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通常發(fā)育在極地和高原地區(qū)的凍土帶并不被認為是大氣甲烷的重要來源，然而在氣候變暖的影響下，冰封在凍土里的甲烷已經(jīng)發(fā)生了大規(guī)模噴發(fā)。僅在阿拉斯加和格陵蘭島，科學家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過15萬個甲烷氣泡泄漏點，并將這些泄漏點分為以下兩種類型。阿拉斯加地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的天然氣泄漏位置如下圖：

圖中綠色圓點表示類型一：表層泄漏，

黃色圓點表示類型二：深層泄漏，

圓點大小代表天然氣泄漏的強度

一是表層來源的甲烷泄漏。這些甲烷非常年輕，在以百萬年計的地質(zhì)時間尺度上不值一提。它們主要由地表的近現(xiàn)代生物死亡后，被微生物厭氧分解產(chǎn)生的。有機質(zhì)的碳十四年齡表明北極地區(qū)在更新世時期沉積了大量的有機碳甲烷泄露，而這些有機碳在冰川消退后，猶如從冰箱里拿出來的冷凍食品，很快會被分解形成甲烷，造成甲烷泄漏。下圖為天然氣泄漏穿透湖泊冰層形成的冰洞：

圖中a為淺層來源的天然氣泄露；

小型b和大型c為深層來源天然氣泄漏；

d為無人機拍攝的冰洞

第二種類型為深層來源的甲烷泄漏，這些泄漏的甲烷曾經(jīng)被北極的冰凍圈圈閉，但隨著冰凍圈的衰退和減薄被釋放出來。與表層來源的甲烷泄漏相比，深層泄漏的甲烷由于埋藏時間久遠，不再具有碳十四同位素組成。深層泄漏的甲烷主要由沉積深部有機質(zhì)的微生物分解或熱裂解作用形成甲烷報警器，原本儲存在沉積盆地深部的煤層、天然氣藏或天然氣水合物中。

在北極地區(qū)，湖面的季節(jié)性結冰給研究這兩種類型的甲烷泄漏提供了良好的調(diào)查條件。在表層泄漏類型中，氣泡逸出緩慢，容易被捕獲到冰體中，有時在冰塊中形成數(shù)分米大小的小洞，直到數(shù)天或數(shù)周之后被完全凍到浮冰里面。與之相反，深層來源的甲烷泄漏強度大且速率快，能夠穿透0.2~2 m厚的冰層，形成了達300 平米的冰洞。單個深層來源的甲烷泄漏點，每天可泄漏多達14萬升的甲烷。

北極地區(qū)海底甲烷泄漏的標志和特征

海底冷泉是發(fā)育于全球大陸邊緣極其普遍的地質(zhì)現(xiàn)象，常呈線性群產(chǎn)出，主要沿著斷裂帶、被埋藏古河道或被背斜樞紐等分布，或發(fā)育于泥火山和或泥底周圍，經(jīng)常伴隨產(chǎn)生大量自生碳酸鹽巖、生物群落、海底麻坑等較為宏觀的地質(zhì)現(xiàn)象。冷泉活動區(qū)域一般都是海底生命極度活躍的地方，和熱液生態(tài)系統(tǒng)并稱為“深海綠洲”。冷泉附近常發(fā)育有依賴這些流體生存的生物群，最常見的有管狀蠕蟲、雙殼類、螺蟲類和微生物菌等。因此，尋找這些特殊的生物群落是發(fā)現(xiàn)和確認海底冷泉的有力證據(jù)之一。

挪威岸外HMMV泥火山，A為沉積物取樣，

B為原位觀測站，C為白色菌席，

D、E為灰色菌席，F(xiàn)為管狀蠕蟲

甲烷氣泡從海底冒出來進入海洋水體中甲烷泄露，形成氣泡羽流乙炔檢測儀，這便是海底冷泉的另一個重要標志，也是海底沉積物向海洋和大氣釋放甲烷的最主要形式。目前，科學家主要通過水下攝像對氣泡羽流進行觀測。通過測量圖像中氣泡的尺寸和上升速率，便可得知有多少甲烷從沉積物中跑出來了。不過水下攝像的成本高昂，而且探測范圍有限，因此聲吶系統(tǒng)也經(jīng)常被用于搜尋水體中的氣泡羽流。聲吶系統(tǒng)經(jīng)常被漁民用于探測魚群，通過回聲原理它能快速探測到茫茫水體中魚鰾里的氣體，從而鎖定魚群位置。在聲吶反射圖譜中，氣泡羽流主要呈現(xiàn)為直立的火焰狀，這便能與千姿百態(tài)的魚群區(qū)分開來。

圖左為海水中氣泡羽流的聲吶探測示意圖，

圖右為聲吶圖譜

海水中上升的氣泡會不斷的與海水中的氣體進行交換。剛從海底出來的氣泡主要由甲烷組成，但在上升過程中，甲烷不斷的溶解進入水中，而水中的來自大氣層的氧氣、二氧化碳和氮氣等逐漸替代甲烷，成為羽流頂部的主要氣體成分。因此甲烷泄露，海洋是海底甲烷泄漏的天然過濾器，大大降低了海底沉積物向大氣排放甲烷的量?？茖W家通過數(shù)值模擬指出，氣泡羽流僅在100 m以淺的海域能攜帶甲烷進入大氣，而在更深的地區(qū)對大氣甲烷的貢獻很小。然而，在低溫的北極海域，甲烷氣泡從海底釋放出來后，極有可能會迅速包裹上水合物晶體這一厚實的“外衣”，從而阻礙甲烷氣泡和水中氣體的交換，順利將沉積物中的天然氣運送到上層水體，甚至大氣中。

挪威岸外巴倫支海被水合物包裹的甲烷氣泡

（圖片來源Sauter E.）

近二十年來，北極挪威斯瓦爾巴群島岸外的甲烷泄漏吸引了全球科學家的廣泛關注。在這個地區(qū)，從南邊過來的北大西洋暖流與極地冷水團相遇，而在氣候變暖的情況下，原先的暖-冷條件被破壞，可能觸發(fā)海底天然氣水合物的分解，從而造成更大面積的天然氣泄漏。這個地區(qū)的沉積物每年向水體釋放725-1125噸的甲烷，平均每平方米的沉積物每年向海水釋放2公斤的甲烷。

這些甲烷的泄漏顯然與天然氣水合物穩(wěn)定帶的變遷有關，然而目前來看，氣候變化或人類活動如何影響北極地區(qū)的天然氣水合物仍是一個未解之謎，為此，科學家們也紛紛提出了各種假說。有人指出，日益變暖的北大西洋暖流給該地區(qū)帶來溫暖的海水，導致水合物分解。也有人指出，陸地冰川的消退加大了入海河流的流量，從而增加了入海的沉積物總量，給海底增加了負擔，最終導致局部地區(qū)水合物分解。還有人認為，北極地區(qū)的地殼猶如蹺蹺板的一端，原先巨厚的冰蓋把它的底部壓陷到地幔軟流層，而在冰川消退后，地殼開始回彈，從而海水的深度降低，壓力變小導致水合物分解。

挪威斯瓦爾巴群島岸外的水體氣泡羽流分布圖

（圖片來源圖片來源Mario Enrique Veloso Alarcón）

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