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西伯利亞的離奇巨坑:謎底究竟是什麼?

理查‧格雷( Richard Gray) - BBC Future 2020/12/28 21:28 理查‧格雷( Richard Gray) - BBC Future 字級:
讀稿
西伯利亞的離奇巨坑:謎底究竟是什麼?

▲(圖/EVGENY CHUVILIN)

在天荒地老的北極圈一個半島上,永凍土原上出現了好些巨大的瘡疤,瘡疤深處爆發出來的不測之物,讓科學家憂心不已。

這是一場突如其來的爆炸,隨後在冰凍的原野上留下了一個內壁粗糙不規則的環形深坑大洞。

在這個環形大坑洞的外側邊緣是混雜著碎冰和永久凍土泥塊的灰色土堆。坑緣四周剛剛出土的植物,根部有燒焦的痕跡。這讓我們知道西伯利亞北極中部的這個大坑洞形成時爆發的力量相當之猛烈。

從空中俯瞰,爆炸後新露出的泥土與周圍綠色苔原和黑色湖泊形成十分鮮明的對比。圓柱形坑洞內部露出的土層和岩石幾乎是黑色的,當科學家到達此處時,洞底已經有了積水,成了水池。

發生在西伯利亞雅庫特地區的森林大火與全球氣候變化形成惡性互動。
The British Broadcasting Corporation

莫斯科的斯科爾科沃科技學院(Skolkovo Institute of Science and Technology)地質學家葉夫根尼‧朱維林(Evgeny Chuvilin)即是到達西伯利亞西北部的亞馬爾半島、在這個極度偏遠的世界盡頭,勘察這個環形天坑的其中一位科學家。自第一個神秘環形坑洞在亞馬爾半島被發現以來,如何解釋這個神秘現象困擾了他整整6年,而這個50米深的坑洞可能是幫助他解開6年之謎的關鍵鑰匙。

這個坑洞寬約20米,深52米,距離亞馬爾半島的波瓦倫科沃(Bovanenkovo)天然氣田約42公里,是在2014年一架直升機掠過其上方時飛行員發現的。前往考察的科學家認為這種天坑是西伯利亞永久凍土層的一個全新特徵。當年前往的另一位科學家是地球冰凍圈研究所首席科學家馬里亞娜·萊布曼(Mariana Leibman),她研究西伯利亞的永久凍土層已有40多年。後來對這個現編號為GEC-1的環形坑洞所作衛星圖像分析發現,這個深坑是在2013年10月9日至11月1日之間的某個時間形成的。

2020年8月,一個電視攝製組和俄羅斯科學院的一組科學家與當地政府在亞馬爾半島考察時,從飛機上發現了最新一個環形坑洞,這使得在亞馬爾半島和鄰近的吉丹半島已經發現的巨大深坑總數達到17個。

究竟是什麼力量導致西北利亞北極地區永久凍土上出現這麼多環形坑洞?這些巨大的環形坑洞又是如何突然間爆發而形成?這很大程度仍然是個無法解釋的神秘自然現象。

而且這些環形坑洞的出現對於北極、以及在這裏生活和工作的人們之未來會有何影響,也是還沒有答案的問題。對於許多研究北極的學者來說,環形坑洞的出現是一個令人不安的跡象,表明地球極北這片極度寒冷、渺無人煙的大地正在發生一些根本性的變化。

不過,最近的研究開始為這一現象提供一些線索。可以肯定的是,這些坑洞不是因為地表下的永久凍土層融化和移動而逐漸下沉形成的。坑洞是由爆炸產生。

朱維林說,「爆炸發生時,大塊的土壤和冰塊被拋到爆炸中心數百米之外。我們在這裏看到的是巨大的地底壓力向外爆。壓力為什麼會這麼高仍然是個謎。」

朱維林是考察此現象的俄羅斯科學家小組其中一員,他們與來自世界各地的科學家,常來這些猶如隕石坑的坑洞現場採集樣本和測量數據,希望更多地了解地表下面的凍土層正在發生什麼變化。

一些科學家將這些永久凍土地帶的環形坑洞與地外天體的冰火山進行了比較。後者噴發的是冰岩漿而不是熔岩,科學家原來認為冰火山只存在於我們太陽系的冥王星、土星的衛星土衛六和矮行星谷神星等遙遠的冰凍天體上。但隨著對越來越多的北極地區坑洞在其演化不同階段的研究,科學家現在認為亞馬爾半島的坑洞是一種「氣體噴發環形坑洞」。這個名字提供了一些線索,可說明亞馬爾半島的環形坑洞是如何形成的。

朱維林說,「衛星圖像的分析說明,來自地底的噴發會在一個冰堆丘或土堆上造成一個巨大的環形坑洞。」

冰堆丘(pingo)是北極凍土地帶一種圓錐狀的小丘,這裏的凍土層會被地表下流動的水流推擠,水流開始結冰時,凍土層就會膨脹隆起,形成冰堆丘。冰堆丘大小會隨著季節的變化而起落。在俄國,當地的雅庫特語稱冰堆丘為「bulgunnyakhs」。在加拿大發現的一些冰堆丘已經有1200年的歷史。然而,在北極的大部分地區,這些冰堆丘最終往往會崩塌而不是爆炸。

很明顯,西伯利亞西北部亞馬爾半島的冰堆丘則不同。朱維林解釋說,這些冰堆丘膨脹得「非常快,會上升到幾米高」,然後冰堆丘會突然被爆開。這個向上推擠的爆發力不是來自凍結成冰的水流,似乎是由地下氣體的積累造成的。

研究永久凍土的北極生態學家的蘇‧娜塔莉(Sue Natali)是美國馬薩諸塞州伍茲霍爾的伍德威爾氣候研究中心的北極項目主任。她說,「冰堆丘需要幾十年的時間才能形成,形成後也能維持很長一段時間。但在這個半島充滿氣體的冰堆丘經過幾年就可形成。」

科學家在2014年首次被人發現的第一個環形坑洞在爆炸時拋出的泥土中找到柳樹灌木,研究其年輪表明,這些柳樹早自20世紀40年代以來就一直在承受外在壓力。研究人員表示,這可能是由於地面變形造成的。

俄國羅蒙諾索夫莫斯科國立大學的冰川學家亞歷山大·基茲亞科夫(Alexander Kizyakov)說,「然而,有證據表明,氣體噴放形成的坑洞的產生週期可能非常短,3、5年不等,」在衛星圖像中發現,2017年初夏形成的一個編號為SeYkhGEC的環形坑洞早在2015年已開始使地面變形。

就在離亞馬爾半島不遠的喀拉海海底,也發現了類似因氣體噴發形成的地底裂痕和土丘,在巴倫支海也發現了類似的痕跡。但是娜塔莉說,到目前為止,在北極其他陸地上還沒有發現類似亞馬爾半島這樣的環形坑洞。

亞馬爾和吉丹的永久凍土之特殊地質構成使其容易形成爆炸型的冰堆丘。娜塔莉說,「那裏有一些獨特的地質特徵。這個區域有一層很厚的冰,稱為平頂冰,覆蓋在永久凍土層上。此外還有被稱為濕寒土的一種土層,這種岩土層不會結冰,但被包裹在永久凍土中,這好象是一種夾心麵包,但麵包是凍土,被夾在中間的是濕寒土。這個區域第三個特徵是在非常深的地層有大量天然氣和石油。」

朱維林最近檢視了一個環形坑洞,這個直徑20米的洞被稱為埃爾庫塔坑洞,得名其所在的河漫灘。這個河漫灘似乎原是一個乾涸的牛軛湖。湖消失後,在地表下面留下了一大塊未凍結的土地,即稱之為塔利克(talik)的濕寒土,然後天然氣開始在這處濕寒土區域積聚起來。但是朱維林說,天然氣確切的來源很大程度上仍然不清楚。他說,「環形坑洞研究的關鍵問題是確定在永久凍土表面下積聚的天然氣的來源,因為一旦爆炸後形成坑洞,天然氣就會消失。」

追溯這些坑洞的演變以及天然氣來自何處及為何聚集環形坑洞之下,是科學家目前研究的重點。娜塔莉說,「有趣的是,可能有一種新的或以前未知的地球化學反應正在發生,這是我們從未想象過的。」

勇敢的研究人員冒著危險用攀繩下降到坑洞,他們發現坑洞底蓄水中甲烷含量高,這表明可能有甲烷從洞下面冒出來。主流理論認為,這些在永久凍土層下的甲烷氣體找到了在冰帽下未凍結的濕寒地這個缺口。另一個解釋認為,有大量甲烷溶解在未凍結的濕寒土層的水分中,如果水開始結冰,而餘下未凍結的水已成飽和狀態,溶解在水中的天然氣就會冒泡釋放出來。

朱維林說,甲烷和二氧化碳的另一種來源可能是在濕寒地層中蓬勃生長的微生物分解出有機物質並釋放氣體。對一個特別引人注目的環形坑洞中的甲烷同位素所作分析似乎證實了朱維林的說法,但在一些最近形成的環形洞坑中,發現其底部湖水中能產生甲烷的微生物活性特別低,即使在其被發現的寒冷環境中也是如此。

但是永久冰凍層也可能洩漏出甲烷,因為天然氣會被困在永久凍土的水晶體中,形成一種奇怪的凍結物質,稱為氣體水合物,一旦融化,氣體就會被釋放出來。

朱維林說,「人們認為可能存在不同的形成機制,很難用單一的模式來描述。這在很大程度上取決於環境和地貌。」他指出,在河牀上發現了至少一個氣體爆發形成的環形坑洞。

人們認為,不管天然氣出自何處,但都會在未凍結的濕寒土層(塔利克)集聚增多,然後將上面原本扁平狀態的固態冰帽向上推高5至6米,直到最後像人體上的膿瘡一樣被擠爆開來。膿瘡的比喻很形象,也無惡意。就像互聯網上的網友愛看為青春痘擠膿液的視頻一樣,一些科學家發現自己也被亞馬爾環形坑洞所吸引。娜塔莉並不諱言,說是「這些環形坑洞因其神秘,加上可能帶來的危險而吸引了我。」

氣體最終爆發時,肯定看起來會非常的壯觀。充滿天然氣的濕寒土層上方的泥土和冰,連同未凍結部分的大部分濕寒土,會被拋向300米之外。爆發威力是如此之猛烈,以至直徑達1米的泥塊都會被拋了出去,最後在爆炸處留下一個四圍凸起如護牆的環形大坑,一個很寬的洞口和一個稍微窄小的圓柱形深洞。深洞處被認為就是稱為塔利克的濕寒土原來的位置。當地的馴鹿牧人報告說,2017年6月,在木德里雅克(Myudriyakha)河岸邊的一個環形坑洞發生爆炸後,他們看到了火焰和煙霧。坑洞以南約33公里附近的塞雅卡村的村民稱天然氣持續燃燒了大約90分鐘,火焰高達4到5米。

在這個人煙極度稀少的地區,爆炸發生在如此接近定居點的地方自然引起了各方的關注。因為該地區還布滿了開採永久凍土層下石油和天然氣的基礎設施管道。

娜塔莉說,「我們還不知道這是否會對北極地區的居民構成威脅。」 娜塔莉及其同事一直使用高分辨率的衛星圖像尋找其他環形坑洞的變化,意圖回答這個問題。

她說,「一旦我們發現類似環形坑洞的東西,我們就會使用分辨率非常高的時間序列圖像,(即同一地點在不同時間段拍攝的衛星照片)來搞清楚環形坑洞是何時形成的。」

他們發現,這個地區的環形坑洞比原來所認為的要多。「到目前為止,我們已經確認並證實了兩個新坑洞位置,還有幾個我們仍在確認過程中。我們認為在『非常有可能是環形坑洞』的類別中,大約有24個正在查證確認。要知道在2013年我們還不知道有這些環形坑洞的存在,看來很可能還有更多。」

最終,她和她的團隊希望能夠收集到足夠的數據來實現搜索過程的自動化。他們的最終目標是創建一種算法,通過在衛星圖像中尋找可能噴發氣體的冰堆丘,以便在這些冰堆丘爆炸形成環形坑洞之前就能預測到。

娜塔莉說,「我們希望在環形坑洞形成之前就能夠發現。這是你特別想要獲得的信息,因為發生爆炸形成坑洞的地方有人居住、有管道和其他天然氣和石油基礎設施。」

目前,要弄清這些環形坑洞的形成有多頻繁是一個緩慢的過程。環形坑洞在劇烈的爆炸誕生後,大多數似乎很快就會消失於當地的地貌中,很難辨認。在塞雅卡村(Seyakha)附近的爆炸留下的大洞測量寬70米,深50米,由於靠近木德里雅克河,就在爆炸後短短的四天內大洞已被河水灌滿。從一個空洞變身為湖,對一個戲劇性的爆炸事件可算是相當無害的結局。

其他的環形坑洞需要更長的時間才能被淹沒,但也只需一到兩年的時間,爆炸造成的黑暗而又憤怒的傷口,其邊緣會被漸漸侵蝕至消失,而傷口則注滿了水,混跡在成千上萬的小圓形湖泊(即熱融湖,地下冰在熱融作用下形成的湖泊)中而無法辨識區分開來。至今不清楚,到底這些熱融湖中有多少是因為天然氣爆發而形成的環形坑洞痕跡。

基茲亞科夫說:「永久凍土原中的一些湖泊很可能原是天然氣噴發形成的環形坑洞,後來被水淹沒。要說這種湖泊形成機制有多普遍,現在還為時過早。」

一些研究人員試圖測量某些特定的熱融湖中溶解的化學物質,來判斷這些湖泊是否原為天然氣噴發坑洞,但至今還沒有任何可確認的模式。

想知道這些事件是不是經常發生不僅僅是出於好奇之心。越來越多的人擔心,在西伯利亞西北部出現的環形坑洞可能與氣候變化導致北極環境生態的變化有關。

北極地區氣溫的暖化速度是全球平均水平的兩倍,這增加了北極永久凍土層在夏季的解凍量。

氣候暖化本身已經在改變北極的地貌,導致凍土原地面下沉和坍塌,即所謂的熱融沉陷。西伯利亞擁有可能是地球上最大的熱融天坑「巴塔蓋卡大融洞」(the Batagaika megaslump)。20世紀60年代時這個熱融洞還只是一條溝渠,現已擴大成900米寬的巨大坑洞,當地人稱為通向地獄之門。

娜塔莉說,除了北極,「據我所知,在這個星球上,還沒有任何一個地方因氣候變化已導致地表的地質結構發生變化。」

北極的永久凍土層中困鎖著巨量的碳,其含量大約是目前地球大氣中碳含量的兩倍,主要以冰凍的植物殘餘和其他有機物質的形式存在,還有被困在冰晶中的甲烷,即朱維林之前提到的氣體水合物。由於永久凍土層解凍融化,微生物復活開始分解有機物,因而釋放出甲烷和二氧化碳等副產品,而困在冰晶中的甲烷也會釋放出來。

甲烷是一種比二氧化碳更強的溫室效應氣體,從永久凍土中洩漏出來的甲烷會加速全球的暖化,而氣候暖化又反過來進一步導致北極凍土層更大的融化。

而在亞馬爾半島,天然氣噴發環形坑洞的出現引發了人們對另一個現象的發展而擔憂。氣溫上升造成永久凍土層融化與溫室氣體釋放之間的複雜反饋,相互影響,為氣候變化增加了更多的不確定性。如果發現被永久凍土層困在地底深處的的甲烷沉積物開始從通常無法滲透的永凍層中向上滲透,這可能是凍土帶上的冰帽正變得較容易滲透的一個跡象。北極的變化可能會對全球變暖產生更廣泛的影響,這可能會帶來新的不確定性。

娜塔莉說,「這些環形坑洞是非常令人震驚的警告,警示我們北極地區正在廣泛發生令人擔憂的事。如你看到這個地區正在發生的變化,有些是逐漸發生,有些是突然發生的。但爆炸性的變化是少之又少,不過卻成功引起了大家關注所有這些變化是如何影響大氣中的溫室效應氣體。」

雖然亞馬爾半島坑洞的秘密仍未有完全解開,但迄今為止已經了解的事實表明,或許我們將來應該更認真、仔細地監管住這些神秘的環形坑洞。

請訪問BBC Future閲讀英文原文

 

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