科学家在北极海底发现神秘的现代水下冰结构

一组国际研究人员利用蒙特雷湾水族研究所（MBARI）的先进水下技术探索和记录了偏远北极地区水下景观的变化，重点研究了永久冻土融化和新冰形成的影响。蒙特雷湾水族研究所（MBARI）的研究人员与一个国际团队合作，在偏远的北极地区加拿大波弗特海边缘发现了大面积的水下冰层。 这一发现揭示了导致海底永久冻土冰持续形成的一个以前未知的过程。

由加拿大海洋生物资源研究所（MBARI）高级科学家查理-保尔（Charlie Paull）领导的一个国际研究小组利用该研究所先进的水下技术，记录了北冰洋偏远地区海底雕刻的动态过程。 研究小组在加拿大波弗特海发现了大型水下冰层。 这一发现揭示了海底永久冻土冰正在形成的一种意想不到的机制。 图片来源：Dave Caress © 2022 MBARI

在 MBARI 先前的一项研究中，研究人员在这一地区的海底观察到了巨大的陨石坑，这是由于淹没在水下的古代永久冻土解冻造成的。 在随后的一次考察中，MBARI 的研究人员和来自韩国极地研究所 (KOPRI)、韩国地球科学和矿产资源研究所、加拿大地质调查局以及美国海军研究实验室的合作者在探索这些陨石坑的侧面时，观察到了裸露的海底永久冻土冰层。

利用美国微生物资源研究所（MBARI）的 MiniROV 对北极海底进行的勘测发现了新的永久冻土冰层（黑色），这些冰层是融化的永久冻土释放出的地下水在接近寒冷的海底表面时重新冻结而形成的。 这代表了一种之前未曾预料到的海底永久冻土形成机制。 图片来源：© 2022 MBARI

最近发现的冰层与上一个冰期形成的古代永久冻土层不同，而是在当今条件下形成的。 这种冰是在更深层的古代海底永久冻土融化时产生的，形成的咸水地下水在接近海底时上升并重新冻结，而海底的环境温度大约为-1.4度摄氏（29.5度华氏）。

北极地区海底形态复杂，既涉及很久以前淹没在海底的古老永久冻土的融化，也涉及释放出的海水重新冻结时现代海底的变形。

MBARI 的自主海底测绘机器人可以将海底的水深可视化到一米见方（11 平方英尺）的网格分辨率，也就是大约一张餐桌的大小。 图片来源：Dave Caress © 2022 MBARI

上一个冰期过后，海平面上升，覆盖了北极大陆架上的古老永久冻土。 由于热量从地球流出，这片古老永冻土的底部正在缓慢地变暖和融化--造成北极海底永冻土融化的原因是更为古老和缓慢的气候变化，而不是人类驱动的气候变化。 当这些水迁移到较冷的海底时，就会冻结。 冻结的冰层推起了冰脊和冰丘。 海水渗入起泡的海底表面，融化冰层，留下巨大的天坑。 海底附近盐度的巨大变化和温度的微小变化之间的动态相互作用推动了这一过程。

研究小组在《地球物理研究杂志》上上发表了这些新发现。

"我们的工作表明，永冻土冰层正在海底附近的广大区域积极形成和分解，形成了一个动态的水下景观，其中有巨大的天坑和覆盖着沉积物的大型冰丘，"该研究的第一作者、MBARI 的地质学家查理-保尔（Charlie Paull）说。"这些巨大而持续的海底变化对决策者在北极水下基础设施方面的决策有着巨大的影响"。

自2003年以来，MBARI一直参与国际合作，对加拿大北极大陆架边缘的海底进行研究。 由于气温升高导致海冰消退，科学家们最近才得以进入这一偏远地区。

加拿大波弗特海（Canadian Beaufort Sea）大陆架边缘的独特地形，包括迅速形成的巨大陨石坑和大型土丘，都是通过海洋生物资源研究所（MBARI）的海底测绘自动潜航器进行反复勘测后发现的。 图片来源：Eve Lundsten © 2022 MBARI

加拿大研究人员在 2010 年进行的测绘调查首次发现了该地区独特的崎岖海底地形。 2013 年，MBARI 研究人员及其合作者在该地区进行了首次高分辨率测绘调查。 研究小组利用 MBARI 的自动潜航器 (AUV)，详细记录了海底地形。

在 12 年的时间里，研究小组在这一地区进行了五次测绘，其中两次是在加拿大的研究船上进行的，另外三次是利用 MBARI 的先进水下技术进行的，结果发现海底有 65 个新形成的陨石坑。 最大的陨石坑有一个城市街区的六层楼那么大。

2022 年，研究小组乘坐 KOPRI 的破冰研究船 Araon 号返回北极。 他们首先利用 MBARI 的两艘海底测绘自动潜航器来确定最近形成的陨石坑。 然后，他们利用甲基溴研究所的微型遥控潜水器对这些特定的陨石坑进行了目测。 这种便携式遥控潜水器由 MBARI 工程师开发，可以为各种科学任务进行配置。 它配备了照相机和采样设备，是研究北极海底不可或缺的设备。 研究人员在利用微型遥控潜水器探索海底时，观察到最近形成的两个大型海底陨石坑内的冰层。

对这些地层和周围海底沉积物样本的同位素分析证实，冰来自咸水地下水，部分是由海底上升的古老永久冻土融化形成的。 上升的地下水在海底附近重新冻结，形成广泛的海底下冰层，使海底起泡，形成冰丘。

MBARI 高级科学家查理-保尔（Charlie Paull，左二）领导的国际研究小组揭示了在北冰洋偏远地区海底形成巨大陨石坑和新的海底永久冻土冰的动态过程。 图片来源：Dave Caress © 2022 MBARI

温度和盐度的微小变化造成了上升咸水地下水的冻结和近海底冰层的融化之间的变化。 这些持续不断的过程相互配合，形成了由无数洼地和不同年代的冰丘组成的壮观的海底景观。

保尔说："这些发现颠覆了我们对水下永久冻土的假设。"我们以前认为所有的水下永久冻土都是上一个冰河时期遗留下来的，但我们了解到，现代海底的水下永久冻土冰也在积极形成和分解"。

这些海底冰层的形成过程以前从未被考虑过，可能发生在底层水温低于零摄氏度的地方。

"这一发现意味着，我们以前用来定位海底永久冻土的技术并不适用于我们最近在北极发现的近海底冰层类型。 我们现在需要重新研究北极大陆架下可能存在永久冻土的地方。"

DOI: 10.1029/2024JF007719

编译自/SciTechDaily