2014年7月中旬，一架直升机正照常飞越俄罗斯西伯利亚西北部的亚马尔半岛。这里居民很少，大部分地面都覆盖着多年冻土。但突然，飞行员在熟悉的绿色地面上，看到了一个突兀的黑色巨洞。随后的实地调查显示，这个洞的洞口直径至少有30米，洞壁几乎是垂直向下，底部被水覆盖，不知道有多深。



前往调查的研究团队试图将摄像机绑在绳子上观察洞底的情况，发现这个洞至少有50米深——因为绳子只有50米长。站在洞口边缘，“你都可以听到地面塌陷的声音和水流的声音，这让我感到一阵恐惧”俄罗斯北极科学研究中心的考古学家安德烈亚斯·普列汉诺夫（Andrei Plekhanov）说道，“它的边缘正在慢慢融化并落入洞中。”



研究团队还发现，洞底空气中的甲烷浓度也异常地高——高达9.6%，而正常情况下空气中的甲烷含量只有不足0.0002%。



我们都知道，多年冻土中贮存了大量的碳，其中不少以甲烷水合物的形式存在。2012年和2013年，这里刚经历过异常炎热的夏季，记录显示，2012和2013年这里比过去的平均气温高出了约5摄氏度。研究人员怀疑，随着气温上升，多年冻土融化并塌陷，并释放出了大量甲烷。然而简单的冻土融化，似乎无法制造出这么大、这么深的洞。



一场爆炸？



自那以后，借助更多的实地探查和卫星图像，研究者发现了至少17个突然出现的巨洞。2017年6月，在亚马尔半岛的一个驯鹿牧民聚居地附近，传来了震耳欲聋的巨响，当地牧民亲眼目睹了不远处剧烈的亮光和升起的烟柱。科学家立刻赶到现场检查，发现了一个新形成的巨洞。这个洞有大约50米深，洞口边的土壤和草像是被烧焦了一样，周围还散落着大块的冰块和岩石。显然，这里发生了一场剧烈的爆炸，“炸”出了这样一个巨洞。



卫星图像也展示了一些痕迹，其中显示，2015年一处地面开始变形隆起，而在两年之后，2017年初夏，同样的位置出现了一个巨洞。


另一处巨洞的图像对比（图片来源：Sergey Buldovicz et al., 2018）



事实上，在其他有多年冻土分布的区域，也发现过类似的隆起，这种结构被称为多年生冻胀丘（pingo）。这是局部的地下水结冰后体积膨胀，将地表推高形成的。然而在大部分地区，这种结构需要几十年的时间才能形成，而且形成后会随着气温波动自然坍塌，从没发生过这样的爆炸。



而另一个奇特之处在于，目前已经发现的十几个巨洞全都分布在亚马尔半岛和相邻的格达半岛。这里都分布着多年冻土，但不同的是，亚马尔半岛和格达半岛有着丰富的石油和天然气储层——亚马尔半岛上建设了俄罗斯最大的天然气田之一。科学家猜测，这些巨洞或许正与储层中的甲烷等气体有关——是气体的积累让这里发生了爆炸。



积攒“压力”



为了解释这个现象，一个来自俄罗斯的研究团队曾多次前往“新鲜”形成的巨洞处考察。他们发现，这些洞通常都有几十米深，并且洞壁几乎垂直，像是曾有一个圆柱插在其中，然后消失了。从2018年到2021年，他们的猜测逐步成型，并将相关研究发表于《科学报告》（Scientific reports）和《地球科学》（Geosciences）等杂志。



在他们的模型中，这些巨洞的形成与这里的热喀斯特湖有关——虽然叫这个名字，但这些湖和喀斯特地貌并没有什么关系，而是冰层或多年冻土局部融化后，在地表形成的湖泊。


北极地区典型的热喀斯特湖（图片来源：Evgeny Chuvilin et al., 2020）

由于表面热喀斯特湖的保温效果，湖水下方的地层会比其他区域温度更高，因此会形成一片没有冻结的区域。这片没有冻结的区域就像三明治一样夹在上方的湖泊和下方的冻土之间。



但随着湖泊面积缩小，下方的未冻结区域也随之缩减，冻结往往是由外向内开始的，直到整个未冻结区域被包裹起来。在这个过程中，未冻结区域的压力不断增加，土壤和地下水中的气体逸出，并积累在未冻结区域顶部，此时整个未冻结区域的形状就像是一个圆柱。随着气体压力不断上升，当超过上覆沉积物的极限时，爆炸就发生了——上层的气体和水逸出，只留下了圆柱形的洞壁。
 

爆炸前冻土与热喀斯特湖的变化，图中深蓝色部分代表冻土，橙色部分代表湖泊下方未冻结的地层，黄色部分代表析出的气体。（图片来源：Sergey Buldovicz et al., 2018）

一个形象（但有些恶心）的比喻是，我们可以将这个过程大致比作“挤痘痘”。随着周围皮肤分泌的油脂不断在皮下累积，表层皮肤就会隆起形成“痘痘”，而当痘“长熟”之后，顶部就会爆开，留下一个巨大的毛孔。



爆炸形成巨洞的过程（图片来源：Sergey Buldovicz et al., 2018）

被削弱的冻土



这个过程会比pingo的隆起与坍塌快得多，似乎也能解释这些巨洞的形态，但还存在一些问题。例如，科学家依然不能确定，这里积累的气体是从哪里来的。这些气体既有可能是甲烷水合物融化释放的，也可能是微生物分解了融化冻土中的有机物后释放的气体。还有一种可能——记得这里的天然气储量吗，有可能是地层深处的甲烷释放到了表层。



而另一个似乎无法解释的问题是，在许多有多年冻土覆盖的地区，都有热喀斯特湖存在。然而只有这两个半岛出现过这样爆炸形成的大洞。



最近，挪威奥斯陆大学的环境地球科学教授海尔加·赫勒旺（Helge Hellevang）提出了新的解释：是地层深部储存的温暖甲烷气体，通过断层渗出、积累，最终通过爆炸逸出。



这种假说将这些巨洞的成因与气候变化联系得更紧密了。15世纪以来，亚马尔半岛和格达半岛夏季的平均气温上升了2~2.5摄氏度，这使多年冻土中较薄的区域被进一步削弱，从而在地层下形成了拱形的脆弱区。



当地层深部的甲烷沿着断层逸出时，这些气体就会自然地聚集在这些拱形区域。气体的积聚不仅会积累应力，气体携带的热量还会从底部继续解冻上覆的冻土层。当冻土层足够薄和脆弱，气体就会突破上覆冰层，发生爆炸。
 
图中紫色部分代表甲烷，浅蓝色部分代表上覆冻土，沿断层逸出的甲烷会融化上覆冻土层，形成一个圆柱状结构。（图片来源：Helge Hellevang et al., 2024）



这不仅能解释高甲烷浓度，也能解释几乎完美的圆柱形，就是热的甲烷羽流在不断向上侵蚀薄弱带时，形成的结构。同时，正是这两个地区丰富的天然气储量，才提供了这样形成巨洞的机会。



如今，随着气候变化导致的升温不断削弱多年冻土层，这样的爆炸可能会更频繁地发生



最可怕的猜测



目前，这项研究发布于EarthArXiv预印本网站（未经过同行评审）。一些相关研究者也表示，虽然这个想法有其优点，但还需要更多证据来证明。



2014年，当巨洞第一次出现在民众眼前时，曾引发了各种各样的传言，从天然气管道爆炸，到武器实验，甚至有人怀疑这是外星人的遗迹。然而对科学家来说，这个新的解释虽然不如这些猜测刺激，但却是最让他们担忧的一种：甲烷是一种强效的温室气体，如果地底的甲烷会这样爆裂而出，那这些巨洞就像是一个通向地层深处的大烟囱，正将大量甲烷释放到大气中。



研究显示，北极地区的变暖速率平均而言是地球上其他地方的2~3倍，这一现象被称为“北极放大效应”，这已经严重威胁了极地地区的多年冻土。然而随着多年冻土融化，其中的碳也会被加速释放到大气中，给“气温上升-多年冻土融化-温室气体释放-气温上升”的反馈回路中加入更多的不确定性。



而我们现在看到的，或许就是反馈回路中的一环，是又一个人类正在剧烈改造地球地貌的直观景象。