季节性冻融驱动海底扩张与收缩：北极近海海底霜疱地貌的新发现

《SCIENCE ADVANCES》：Winter in the coastal ocean: Seasonal freezing causes seafloor expansion and contraction

本研究针对极地海底季节性冻融过程观测空白，通过高分辨率多波束测深（2021-2024）与底温监测，首次揭示海底霜疱（5米宽，20-50厘米高）随冰层形成的周期性演变规律。研究发现海底冻融循环受孔隙水淡化和底温变化驱动，为海底稳定性评估及生态系统研究提供新范式。

　　

在北极广袤的冰缘海域，海床之下隐藏着与陆地永冻层类似的地质结构——海底多年冻土（subsea permafrost）。这些冻结沉积物不仅是全球碳循环的关键参与者，更影响着海底工程安全与生态系统平衡。然而，与陆地永冻层研究相比，科学家对海底冻土动态的认知仍存在巨大空白。尤其令人困惑的是：在季节性温度波动下，海底沉积物是否会像陆地一样发生冻胀与融沉？这种过程又会对海底形态产生怎样的影响？

为了解开这些谜团，由国际科研团队开展的一项创新性研究首次通过连续观测数据，揭示了北极近海海底令人惊奇的季节性“呼吸”现象。这项发表于《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）的重要成果，通过对加拿大努纳茨亚武特地区韦伯湾（Webb's Bay）长达四年的高频监测，证实了海底霜疱（frost blister）的季节性形成与消融规律，为理解极地海底动态过程提供了全新视角。

研究人员综合运用多波束测深（multibeam bathymetry）、海底温度监测、沉积物岩心分析等关键技术手段，系统追踪了海底微地貌的时空演变。研究区域选取具有典型海底热喀斯特（thermokarst）特征的韦伯湾，样本来源包括该海域不同水深区域的沉积物柱状样和连续温度记录。

海底地貌特征分析显示，研究区存在三类典型地貌单元：不同尺度的麻坑（pockmark）、霜疱隆起区以及冻胀变形带。其中最引人注目的是直径约5米、高度20-50厘米的圆形隆起——海底霜疱，这些微地貌在冬季低温环境下形成，夏季随水温升高而消失。

季节性变化监测数据揭示了规律性波动：2021年10月（底温约4°C）时，25米以浅海域霜疱几乎完全消失；而到2023年7月（底温接近0°C），同样区域却出现广泛分布的霜疱群。这种年际循环在2023-2024年的观测中得到进一步验证，证实了海底冻融过程的季节性规律。

沉积物岩心证据直接支撑了冻融机制的解释。在霜疱分布区获取的岩心中发现冰透镜体（ice lens），其所在的沉积层位（40-50厘米）正好对应理论计算的最大冻深范围。孔隙水盐度分析显示，近海底沉积物中存在显著淡化的孔隙水（最低盐度7 ppt），这种低盐环境使得孔隙冰在接近0°C时即可形成。

温度动态监测数据构建了完整的驱动链条。系泊式温盐深仪（CTD）记录显示，18米水深点底温在12月至次年5月持续低于-1°C，而孔隙水在盐度20 ppt时的冻结温度为-1.1°C，这为冬季海底冻结提供了充分的热力条件。斯蒂芬方程（Stefan equation）计算表明，季节性冻深可达0.32-0.70米，与观测到的冰透镜体深度高度吻合。

讨论部分深入分析了海底霜疱的形成机制。研究人员指出，这种过程类似于陆地环境中的冻胀现象，其形成需要三个关键条件：持续的淡水补给（通过海底地下水排泄SGD）、低温底水环境、以及适宜的沉积物结构。霜疱的周期性变化不仅反映了海底活动层（active layer）的动态过程，更暗示着这种微地貌可能通过改变沉积物渗透性，进一步影响底栖生态系统的物质循环。

该研究的创新性在于首次通过连续观测数据证实了海底季节性冻融过程的存在，打破了传统认为海底环境温度稳定的认知。这些发现对海底工程安全评估具有重要警示意义：海底电缆、管道等基础设施可能因周期性海底变形而加速老化。同时，研究提出的“海底活动层”概念为理解极地海底生物地球化学过程提供了新框架。

值得注意的是，这种季节性海底变形过程可能广泛存在于中高纬度冷底水海域。随着北极变暖加速，底温变化可能改变冻融节奏，进而影响海底稳定性。该研究通过高分辨率测绘技术（30厘米网格）成功识别微地貌的方法，也为未来海底动态监测提供了技术范本。

这项研究将海底多年冻土研究从“静态保存”推向了“动态过程”的新阶段，标志着我们对极地海底系统的认知迈出了重要一步。正如研究人员所强调的，海底的“呼吸”不仅是一种地质现象，更是连接水文过程、生态系统和工程安全的关键环节，需要在全球变化背景下给予更多关注。