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为何科学家们对西伯利亚的离奇巨坑着迷?


 
(大中报/096.ca讯)英国广播公司(BBC)报道说,在天荒地老的北极圈一个半岛上,永冻土原上出现了好些巨大的疮疤,疮疤深处爆发出来的不测之物,让科学家忧心不已。

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这是一场突如其来的爆炸,随后在冰冻的原野上留下了一个内壁粗糙不规则的环形深坑大洞。
 
在这个环形大坑洞的外侧边缘是混杂着碎冰和永久冻土泥块的灰色土堆。坑缘四周刚刚出土的植物,根部有烧焦的痕迹。这让我们知道西伯利亚北极中部的这个大坑洞形成时爆发的力量相当之猛烈。
 
从空中俯瞰,爆炸后新露出的泥土与周围绿色苔原和黑色湖泊形成十分鲜明的对比。圆柱形坑洞内部露出的土层和岩石几乎是黑色的,当科学家到达此处时,洞底已经有了积水,成了水池。
 
莫斯科的斯科尔科沃科技学院(Skolkovo Institute of Science and Technology)地质学家叶夫根尼·朱维林(Evgeny Chuvilin)即是到达西伯利亚西北部的亚马尔半岛、在这个极度偏远的世界尽头,勘察这个环形天坑的其中一位科学家。自第一个神秘环形坑洞在亚马尔半岛被发现以来,如何解释这个神秘现象困扰了他整整6年,而这个50米深的坑洞可能是帮助他解开6年之谜的关键钥匙。
 
这个坑洞宽约20米,深52米,距离亚马尔半岛的波瓦伦科沃(Bovanenkovo)天然气田约42公里,是在2014年一架直升机掠过其上方时飞行员发现的。前往考察的科学家认为这种天坑是西伯利亚永久冻土层的一个全新特征。当年前往的另一位科学家是地球冰冻圈研究所首席科学家马里亚娜·莱布曼(Mariana Leibman),她研究西伯利亚的永久冻土层已有40多年。后来对这个现编号为GEC-1的环形坑洞所作卫星图像分析发现,这个深坑是在2013年10月9日至11月1日之间的某个时间形成的。

 
2020年8月,一个电视摄制组和俄罗斯科学院的一组科学家与当地政府在亚马尔半岛考察时,从飞机上发现了最新一个环形坑洞,这使得在亚马尔半岛和邻近的吉丹半岛已经发现的巨大深坑总数达到17个。
 
究竟是什么力量导致西北利亚北极地区永久冻土上出现这么多环形坑洞?这些巨大的环形坑洞又是如何突然间爆发而形成?这很大程度仍然是个无法解释的神秘自然现象。
 
而且这些环形坑洞的出现对于北极、以及在这里生活和工作的人们之未来会有何影响,也是还没有答案的问题。对于许多研究北极的学者来说,环形坑洞的出现是一个令人不安的迹象,表明地球极北这片极度寒冷、渺无人烟的大地正在发生一些根本性的变化。
 
不过,最近的研究开始为这一现象提供一些线索。可以肯定的是,这些坑洞不是因为地表下的永久冻土层融化和移动而逐渐下沉形成的。坑洞是由爆炸产生。
 
朱维林说,“爆炸发生时,大块的土壤和冰块被抛到爆炸中心数百米之外。我们在这里看到的是巨大的地底压力向外爆。压力为什么会这么高仍然是个谜。”
 
朱维林是考察此现象的俄罗斯科学家小组其中一员,他们与来自世界各地的科学家,常来这些犹如陨石坑的坑洞现场采集样本和测量数据,希望更多地了解地表下面的冻土层正在发生什么变化。
 
一些科学家将这些永久冻土地带的环形坑洞与地外天体的冰火山进行了比较。后者喷发的是冰岩浆而不是熔岩,科学家原来认为冰火山只存在于我们太阳系的冥王星、土星的卫星土卫六和矮行星谷神星等遥远的冰冻天体上。但随着对越来越多的北极地区坑洞在其演化不同阶段的研究,科学家现在认为亚马尔半岛的坑洞是一种“气体喷发环形坑洞”。这个名字提供了一些线索,可说明亚马尔半岛的环形坑洞是如何形成的。
 
朱维林说,“卫星图像的分析说明,来自地底的喷发会在一个冰堆丘或土堆上造成一个巨大的环形坑洞。”
 
冰堆丘(pingo)是北极冻土地带一种圆锥状的小丘,这里的冻土层会被地表下流动的水流推挤,水流开始结冰时,冻土层就会膨胀隆起,形成冰堆丘。冰堆丘大小会随着季节的变化而起落。在俄国,当地的雅库特语称冰堆丘为“bulgunnyakhs”。在加拿大发现的一些冰堆丘已经有1200年的历史。然而,在北极的大部分地区,这些冰堆丘最终往往会崩塌而不是爆炸。

 
很明显,西伯利亚西北部亚马尔半岛的冰堆丘则不同。朱维林解释说,这些冰堆丘膨胀得“非常快,会上升到几米高”,然后冰堆丘会突然被爆开。这个向上推挤的爆发力不是来自冻结成冰的水流,似乎是由地下气体的积累造成的。
 
研究永久冻土的北极生态学家的苏‧娜塔莉(Sue Natali)是美国马萨诸塞州伍兹霍尔的伍德威尔气候研究中心的北极项目主任。她说,“冰堆丘需要几十年的时间才能形成,形成后也能维持很长一段时间。但在这个半岛充满气体的冰堆丘经过几年就可形成。”
 
科学家在2014年首次被人发现的第一个环形坑洞在爆炸时抛出的泥土中找到柳树灌木,研究其年轮表明,这些柳树早自20世纪40年代以来就一直在承受外在压力。研究人员表示,这可能是由于地面变形造成的。
 
俄国罗蒙诺索夫莫斯科国立大学的冰川学家亚历山大·基兹亚科夫(Alexander Kizyakov)说,“然而,有证据表明,气体喷放形成的坑洞的产生周期可能非常短,3、5年不等,”在卫星图像中发现,2017年初夏形成的一个编号为SeYkhGEC的环形坑洞早在2015年已开始使地面变形。
 
就在离亚马尔半岛不远的喀拉海海底,也发现了类似因气体喷发形成的地底裂痕和土丘,在巴伦支海也发现了类似的痕迹。但是娜塔莉说,到目前为止,在北极其他陆地上还没有发现类似亚马尔半岛这样的环形坑洞。
 
亚马尔和吉丹的永久冻土之特殊地质构成使其容易形成爆炸型的冰堆丘。娜塔莉说,“那里有一些独特的地质特征。这个区域有一层很厚的冰,称为平顶冰,覆盖在永久冻土层上。此外还有被称为湿寒土的一种土层,这种岩土层不会结冰,但被包裹在永久冻土中,这好象是一种夹心面包,但面包是冻土,被夹在中间的是湿寒土。这个区域第三个特征是在非常深的地层有大量天然气和石油。”
 
朱维林最近检视了一个环形坑洞,这个直径20米的洞被称为埃尔库塔坑洞,得名其所在的河漫滩。这个河漫滩似乎原是一个干涸的牛轭湖。湖消失后,在地表下面留下了一大块未冻结的土地,即称之为塔利克(talik)的湿寒土,然后天然气开始在这处湿寒土区域积聚起来。但是朱维林说,天然气确切的来源很大程度上仍然不清楚。他说,“环形坑洞研究的关键问题是确定在永久冻土表面下积聚的天然气的来源,因为一旦爆炸后形成坑洞,天然气就会消失。”
 
追溯这些坑洞的演变以及天然气来自何处及为何聚集环形坑洞之下,是科学家目前研究的重点。娜塔莉说,“有趣的是,可能有一种新的或以前未知的地球化学反应正在发生,这是我们从未想象过的。”

 
勇敢的研究人员冒着危险用攀绳下降到坑洞,他们发现坑洞底蓄水中甲烷含量高,这表明可能有甲烷从洞下面冒出来。主流理论认为,这些在永久冻土层下的甲烷气体找到了在冰帽下未冻结的湿寒地这个缺口。另一个解释认为,有大量甲烷溶解在未冻结的湿寒土层的水分中,如果水开始结冰,而余下未冻结的水已成饱和状态,溶解在水中的天然气就会冒泡释放出来。
 
朱维林说,甲烷和二氧化碳的另一种来源可能是在湿寒地层中蓬勃生长的微生物分解出有机物质并释放气体。对一个特别引人注目的环形坑洞中的甲烷同位素所作分析似乎证实了朱维林的说法,但在一些最近形成的环形洞坑中,发现其底部湖水中能产生甲烷的微生物活性特别低,即使在其被发现的寒冷环境中也是如此。
 
但是永久冰冻层也可能泄漏出甲烷,因为天然气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,一旦融化,气体就会被释放出来。
 
朱维林说,“人们认为可能存在不同的形成机制,很难用单一的模式来描述。这在很大程度上取决于环境和地貌。”他指出,在河床上发现了至少一个气体爆发形成的环形坑洞。
 
人们认为,不管天然气出自何处,但都会在未冻结的湿寒土层(塔利克)集聚增多,然后将上面原本扁平状态的固态冰帽向上推高5至6米,直到最后像人体上的脓疮一样被挤爆开来。脓疮的比喻很形象,也无恶意。就像互联网上的网友爱看为青春痘挤脓液的视频一样,一些科学家发现自己也被亚马尔环形坑洞所吸引。娜塔莉并不讳言,说是“这些环形坑洞因其神秘,加上可能带来的危险而吸引了我。”
 
气体最终爆发时,肯定看起来会非常的壮观。充满天然气的湿寒土层上方的泥土和冰,连同未冻结部分的大部分湿寒土,会被抛向300米之外。爆发威力是如此之猛烈,以至直径达1米的泥块都会被抛了出去,最后在爆炸处留下一个四围凸起如护墙的环形大坑,一个很宽的洞口和一个稍微窄小的圆柱形深洞。深洞处被认为就是称为塔利克的湿寒土原来的位置。当地的驯鹿牧人报告说,2017年6月,在木德里雅克(Myudriyakha)河岸边的一个环形坑洞发生爆炸后,他们看到了火焰和烟雾。坑洞以南约33公里附近的塞雅卡村的村民称天然气持续燃烧了大约90分钟,火焰高达4到5米。
 
在这个人烟极度稀少的地区,爆炸发生在如此接近定居点的地方自然引起了各方的关注。因为该地区还布满了开采永久冻土层下石油和天然气的基础设施管道。
 
娜塔莉说,“我们还不知道这是否会对北极地区的居民构成威胁。” 娜塔莉及其同事一直使用高分辨率的卫星图像寻找其他环形坑洞的变化,意图回答这个问题。
 
她说,“一旦我们发现类似环形坑洞的东西,我们就会使用分辨率非常高的时间序列图像,(即同一地点在不同时间段拍摄的卫星照片)来搞清楚环形坑洞是何时形成的。”
 
他们发现,这个地区的环形坑洞比原来所认为的要多。“到目前为止,我们已经确认并证实了两个新坑洞位置,还有几个我们仍在确认过程中。我们认为在‘非常有可能是环形坑洞’的类别中,大约有24个正在查证确认。要知道在2013年我们还不知道有这些环形坑洞的存在,看来很可能还有更多。”
 
最终,她和她的团队希望能够收集到足够的数据来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喷发气体的冰堆丘,以便在这些冰堆丘爆炸形成环形坑洞之前就能预测到。

 
娜塔莉说,“我们希望在环形坑洞形成之前就能够发现。这是你特别想要获得的信息,因为发生爆炸形成坑洞的地方有人居住、有管道和其他天然气和石油基础设施。”
 
目前,要弄清这些环形坑洞的形成有多频繁是一个缓慢的过程。环形坑洞在剧烈的爆炸诞生后,大多数似乎很快就会消失于当地的地貌中,很难辨认。在塞雅卡村(Seyakha)附近的爆炸留下的大洞测量宽70米,深50米,由于靠近木德里雅克河,就在爆炸后短短的四天内大洞已被河水灌满。从一个空洞变身为湖,对一个戏剧性的爆炸事件可算是相当无害的结局。
 
其他的环形坑洞需要更长的时间才能被淹没,但也只需一到两年的时间,爆炸造成的黑暗而又愤怒的伤口,其边缘会被渐渐侵蚀至消失,而伤口则注满了水,混迹在成千上万的小圆形湖泊(即热融湖,地下冰在热融作用下形成的湖泊)中而无法辨识区分开来。至今不清楚,到底这些热融湖中有多少是因为天然气爆发而形成的环形坑洞痕迹。
 
基兹亚科夫说:“永久冻土原中的一些湖泊很可能原是天然气喷发形成的环形坑洞,后来被水淹没。要说这种湖泊形成机制有多普遍,现在还为时过早。”
 
一些研究人员试图测量某些特定的热融湖中溶解的化学物质,来判断这些湖泊是否原为天然气喷发坑洞,但至今还没有任何可确认的模式。
 
想知道这些事件是不是经常发生不仅仅是出于好奇之心。越来越多的人担心,在西伯利亚西北部出现的环形坑洞可能与气候变化导致北极环境生态的变化有关。
 
北极地区气温的暖化速度是全球平均水平的两倍,这增加了北极永久冻土层在夏季的解冻量。
 
气候暖化本身已经在改变北极的地貌,导致冻土原地面下沉和坍塌,即所谓的热融沉陷。西伯利亚拥有可能是地球上最大的热融天坑“巴塔盖卡大融洞”(the Batagaika megaslump)。20世纪60年代时这个热融洞还只是一条沟渠,现已扩大成900米宽的巨大坑洞,当地人称为通向地狱之门。
 
娜塔莉说,除了北极,“据我所知,在这个星球上,还没有任何一个地方因气候变化已导致地表的地质结构发生变化。”
 
北极的永久冻土层中困锁着巨量的碳,其含量大约是目前地球大气中碳含量的两倍,主要以冰冻的植物残余和其他有机物质的形式存在,还有被困在冰晶中的甲烷,即朱维林之前提到的气体水合物。由于永久冻土层解冻融化,微生物复活开始分解有机物,因而释放出甲烷和二氧化碳等副产品,而困在冰晶中的甲烷也会释放出来。
 
甲烷是一种比二氧化碳更强的温室效应气体,从永久冻土中泄漏出来的甲烷会加速全球的暖化,而气候暖化又反过来进一步导致北极冻土层更大的融化。
 
而在亚马尔半岛,天然气喷发环形坑洞的出现引发了人们对另一个现象的发展而担忧。气温上升造成永久冻土层融化与温室气体释放之间的复杂反馈,相互影响,为气候变化增加了更多的不确定性。如果发现被永久冻土层困在地底深处的的甲烷沉积物开始从通常无法渗透的永冻层中向上渗透,这可能是冻土带上的冰帽正变得较容易渗透的一个迹象。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。
 
娜塔莉说,“这些环形坑洞是非常令人震惊的警告,警示我们北极地区正在广泛发生令人担忧的事。如你看到这个地区正在发生的变化,有些是逐渐发生,有些是突然发生的。但爆炸性的变化是少之又少,不过却成功引起了大家关注所有这些变化是如何影响大气中的温室效应气体。”
 
虽然亚马尔半岛坑洞的秘密仍未有完全解开,但迄今为止已经了解的事实表明,或许我们将来应该更认真、仔细地监管住这些神秘的环形坑洞。

    
 
    
 

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