三同位素分析将微生物甲烷的来源锁定为拉普捷夫海南内陆的海底永冻层

北极海下的隐秘气体

远在西伯利亚海岸之外，一片浅浅的北极海域下隐藏着一层冻结的海底土壤，称为海底永冻层。随着北极升温速度超过地球其他地区，这一曾经稳定的地层开始解冻。被封存其中的是大量甲烷——一种强效的温室气体。本研究提出了一个紧迫的问题：泄漏出来的甲烷是什么类型、年代如何，以及它有多大可能到达大气并影响未来的气候变暖？

浅海中的甲烷热点

研究人员在2016至2020年间进行了四次船上考察，目标是拉普捷夫海南部，属于辽阔的东西伯利亚北极大陆架的一部分。他们用声纳定位上升的气泡羽流，并用传感器测量溶解甲烷，绘制出一个主要热点图——底层水体中的甲烷浓度最高达到与空气平衡状态相比的6000倍。这些热点随年际有所移动，但该区域持续展现出强烈的海底鼓泡，尤其是在大约10–15米深的浅密度层以下，表明来自下方的气体释放既强烈又持久。

追踪气体的年代与起源

为了弄清这些甲烷来自何处，团队将每份气体样品视为化学指纹。他们测量了甲烷的三种不同同位素信号：碳-13、碳-14和氘（氢的重同位素）。碳-14信号表明这些气体极为古老——超过48,000年，远早于现代植物物质。与此同时，稳定碳与氢的同位素分布符合微生物生成的甲烷，而非在高温下形成的常规天然气或石油产生的热成因甲烷。诸多线索共同指向：这是长期封存在冻结沉积物中的古老微生物甲烷，而非近表层泥沙中新近产生或由河流输送来的年轻甲烷。

来自长期冻结储层的泄漏

通过将这些同位素指纹与统计混合模型结合，科学家们分离出不同深源的贡献。他们发现主要来源——约占60%到80%——来自他们所称的海底永冻层相关甲烷：即由古老有机质产生的微生物甲烷，随后以游离气体或类似冰的甲烷水合物形式被困在冻结的海底中。较小的部分似乎来自更深的化石气藏。强烈鼓泡的分布模式，连同先前的钻探和模拟研究，表明主要泄露发生在永冻层被解冻形成的通道（称为塔利克）处，这些通道充当竖直通路，使气体从埋藏的储层向上输送。

从海底气泡到头顶空气

追踪甲烷离开海底后的行程，研究团队发现从底层水体到水面都保持着相同的同位素指纹，仅发生有限的变化。如果水体中的细菌大量分解甲烷，同位素信号会以可识别的方式显著偏移。然而，数据表明氧化作用受限，浓度变化的主要驱动是气泡上升和部分溶解过程中发生的混合与稀释。在这片非常浅的海域，大部分气体很可能迅速到达水面，尤其是在剧烈搅动水体的风暴期间，然后继续进入大气。

对未来变暖的意义

研究表明，内陆拉普捷夫海南部下方一个大型、长期冻结的微生物甲烷库已经在泄漏，而且这些气体能有效地逃逸到空中。这一行为有别于拉普捷夫海更深处的海域，那里的早期研究显示以热成因、类似石油的甲烷为主。结论是：北极大陆架并非只有单一类型的甲烷来源，而是由古老储层与不同释放通路组成的拼图。由于海底永冻层及其可能含有的甲烷水合物易受持续变暖的影响，这些排放在未来可能增加，从而为全球气候变化增加额外推动力，而当前的监测系统可能难以及时发现并应对这些变化。

引用: Brussee, M., Holmstrand, H., Wild, B. et al. Triple-isotopic analyses pinpoint microbial methane release from subsea permafrost in the inner Laptev Sea. Commun Earth Environ 7, 211 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03222-7

关键词: 海底永冻层, 北极甲烷, 拉普捷夫海, 气候反馈, 甲烷水合物