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(ya) 西北部的亞(ya) 馬爾半島。這裏居民很少，大部分地麵都覆蓋著多年凍土。但突然，飛行員在熟悉的綠色地麵上，看到了一個(ge) 突兀的黑色巨洞。隨後的實地調查顯示，這個(ge) 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，發現這個(ge) 洞至少有50米深——因為(wei) 繩子隻有50米長。站在洞口邊緣，“你都可以聽到地麵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(ya) 斯·普列漢諾夫（Andrei Plekhanov）說道，“它的邊緣正在慢慢融化並落入洞中。” 

研究團隊還發現，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隻有不足0.0002%。 

我們(men) 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，這裏剛經曆過異常炎熱的夏季，記錄顯示，2012和2013年這裏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，多年凍土融化並塌陷，並釋放出了大量甲烷。然而簡單的凍土融化，似乎無法製造出這麽(me) 大、這麽(me) 深的洞。

一場爆炸？

自那以後，借助更多的實地探查和衛星圖像，研究者發現了至少17個(ge) 突然出現的巨洞。2017年6月，在亞(ya) 馬爾半島的一個(ge) 馴鹿牧民聚居地附近，傳(chuan) 來了震耳欲聾的巨響，當地牧民親(qin) 眼目睹了不遠處劇烈的亮光和升起的煙柱。科學家立刻趕到現場檢查，發現了一個(ge) 新形成的巨洞。這個(ge) 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岩石。顯然，這裏發生了一場劇烈的爆炸，“炸”出了這樣一個(ge) 巨洞。 

衛星圖像也展示了一些痕跡，其中顯示，2015年一處地麵開始變形隆起，而在兩(liang) 年之後，2017年初夏，同樣的位置出現了一個(ge) 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域，也發現過類似的隆起，這種結構被稱為(wei) 多年生凍脹丘（pingo）。這是局部的地下水結冰後體(ti) 積膨脹，將地表推高形成的。然而在大部分地區，這種結構需要幾十年的時間才能形成，而且形成後會(hui) 隨著氣溫波動自然坍塌，從(cong) 沒發生過這樣的爆炸。 

而另一個(ge) 奇特之處在於(yu) ，目前已經發現的十幾個(ge) 巨洞全都分布在亞(ya) 馬爾半島和相鄰的格達半島。這裏都分布著多年凍土，但不同的是，亞(ya) 馬爾半島和格達半島有著豐(feng) 富的石油和天然氣儲(chu) 層——亞(ya) 馬爾半島上建設了俄羅斯最大的天然氣田之一。科學家猜測，這些巨洞或許正與(yu) 儲(chu) 層中的甲烷等氣體(ti) 有關(guan) ——是氣體(ti) 的積累讓這裏發生了爆炸。

積攢“壓力”

為(wei) 了解釋這個(ge) 現象，一個(ge) 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(men) 發現，這些洞通常都有幾十米深，並且洞壁幾乎垂直，像是曾有一個(ge) 圓柱插在其中，然後消失了。從(cong) 2018年到2021年，他們(men) 的猜測逐步成型，並將相關(guan) 研究發表於(yu) 《科學報告》（Scientific reports）和《地球科學》（Geosciences）等雜誌。 

在他們(men) 的模型中，這些巨洞的形成與(yu) 這裏的熱喀斯特湖有關(guan) ——雖然叫這個(ge) 名字，但這些湖和喀斯特地貌並沒有什麽(me) 關(guan) 係，而是冰層或多年凍土局部融化後，在地表形成的湖泊。

北極地區典型的熱喀斯特湖（圖片來源：Evgeny Chuvilin et al., 2020）

由於(yu) 表麵熱喀斯特湖的保溫效果，湖水下方的地層會(hui) 比其他區域溫度更高，因此會(hui) 形成一片沒有凍結的區域。這片沒有凍結的區域就像三明治一樣夾在上方的湖泊和下方的凍土之間。 

但隨著湖泊麵積縮小，下方的未凍結區域也隨之縮減，凍結往往是由外向內(nei) 開始的，直到整個(ge) 未凍結區域被包裹起來。在這個(ge) 過程中，未凍結區域的壓力不斷增加，土壤和地下水中的氣體(ti) 逸出，並積累在未凍結區域頂部，此時整個(ge) 未凍結區域的形狀就像是一個(ge) 圓柱。隨著氣體(ti) 壓力不斷上升，當超過上覆沉積物的極限時，爆炸就發生了——上層的氣體(ti) 和水逸出，隻留下了圓柱形的洞壁。

爆炸前凍土與(yu) 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(ti) 。（圖片來源：Sergey Buldovicz et al., 2018）

一個(ge) 形象（但有些惡心）的比喻是，我們(men) 可以將這個(ge) 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(hui) 隆起形成“痘痘”，而當痘“長熟”之後，頂部就會(hui) 爆開，留下一個(ge) 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(ge) 過程會(hui) 比pingo的隆起與(yu) 坍塌快得多，似乎也能解釋這些巨洞的形態，但還存在一些問題。例如，科學家依然不能確定，這裏積累的氣體(ti) 是從(cong) 哪裏來的。這些氣體(ti) 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後釋放的氣體(ti) 。還有一種可能——記得這裏的天然氣儲(chu) 量嗎，有可能是地層深處的甲烷釋放到了表層。 

而另一個(ge) 似乎無法解釋的問題是，在許多有多年凍土覆蓋的地區，都有熱喀斯特湖存在。然而隻有這兩(liang) 個(ge) 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(chu) 存的溫暖甲烷氣體(ti) ，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(yu) 氣候變化聯係得更緊密了。15世紀以來，亞(ya) 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域被進一步削弱，從(cong) 而在地層下形成了拱形的脆弱區。 

當地層深部的甲烷沿著斷層逸出時，這些氣體(ti) 就會(hui) 自然地聚集在這些拱形區域。氣體(ti) 的積聚不僅(jin) 會(hui) 積累應力，氣體(ti) 攜帶的熱量還會(hui) 從(cong) 底部繼續解凍上覆的凍土層。當凍土層足夠薄和脆弱，氣體(ti) 就會(hui) 突破上覆冰層，發生爆炸。

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(hui) 融化上覆凍土層，形成一個(ge) 圓柱狀結構。（圖片來源：Helge Hellevang et al., 2024）

這不僅(jin) 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(liang) 個(ge) 地區豐(feng) 富的天然氣儲(chu) 量，才提供了這樣形成巨洞的機會(hui) 。 

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(hui) 更頻繁地發生。

最可怕的猜測

目前，這項研究發布於(yu) EarthArXiv預印本網站（未經過同行評審）。一些相關(guan) 研究者也表示，雖然這個(ge) 想法有其優(you) 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(zhong) 眼前時，曾引發了各種各樣的傳(chuan) 言，從(cong) 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(ge) 新的解釋雖然不如這些猜測刺激，但卻是最讓他們(men) 擔憂的一種：甲烷是一種強效的溫室氣體(ti) ，如果地底的甲烷會(hui) 這樣爆裂而出，那這些巨洞就像是一個(ge) 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(wei) “北極放大效應”，這已經嚴(yan) 重威脅了極地地區的多年凍土。然而隨著多年凍土融化，其中的碳也會(hui) 被加速釋放到大氣中，給“氣溫上升-多年凍土融化-溫室氣體(ti) 釋放-氣溫上升”的反饋回路中加入更多的不確定性。 

而我們(men) 現在看到的，或許就是反饋回路中的一環，是又一個(ge) 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

歡迎掃碼關(guan) 注深i科普！

我們(men) 將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物！