圖片來源：Sergey Buldovicz et al., 2018

2014年7月中旬，一架直升機(jī)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(gè)突兀的黑色巨洞。隨后的實(shí)地調(diào)查顯示，這個(gè)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(diào)查的研究團(tuán)隊(duì)試圖將攝像機(jī)綁在繩子上觀察洞底的情況，發(fā)現(xiàn)這個(gè)洞至少有50米深——因?yàn)槔K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(xué)研究中心的考古學(xué)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(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，洞底空氣中的甲烷濃度也異常地高——高達(dá)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(jīng)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(shí)地探查和衛(wèi)星圖像，研究者發(fā)現(xiàn)了至少17個(gè)突然出現(xiàn)的巨洞。2017年6月，在亞馬爾半島的一個(gè)馴鹿牧民聚居地附近，傳來了震耳欲聾的巨響，當(dāng)?shù)啬撩裼H眼目睹了不遠(yuǎn)處劇烈的亮光和升起的煙柱?？茖W(xué)家立刻趕到現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新形成的巨洞。這個(gè)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(gè)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(xiàn)了一個(gè)巨洞。

另一處巨洞的圖像對(duì)比（圖片來源：Sergey Buldovicz et al., 2018）

事實(shí)上，在其他有多年凍土分布的區(qū)域，也發(fā)現(xiàn)過類似的隆起，這種結(jié)構(gòu)被稱為多年生凍脹丘（pingo）。這是局部的地下水結(jié)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(jié)構(gòu)需要幾十年的時(shí)間才能形成，而且形成后會(huì)隨著氣溫波動(dòng)自然坍塌，從沒發(fā)生過這樣的爆炸。?

而另一個(gè)奇特之處在于，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的十幾個(gè)巨洞全都分布在亞馬爾半島和相鄰的格達(dá)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(dá)半島有著豐富的石油和天然氣儲(chǔ)層——亞馬爾半島上建設(shè)了俄羅斯最大的天然氣田之一?？茖W(xué)家猜測，這些巨洞或許正與儲(chǔ)層中的甲烷等氣體有關(guān)——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(gè)現(xiàn)象，一個(gè)來自俄羅斯的研究團(tuán)隊(duì)曾多次前往“新鮮”形成的巨洞處考察。他們發(fā)現(xiàn)，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(gè)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(guān)研究發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》（Scientific reports）和《地球科學(xué)》（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(guān)——雖然叫這個(gè)名字，但這些湖和喀斯特地貌并沒有什么關(guān)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(huì)比其他區(qū)域溫度更高，因此會(huì)形成一片沒有凍結(jié)的區(qū)域。這片沒有凍結(jié)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(jié)區(qū)域也隨之縮減，凍結(jié)往往是由外向內(nèi)開始的，直到整個(gè)未凍結(jié)區(qū)域被包裹起來。在這個(gè)過程中，未凍結(jié)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(jié)區(qū)域頂部，此時(shí)整個(gè)未凍結(jié)區(qū)域的形狀就像是一個(gè)圓柱。隨著氣體壓力不斷上升，當(dāng)超過上覆沉積物的極限時(shí)，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(lán)色部分代表凍土，橙色部分代表湖泊下方未凍結(jié)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(gè)形象（但有些惡心）的比喻是，我們可以將這個(gè)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(huì)隆起形成“痘痘”，而當(dāng)痘“長熟”之后，頂部就會(huì)爆開，留下一個(gè)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(gè)過程會(huì)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(xué)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(jī)物后釋放的氣體。還有一種可能——記得這里的天然氣儲(chǔ)量嗎，有可能是地層深處的甲烷釋放到了表層。?

而另一個(gè)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(gè)半島出現(xiàn)過這樣爆炸形成的大洞。?

最近，挪威奧斯陸大學(xué)的環(huán)境地球科學(xué)教授海爾加·赫勒旺（Helge Hellevang）提出了新的解釋：是地層深部儲(chǔ)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(lián)系得更緊密了。15世紀(jì)以來，亞馬爾半島和格達(dá)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(jìn)一步削弱，從而在地層下形成了拱形的脆弱區(qū)。?

當(dāng)?shù)貙由畈康募淄檠刂鴶鄬右莩鰰r(shí)，這些氣體就會(huì)自然地聚集在這些拱形區(qū)域。氣體的積聚不僅會(huì)積累應(yīng)力，氣體攜帶的熱量還會(huì)從底部繼續(xù)解凍上覆的凍土層。當(dāng)凍土層足夠薄和脆弱，氣體就會(huì)突破上覆冰層，發(fā)生爆炸。

圖中紫色部分代表甲烷，淺藍(lán)色部分代表上覆凍土，沿?cái)鄬右莩龅募淄闀?huì)融化上覆凍土層，形成一個(gè)圓柱狀結(jié)構(gòu)。（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(shí)，形成的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，正是這兩個(gè)地區(qū)豐富的天然氣儲(chǔ)量，才提供了這樣形成巨洞的機(jī)會(huì)。?

如今，隨著氣候變化導(dǎo)致的升溫不斷削弱多年凍土層，這樣的爆炸可能會(huì)更頻繁地發(fā)生。

最可怕的猜測

目前，這項(xiàng)研究發(fā)布于EarthArXiv預(yù)印本網(wǎng)站（未經(jīng)過同行評(píng)審）。一些相關(guān)研究者也表示，雖然這個(gè)想法有其優(yōu)點(diǎn)，但還需要更多證據(jù)來證明。?

2014年，當(dāng)巨洞第一次出現(xiàn)在民眾眼前時(shí)，曾引發(fā)了各種各樣的傳言，從天然氣管道爆炸，到武器實(shí)驗(yàn)，甚至有人懷疑這是外星人的遺跡。然而對(duì)科學(xué)家來說，這個(gè)新的解釋雖然不如這些猜測刺激，但卻是最讓他們擔(dān)憂的一種：甲烷是一種強(qiáng)效的溫室氣體，如果地底的甲烷會(huì)這樣爆裂而出，那這些巨洞就像是一個(gè)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(xiàn)象被稱為“北極放大效應(yīng)”，這已經(jīng)嚴(yán)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(huì)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(xiàn)在看到的，或許就是反饋回路中的一環(huán)，是又一個(gè)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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