冰下地质条件与热状况调控斯瓦尔巴冰川的甲烷排放

《Nature Communications》：Subglacial geology and thermal conditions regulate methane emissions from Svalbard glaciers

　　

来自山谷冰川（valley glacier）和冰盖（ice sheet）的融河通过输送冰川下方微生物或地质来源的甲烷（methane, CH4），使其可被大气排放。然而由于研究有限，此类甲烷释放的机制与量级仍不清楚。研究人员显示，斯瓦尔巴中部19条山谷冰川融水中的甲烷过饱和受冰下地质条件和冰川热状况控制。研究人员发现所有采样融水均甲烷过饱和，峰值浓度达大气平衡值的425倍。甲烷碳同位素组成及乙烷（ethane, C2H6）和丙烷（propane, C3H8）的存在表明甲烷主要为热成因（thermogenic）来源。探地雷达（ground-penetrating radar, GPR）调查显示，冰川底部温性冰（temperate ice）范围在促进甲烷获取方面起关键作用，尤其在富含有机质、页岩主导地质单元分布区。该机制认识适用于全球具有富含有机质地质的冰川区，并表明加速冰川融化可能放大冰川下方甲烷的活化与释放。

论文解读：冰下地质与热状况调控斯瓦尔巴冰川甲烷排放

研究背景方面，北极快速升温使冰川融化与多年冻土（permafrost）解冻增强自然甲烷排放。冰川可作为低温高压的冰冻圈盖层（cryospheric cap），封存地质天然气与气体水合物（gas hydrate），也可通过冰蚀与构造应力使甲烷进入冰下环境。目前冰下甲烷释放的温度依赖机制、区域排放量及冰川热状况（thermal regime）与基岩地质耦合关系仍缺乏直接观测，因此研究人员以斯瓦尔巴这一多热性冰川（polythermal glacier）广泛分布、富含有机质源岩的高北极群岛为对象，开展大样本融水采样与冰下热结构探测。

该研究由研究人员在斯瓦尔巴中部开展，对19条土地端山谷冰川的融河沿程布设样带，结合同位素地球化学与探地雷达热结构调查，判定甲烷来源、量化过饱和度，并估算全群岛尺度甲烷运移量。论文发表于《Nature Communications》。

主要技术方法中，研究人员建立19条冰川融河样带，自冰川末端近处向下游至终碛或峡湾口采样；利用气相色谱测定溶解甲烷、乙烷、丙烷浓度，以稳定碳同位素组成（δ¹³C–CH₄）和湿度比 C₁/(C₂+C₃) 判别微生物源与热成因源；利用表面耦合探地雷达获取冰厚与底部温性冰分布，以底部温性冰比例作为冰床水力连通代理变量；并结合冰川面积、模拟年径流量（runoff）进行单冰川与斯瓦尔巴全域向上扩展估算。样本队列为斯瓦尔巴中部19个土地端山谷冰川集水区，部分冰川以相邻同地质同规模冰川作探地雷达替代。

研究结果如下。普遍甲烷过饱和部分显示，研究人员在148个河流样品中发现融水普遍过饱和，末端近处浓度为9至1700 nM，近0℃水中高于约4 nM即脱离大气平衡，沿河因脱气（outgassing）而降低，证明冰川河是大气甲烷净源。主要为热成因甲烷并有河道内产甲烷作用补充部分显示，δ¹³C–CH₄ 多位于 ?50‰ 至 ?20‰ 的热成因区间，仅3条河末端呈微生物签名；乙烷与丙烷湿度比指向油伴生、早成熟或晚成熟热成因气。沿河同位素进一步变负指示河道沉积物中微生物产甲烷（methanogenesis），培养实验亦支持该次要来源。冰下地质与热状况决定融水甲烷浓度部分显示，地质单元显著预测上游甲烷浓度，页岩承载的三叠纪中世、侏罗纪晚世、白垩纪早世单元甲烷潜力最高；加入底部温性冰比例后模型可解释四分之三方差，说明富有机质页岩区必须有解冻且水力活跃冰床才能高效淋滤甲烷。潜在甲烷排放部分显示，单冰川年冰下甲烷运移从约1 kg CH₄ a^-1 到 Penckbreen 的5130 kg CH₄ a^-1；两种向上扩展法给出斯瓦尔巴土地端冰川2023年约364至368 t CH₄ a^-1、2024年约219至364 t CH₄ a^-1，且因未计早季脉冲与末端前损失而被视作保守值。

讨论与结论部分，研究人员指出冰川融水甲烷由下伏地质与冰床热状况共同控制：页岩丰富且具温性冰底的冰川释放最强；热成因甲烷主导，微生物产甲烷与甲烷氧化（methanotrophy）为次要过程。随全球升温，冰川变薄先因冰床水力活动增强而提高甲烷活化，后在转为冷底冰川（cold-based glacier）时减弱，而冰前地下水（groundwater）与冻土内水流成为后期更重要通道。与格陵兰结晶基岩下的微生物甲烷相比，斯瓦尔巴单位面积通量更高，提示北极俄罗斯、加拿大、东北格陵兰及部分南极等富烃（hydrocarbon）冰川区存在被低估的甲烷源。

结论译文为：该研究证明斯瓦尔巴冰川河对冰下甲烷的输送受下伏地质与冰川冰床热状况控制。位于富页岩地质单元且具有解冻、水力活跃冰床的冰川会活化显著更大的甲烷通量。斯瓦尔巴冰下甲烷主要为热成因，溶解气体同位素与湿度比可证实；微生物产甲烷与甲烷氧化虽存在，但弱于地质控制。随着冰川持续融化，冰床水力活动短期放大甲烷释放，长期冷底化则使冰下渠道贡献下降，富甲烷地下水成为主导源。该框架可用于评估全球富含有机质地质区山谷冰川的甲烷通量，并对改进变暖气候下自然甲烷排放预测具有关键意义。