程。在爆炸之后，大多数巨洞似乎也会很快消失。在Seyakha村附近，一个直径70米、深度超过50米的巨洞由于它靠近河边，在短短的4天里就充满了水。从巨洞过渡到湖泊，似乎是一个不错的结局。

　　其他巨洞需要更长的时间才能被水淹没，但经过一两年的时间，这些洞的边缘会被腐蚀，它们会充满水，最终变得与其他成千上万的圆形小湖泊并无区别。这类湖泊也被称为热喀斯特湖（thermokarst lakes），它们点缀在这块土地上。而究竟有多少湖泊是气体排放形成的巨洞，目前尚不清楚。

　　未来的影响

　　科学家想要知道巨洞存在的情况有多普遍，不仅仅是出于好奇心。他们担心这一现象的出现，可能与北极更大范围的气候变化有关。北极空气的变暖速度是全球平均值的2倍，这一地区的永冻层在夏季的融化量也正在增加。

　　这正在改变北极的地貌，导致土壤下沉和类似解冻滑坡（thaw slumps）的现象出现。巴塔盖卡巨型塌陷（the Batagaika megaslump）就是西伯利亚的一处大型解冻滑坡，它从20世纪60年代的一条沟发展成了直径近900米的深坑。Natali说:“据我所知，地球上还没有其他一个地方的气候变化，导致地面的地质结构发生了变化。”

　　北极永久冻土层中含有大量的碳，大约是目前大气中碳含量的2倍。它主要以植物和其他有机质的冰冻残留物形式存在，此外，其中还有被困在冰晶中的甲烷。随着地面解冻，微生物可以分解有机物，并释放出甲烷和二氧化碳。与此同时，困在冰中的甲烷也会被释放出来。作为一种强效温室气体，这些甲烷有可能加速全球变暖，从而导致更多的冻土融化。

　　亚马尔半岛上的这些巨洞或增加了另一个气候变化过程的可能性，而后者可能通过一个复杂的反馈回路，增加气温上升、永久冻土融化和温室气体排放的可能性。如果事实证明，深埋在永冻层下面的甲烷沉积物开始通过一般无法被穿透的永冻层向上渗透，这将会是冻原上的冻结冰盖变得更具渗透性的一个迹象。而北极变化如何影响更广泛的全球变暖，也将具有新的不确定性。

　　“这些巨洞的出现是一个非常令人震惊的迹象，它表明北极正在发生更广泛的变化，”Natali说，“当你观察这块区域的变化时，有些是逐渐发生的，而有些则是突然发生的，很少出现爆炸性的变化。而这一现象也引起了人们的担忧，考虑到它将如何影响大气中温室气体变化。”