在北極圈的一個偏遠半島上，永久凍土層出現了一些巨大的傷口，某種讓科學家擔心的事情似乎正在地下爆發。在一場突然的爆炸之後，地面上留下了一個不規則的凹坑。在凹坑的邊緣，是破碎的地面，灰色的冰混雜著永久凍土。植物的根暴露在坑洞邊緣，顯示出燒焦的痕跡。

這一切讓我們知道，這個位於西伯利亞北極區中部的坑洞在形成時經歷了多麼劇烈的過程。

這些坑洞是非常令人震驚的指示器，預示著在更廣闊的北極地區正在發生的事情

從空中俯瞰，新鮮暴露的泥土在綠色苔原和周圍黑色湖泊的映襯下，顯得格外醒目。進一步觀察可以發現，圓柱形坑洞內部的土層和岩石幾乎是黑色的。當科學家來到洞口的時候，其底部已經形成了一個水池。

葉夫根尼·丘維林（Evgeny Chuvilin）便是最早來到這裡的地質學家之一，他在俄羅斯莫斯科的斯科爾科沃科學技術研究所工作。在一個困擾他長達六年的謎團中，這個深約50米的坑洞可能最關鍵的部分之一。自第一個神秘坑洞在亞馬爾半島另一地點被發現以來，這個謎團就一直縈繞在他腦海裡。

俄羅斯科學院石油和天然氣問題研究所的科學家們在2020年8月對亞馬爾的考察中訪問了這個最新發現的巨洞

當時那個坑洞寬約20米，深約52米，是在2014年由直升機飛行員在其上空發現的，距離亞馬爾半島的博瓦年科沃（Bovanenkovo）氣田約42公里。參觀過該巨洞的科學家——包括研究西伯利亞永久凍土層已有40多年的地球冰凍圈研究所首席科學家馬里亞娜·萊布曼（Mariana Leibman）——把它描述為永久凍土層的一個全新特徵。後來對衛星圖像的分析顯示，這個坑洞（現在被稱為GEC-1）形成於2013年10月9日至11月1日之間的某個時間。

2020年8月，一個電視攝製組在飛行拍攝時發現了這個最新的巨洞，當時他們正與俄羅斯科學院的一組科學家，以及亞馬爾當地政府人員一起進行考察。這一發現使得在亞馬爾半島與鄰近的格達半島上已經發現的巨洞總數達到17個。

但是，究竟是什麼原因導致永久凍土上出現這些巨洞，這些巨洞又是如何突然形成的，在很大程度上仍然是一個謎。它們對於北極的未來意味著什麼，又將如何影響當地人的生活和工作，這些都是懸而未決的問題。在許多研究北極的科學家看來，巨洞的出現是一個令人不安的跡象，表明地球北部這片寒冷且人煙稀少的土地正在發生一些根本性的變化。

巨洞如何形成？

不過，最近的研究開始為這一現象提供了一些線索。可以確定的是，這些洞的形成並不是永久凍土在地表下融化和移動，從而逐漸下沉的結果；它們的形成來源於爆炸。

“當爆炸發生時，大塊的土壤和冰塊會被拋離爆炸中心數百米，”葉夫根尼·丘維林說，“我們所看到的是一種巨大的力量，來自於極高的壓力。地下的壓力為什麼會這麼高，這仍然是一個謎。”

葉夫根尼·丘維林所在的俄羅斯科學家團隊正在與世界各地的同行合作，他們一直在探索這些巨洞，採集樣本並測量數據，希望更深入了解苔原下方的情況。

一些科學家將這些巨洞與冰火山進行了比較。冰火山存在於太陽系的冥王星、土星的衛星土衛六和矮行星穀神星等遙遠天體上，不會噴發熔岩，而是噴發由水、氨、甲烷等揮發物組成的冰岩漿。然而，隨著越來越多處於不同演變階段的北極巨洞得到研究，這些巨洞又被稱為“氣體排放天坑”（gas emission crater）。從這一名稱中，我們可以得到一些有關它們如何形成的線索。

葉夫根尼·丘維林說：“基於衛星圖像的分析表明，在一個原本是冰皋（Pingo）或土堆的地方發生了一場爆炸，形成了一個巨大的坑洞。”。冰皋即凍脹丘，又稱冰堆丘，是一類圓頂狀的小丘。當一層凍結的地面被下方的流水推擠成堆，而後水流開始凍結，土堆就會膨脹形成凍脹丘。在俄羅斯，這種地貌也被稱為“bulgunnyakhs”，源自當地的雅庫特語。它們會隨著季節的變化而消長。在加拿大發現的一些凍脹丘已經有1200年的歷史了。然而，在北極的大部分地區，這些土堆最終往往會崩塌而不是爆炸。

很明顯，西伯利亞西北部的這些土堆很不一樣。葉夫根尼·丘維林解釋道，它們膨脹得“非常快，能推升到數米高”，然後突然爆炸。而且，它們的推升並不是因為正在凍結的水，而似乎是由地下氣體的堆積造成的。

“凍脹丘需要幾十年的時間來形成，並且能持續很長一段時間，”研究永久凍土的北極生態學家、美國伍德威爾氣候研究中心的北極項目主管蘇·娜塔莉（Sue Natali）說，“而這些充滿氣體的土堆則是幾年間形成的。”

在2014年發現的第一個巨洞中，科學家從爆炸的殘餘物中發現了灌木柳樹的年輪。一項針對這些年輪的研究表明，這些植物自20世紀40年代以來就一直在承受壓力。研究人員表示，這些壓力可能來自於地面的變形。

“然而，有證據表明，氣體排放天坑的生命週期可以非常短，從3到5年不等，”俄羅斯莫斯科國立羅蒙諾索夫大學的冰川學家亞歷山大·基茲亞科夫（Alexander Kizyakov ）說道。有衛星圖像顯示，2017年初夏形成的一個名為“SeYkhGEC”的巨洞早在2015年就開始使地面變形。

會爆炸的土堆

在距離亞馬爾半島不遠的喀拉海海底，也發現了類似的與氣穴排放有關的凹坑和土丘，在巴倫支海也發現了類似的痕跡。但蘇·娜塔莉表示，到目前為止，在北極其他陸地上還沒有發現類似的地貌。

在亞馬爾半島和鄰近的格達半島的熱溶喀斯特湖中發現了許多坑洞，這張地圖顯示了7個坑洞的位置

亞馬爾半島和格達半島的永久凍土很容易形成會爆炸的土堆。“那裡的景觀有一些獨特的特徵，”蘇·娜塔莉說，“這個區域具有一層很厚的冰，稱為平頂冰（tabular ice），相當於在永久凍土層上方形成一個覆蓋層。這個地方也具有很多被稱為濕寒土（cryopeg）的地貌，即未凍結土地被永凍層包圍的區域，相當於永凍層夾層。第三個特徵是沉積得非常深的天然氣和石油儲藏。”

埃爾庫塔巨洞（Erkuta crater）是葉夫根尼·丘維林最近發現的一個坑洞，寬約20米，得名於其所在的河漫灘。這個坑洞似乎是在一個乾涸的牛軛湖上形成的。湖泊消失後，其下方留下了一片未凍結的土地，稱為居間不凍層（talik），氣體便在這裡積聚起來。但葉夫根尼·丘維林也指出，確切的天然氣來源在很大程度上仍不清楚。“坑洞研究的關鍵問題是確定在永久凍土表面下所積聚氣體的來源，”他說，“在坑洞出現之後，氣體早就消失了。”

追溯這些土堆的演變以及氣體如何到達那裡，是目前研究的重點。蘇·娜塔莉說：“有趣的是，可能有一種我們從未想像過，或以前未知的新型地球化學過程正在發生。”

研究人員勇敢地下降到坑洞內部，發現洞底部聚集的水中具有較高的甲烷含量，這表明甲烷可能正從下面冒出來。一個主流理論認為，這些埋藏在永久凍土層下方深處的甲烷氣體找到了某種途徑，從冰帽下方未凍結的凹坑中湧起。另一個觀點是，在這些未凍結的凹坑中，隨著水開始凍結，剩餘的水就無法再留住溶解的高濃度二氧化碳，這些氣體便開始以氣泡冒出。

葉夫根尼·丘維林表示，甲烷和二氧化碳的另一個來源可能是在未凍結土地中蓬勃生長的微生物，它們會分解有機物並釋放氣體。在一個特別引人注目的坑洞中，研究人員進行了甲烷的同位素分析，結果似乎證實了這一點。但在最近形成的坑洞底部的湖泊中，產甲烷微生物的活性特別低——即使在發現它們的寒冷環境中也是如此。

不過，甲烷也可能從冰體中洩漏出來。氣體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。當氣體水合物融化時，氣體就被釋放出來。

“我們認為可能存在不同的形成機制，這很難用單一的模型來描述，”葉夫根尼·丘維林說，“這在很大程度上取決於環境和景觀。”他指出，至少有一個坑洞是在河床上發現的。

不管氣體來源是什麼，研究人員基本認為，氣體會積聚在未凍結的地面凹坑中，將堅實扁平的冰帽向上推5到6米，直到它像癤子一樣破裂。一些科學家發現，他們已經被亞馬爾巨洞所吸引。“與這些坑洞相關的未知和風險讓我著迷，”娜塔莉承認道。

當這些土堆最終爆炸時，景像看起來的確很壯觀。充氣凹坑上方的泥土和冰，連同未凍結部分的大部分物質，被拋向300米之外。這種力量是如此之大，以至於1米寬的土塊都會被拋到外面，留下一個帶有凸起邊緣的大坑，其洞口寬大，下方是較窄的圓柱形巨洞——應該就是未凍結的凹坑。當地的馴鹿牧人報告稱，2017年6月，Myudriyakha河岸邊的一個坑洞發生爆炸後，他們看到了火焰和煙霧。在坑洞以南約33公里的Seyakha村，村民稱氣體持續燃燒了大約90分鐘，火焰高達4到5米。

在這個人口稀少的地區，一場發生在如此接近定居點的爆炸引起了人們的關注。該地區還佈滿了石油和天然氣基礎設施的管道，試圖獲取埋藏在永凍土下的化石燃料。“我們還不知道這些事件是否會對北極地區的人們構成威脅，”蘇·娜塔莉說道。她和同事們一直試圖在高分辨率的衛星圖像中尋找其他坑洞的跡象，以回答這個特殊的問題。

“一旦我們發現類似坑洞的東西，我們就會使用非常高分辨率的時間序列圖像（不同時間在同一地點拍攝的衛星圖片）來嘗試弄清楚它們是何時形成的，”蘇·娜塔莉說。他們的工作似乎表明，坑洞的數量要比之前認為的更多。“到目前為止，我們已經確定並證實了兩個新的坑洞位置，還有幾個位置我們仍在確認過程中。在我們的’非常有可能’類別中，有二十幾個候選即將退出。考慮到2013年我們對它們還一無所知，看來很可能還存在更多的坑洞。”

最終，蘇·娜塔莉和她的團隊希望能夠收集到足夠的數據，以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的排氣土丘，在坑洞形成之前對其進行預測。

“我們希望在形成之前就能看到它們，”蘇·娜塔莉說，“當這種情況發生在有人居住、有管道和其他天然氣和石油基礎設施的地區時，這是我們特別想知道的信息。”

就目前而言，要弄清這些坑洞究竟有多常見仍是一個緩慢的過程。這些在爆炸後誕生的坑洞，大多數可能很快就消失在荒原之中，比如在Seyakha村附近的爆炸事件中留下的坑洞——寬70米，深度超過50米——由於靠近河邊，在短短4天內就裝滿了水。在一場劇烈事件之後，坑洞轉變成了湖泊，這似乎是一個相當人畜無害的結局。

其他坑洞則需要更長的時間才能被水淹沒，但在一到兩年的時間裡，洞口邊緣會逐漸侵蝕，裡面開始充滿水，變得幾乎無法與其他成千上萬的小面積圓形湖泊——稱為熱溶喀斯特湖（thermokarst lake）——區分開來。我們仍不清楚這些湖泊中究竟有多少是“氣體排放天坑”留下的痕跡。

“永久凍土中的一些湖泊很可能是被水淹沒的排氣坑洞，”亞歷山大·基茲亞科夫說，“現在說這種湖泊形成機制有多普遍還為時過早。”一些研究人員試圖通過測量特定湖泊中溶解的化學物質來確定以前的氣體排放坑洞，但目前還未能發現任何模式。

更大的影響

了解這些事件究竟有多普遍不僅僅是出於好奇。越來越多的人擔心，在西伯利亞西北部出現的巨洞可能與氣候變化導致北極發生更廣泛的變化有關。北極表面氣溫的上升速度是全球平均水平的兩倍，這增加了夏季永久凍土層的解凍量。這本身也在改變北極的地貌，導致地面下沉和滑坡，即所謂的“熱融滑塌”。西伯利亞擁有可能是地球上最大的熱融滑塌地貌——巴塔蓋卡坑，又稱巴塔蓋卡巨型塌陷（Batagaika megaslump），它從20世紀60年代的一個峽谷發展到近900米寬，被當地人稱為“地獄之門”。

“據我所知，在這個星球上，沒有其他任何一個地方的氣候變化能像這樣導致地面的物理結構發生變化，”蘇·娜塔莉說。

大量的碳被固定在北極永久凍土層中，大約是目前大氣中碳含量的兩倍，主要以冰凍的植物和其他有機物質的形式存在，以及困在冰晶中的甲烷，即葉夫根尼·丘維林之前提到的氣體水合物。隨著地面解凍，微生物會分解有機物，釋放出甲烷和二氧化碳等副產物，而困在冰晶裡的甲烷也會釋放出來。

作為一種強效的溫室氣體，從永凍土中洩漏出來的甲烷有可能加速全球變暖，從而導致更多的永凍土融化。但在亞馬爾半島，巨洞有可能會引發另一個過程，而這個過程會給氣溫上升、永久凍土融化和溫室氣體釋放之間的複雜反饋迴路增加更多的不確定性。如果最終發現，困在地下深處永凍層的甲烷沉積物開始從通常無法滲透的永凍層中向上滲出，可能預示著苔原上方的冰帽會變得更容易滲透。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。

“這些坑洞是非常令人震驚的指示器，預示著在更廣闊的北極地區正在發生的事情，”蘇·娜塔莉說，“當你審視這個地區正在發生的變化，會發現有些是逐漸發生的，有些則會突然發生。很少會發生爆炸性的變化，但這些事件引起了人們對所有這些變化將如何影響大氣中溫室氣體的關注。”

儘管亞馬爾巨洞之謎仍有待研究，但迄今為止已經揭示的事實表明，這些坑洞有著重要的意義，未來人類應該更仔細地觀察它們。