范曉鵬，張楠，胡正毅，安春雷，史貴濤，宮達，李冰，楊成，李傳金，劉科，于金海，劉博文，魯思宇，馬天明，孫友宏，Pavel Talalay，李院生*

（1.吉林大學極地研究中心，吉林 長春130026；2.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春130026；3.吉林大學建設工程學院，吉林 長春130026；4.中國極地研究中心，上海200129；5.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京100083；6.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；7.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京200136）

0 前言

冰芯因其分辨率高、信息量大、保真性強、時間序列長和潔凈度高而成為研究地球系統(tǒng)中環(huán)境、生物、化學和物理過程的最好媒體［1］。自20世紀50年代以來，世界各國相繼在南北極冰蓋進行了大量的深冰芯鉆探工程，獲得了大量寶貴的冰芯［2-6］，其中利用EPICA Dome C冰芯重建了過去80萬年的氣候變化序列［7-8］。重建結果表明，南極冰芯記錄的氣候變化以10萬年為主導周期，但大約在90萬年前發(fā)生了重大轉型，從之前的4萬年周期為主轉為之后的10萬年周期為主（中更新世氣候轉型），這一轉變在EPICA Dome C冰芯記錄似乎有所體現(xiàn)［9］。要認識這一氣候轉型事件，獲取更長的冰芯記錄是最為關鍵的。為此，冰芯研究國際合作委員會（International Partnerships in Ice Core Sciences，IPICS）發(fā)表的白皮書中提出了最古老冰芯計劃用以回答中更新世氣候轉型與地球氣候循環(huán)從4萬年轉換到10萬年的起因和驗證溫室效應假說［10-11］。美國、歐盟、俄羅斯、澳大利亞、日本都已將尋找最古老冰芯計劃列為國家南極科學考察計劃，共同致力于尋找和獲得超百萬年的冰芯記錄。

位于東南極洲冰蓋最高點的Dome A具有年平均氣溫極低（－58℃）、凈積累率很?。ǎ?5 mm w.e./a）、冰流速極緩、冰厚度大（＞3000 m）等特征，其滿足了獲取超過百萬年冰芯記錄的必要條件［12-14］，是實現(xiàn)通過冰芯記錄辨識中更新世氣候轉型的理想之地。為此，我國于2012年1月在Dome A區(qū)域正式開展實施了南極昆侖站深冰芯科學鉆探工程，截至2021年，該鉆孔深度已達803.54 m［15］。該工程是我國第一個深冰芯科學鉆探工程，也是國際上第一個在Dome A地區(qū)開展的深冰芯鉆探項目。本文詳細介紹該深冰芯鉆探工程實施的整體情況，對過去近10年的鉆探活動和經(jīng)驗進行總結，為后續(xù)的深冰芯鉆探提供理論和經(jīng)驗指導。

1 鉆探場地

南極昆侖站深冰芯鉆孔位于距離Dome A最高點7 km處 的 中 國 南 極 昆 侖 站（80°25′01″S，77°06′58″E）（圖1），此 處 海 拔 近4100 m，冰 厚＞3000 m［16］。

圖1 南極昆侖站深冰芯鉆孔位置[16]Fig.1 Location of the deep ice core borehole at Kunlun Station,Antarctica

為在昆侖站建設使用壽命30年以上的深冰芯鉆探場地，中國極地研究中心借鑒了日本Dome Fuji深冰芯鉆探的成功經(jīng)驗，場地結構設計為鋼結構加強的半地下建筑結構。鉆探主場地長×寬×高為40 m×4 m×3 m，采用36 t鋼結構螺栓連接為一體框架支撐，底部由木方、木板和聚乙烯泡沫板夾層形成保溫地板，屋頂采用木板和苫布進行遮擋。場地從2009/2010考察季開始建設，于2010/2011考察季建成主鉆探場地，隨后又于2015/2016考察季建成冰芯儲藏室，從而形成了如圖2所示的鉆探場地。

圖2 鉆探場地平面布置Fig.2 Layout of the drilling site

2 鉆探設備及鉆具

深冰芯鉆探裝備主要包括日本Geo Tecs公司生產(chǎn)的D-3型粒雪層干孔取芯鉆機和中國極地研究中心與日本Geo Tecs公司聯(lián)合研制的CHINARE/JARE型深冰芯鉆機。其中粒雪層干孔取芯鉆主要用于在冰蓋上覆粒雪層中形成先導孔，隨后擴孔下入套管，為后續(xù)需填充鉆井液的深冰芯鉆探做準備；深冰芯鉆機則用于進行粒雪層以下的冰層取芯鉆進。以上2種鉆機均采用孔底動力鉆具，由鎧裝電纜進行鉆具供電和提放。

粒雪層干孔取芯鉆具（圖3）在鉆進過程中不需要添加鉆井液，鉆進切削的冰屑沿旋轉冰芯管外表面的螺旋翼片由內(nèi)外管間隙上返至冰芯管上方窗口處，并由此落入冰芯管內(nèi)部，冰芯則從鉆頭處直接進入冰芯管內(nèi)。提鉆時，冰芯和冰屑均隨鉆具一起由鎧裝電纜提升至地表進行移除。當鉆進至指定深度后，則可將鉆具下方冰芯管和外管替換為擴孔鉆具進行擴孔鉆進，擴孔鉆具下部空心管深入先導孔內(nèi)充當導向管，防止出現(xiàn)分支孔。冰屑則直接由導向管上方刀頭處設置的窗口進入導向管內(nèi)，實現(xiàn)冰屑收集。擴孔鉆進共分3級將鉆孔擴大至設計直徑。

圖3 D-3型粒雪層干孔取心鉆具和擴孔鉆具Fig.3 D-3 shallow ice core drill and reamer for firn drilling

深冰芯鉆探需更換為深冰芯鉆機，孔內(nèi)需填充鉆井液以輔助排屑和維持孔壁穩(wěn)定。圖4為采用的深冰芯鉆具。

圖4 CHINARE/JARE型深冰芯取芯鉆具結構Fig.4 Structure of CHINARE/JARE deep ice drill

該鉆具的孔底動力電機安裝于測控艙內(nèi)。鉆進時，電機通過減速器驅動冰屑室中心管、冰芯管和鉆頭回轉鉆進，而鉆具外管則不回轉。鉆進產(chǎn)生的冰屑在冰芯管外壁上螺旋翼片的驅動下，沿內(nèi)外管間隙上返至冰屑室，冰屑被冰屑室外管阻擋在冰屑室內(nèi)，鉆井液則經(jīng)由冰屑室外管上均布的直徑為1 mm的小孔流入鉆具和鉆孔環(huán)狀間隙，并再次流動至鉆頭處實現(xiàn)循環(huán)。為了提高冰屑收集率，冰屑室中心管上安裝了多個短助力螺旋，可輔助運輸冰屑。鉆具頂部電纜終端內(nèi)安裝有彈簧和位移傳感器，通過彈簧壓縮量即可測得電纜張力，結合鉆具自重即可得到鉆壓。該鉆機最大鉆進深度為4000 m，成孔直徑為135 mm，取芯直徑為95 mm，最大取芯長度為3.9 m，井下鉆具轉速為0～50 r/min。圖5為深冰芯鉆機實物圖。

圖5 深冰芯鉆機實物Fig.5 Deep ice drilling rig

3 鉆探工程進展

中國昆侖站南極深冰芯科學鉆探工程于2012年1月7日正式開始實施，至2021年8月，已經(jīng)成功地進行了5個工作季的鉆探施工和1個工作季的維護作業(yè)，孔深達到了803.54 m。圖6為深冰芯鉆孔結構圖。由于中國南極昆侖站每個工作季的工作天數(shù)在20 d左右，而去除鉆探前準備和收尾工作后，每個工作季的純鉆進天數(shù)只約為15 d，6個工作季的實際純鉆進天數(shù)僅60 d。

圖6 深冰芯鉆孔結構Fig.6 Structure of the Kunlun’s deep ice hole

各工作季具體任務如下。

3.1 2011/2012工作季

主要采用D-3型粒雪層干孔取芯鉆具和擴孔鉆具進行先導孔施工。此次鉆探共完成了118回次取芯鉆進，取芯鉆進深度為120.79 m，平均回次取芯長度為1.02 m，平均鉆進速度為6.9 m/h，鉆孔直徑為135 mm。隨后，分3次擴孔將鉆孔直徑依次擴大至180、215和245 mm。最后，向孔內(nèi)下入了100 m長的?230 mm玻璃纖維套管以保護粒雪層孔壁。

3.2 2012/2013工作季

主要進行鉆探槽挖掘、深冰芯鉆機安裝和調(diào)試工作。在深冰芯鉆機就位后，向孔內(nèi)灌注了醋酸丁酯作為沖洗液，并成功鉆進了3個回次，總鉆進深度為10.45 m，平均回次進尺約為3.48 m，最長取芯長度為3.83 m。鉆進中鉆壓控制在鉆具自重的30%～60%，鉆頭回轉速度為50 r/min。本工作季同時修建了控制室和挖掘了長×寬×高為30 m×5 m×3 m的冰芯儲藏室。

3.3 2014/2015工作季

共完成54回次鉆進，總鉆進深度為172.52 m，平均回次進尺為3.20 m，平均鉆進速度為5.65 m/h，鉆進中共向孔內(nèi)灌注沖洗液3000 L。在鉆進11 d天后，由于沖洗液不足而中止鉆進。

3.4 2015/2016工作季

首次采取了兩班作業(yè)模式（白班5人，夜班4人），每天工作16～18 h（8：00～24：00或次日2：00），每班工作8～9 h。本次深冰芯鉆探共鉆進了119個回次（包括打撈冰屑5個回次），總進尺為350.9 m，總孔深為654.66 m，平均回次進尺2.95 m。每天平均可以進行8～9個回次鉆進。隨著深度增加，回次時間從1.5 h逐漸增加到2 h。鉆進中共收集冰屑3.6 m3，共灌注沖洗液約6400 L。此外，在該工作季對冰芯儲藏室進行了內(nèi)部底板鋪設和冰芯儲存架搭建。

3.5 2016/2017工作季

繼續(xù)沿用兩班作業(yè)模式，共完成了55回次取芯鉆進和18回次冰屑打撈，鉆進深度為146.1 m，總孔深達到了800.76 m，平均回次進尺為2.65 m。在該工作季的鉆探中，由于鉆具老化和脆冰層的出現(xiàn)使得鉆進中出現(xiàn)了許多問題：（1）鉆具頻繁出現(xiàn)故障，其中鉆具電機和諧波減速器均損壞并進行了更換；（2）打撈冰屑過程中，鉆具螺釘落入孔內(nèi)；（3）鉆遇脆冰區(qū)，冰芯破碎，回次進尺短；（4）冰屑移除困難，當鉆進超過2 h時，冰屑室中心管難以從冰屑室中拔出，大大增加了地表作業(yè)時間，降低了回次鉆進效率。處理以上事故占用了一定現(xiàn)場鉆進時間，因此該工作季整體鉆進效率較低。

3.6 2018/2019工作季

派遣3人對已有鉆孔和鉆機進行了簡單的維護作業(yè)。在對鉆機進行維護時，發(fā)現(xiàn)絞車變頻器損壞，且由國內(nèi)攜帶至鉆探場地的鉆具驅動部分內(nèi)部銹蝕嚴重，無法正?；剞D，最終在更換了新的絞車變頻器和鉆具驅動部分后，鉆機功能恢復正常。在將鉆具下入鉆孔過程中，同樣遭遇了困難，鉆具分別在下放至120、150和170 m深度處發(fā)生卡頓，經(jīng)過調(diào)松反扭板簧和慢速回轉拆除刀頭的冰芯管，鉆具順利通過卡頓孔段，并到達800.73 m深度處的孔底。在此過程中，鉆具內(nèi)收集到約4 kg冰屑。懷疑是由于冰屑在沖洗液表面堆積形成冰塞造成鉆具下放困難。在確認鉆具和鉆孔均處于較好狀態(tài)時，僅進行了1個回次鉆進，進尺深度為2.78 m，鉆孔總深度達到803.54m。

3.7 小結

6個工作季的整體鉆進深度和日進尺量隨時間變化曲線如圖7所示。6個工作季共鉆進約547回次，其中取芯鉆進340回次、擴孔鉆進170回次、冰屑打撈23回次、零件落孔打撈5回次，其他丟芯打撈或無效回次共9回次。日平均鉆進回次數(shù)2011/2012工作季為15回次，2014/2015工作季為5回次，2015/2016工 作 季 為8回 次，其 中2015/2016工作季采用了兩班作業(yè)模式，因此日平均鉆進回次數(shù)高于2014/2015工作季（日工作時間是10 h），日進尺深度最高達到了36.39 m。

圖7 各工作季深冰芯鉆孔深度和日進尺隨純鉆進天數(shù)變化曲線Fig.7 Curve of deep ice core drilling depth and daily footage as a function of net drilling days in each working season

4 鉆進參數(shù)

4.1 回次進尺和機械鉆速

圖8 為前5個工作季回次進尺、機械鉆速、純鉆進時間隨孔深變化曲線。從圖8中可以看出，2011/2012工作季取芯長度隨孔深增加呈線性下降，這主要是由于第一季度采用了淺鉆鉆具，其冰芯管內(nèi)由位置可調(diào)的圓形泡沫隔板分割為冰屑室和冰芯室兩段，初始鉆進時，表層雪密度低、孔隙度大，冰屑所占體積比例小于冰芯，冰芯長度可達到1.3 m以上，但隨著鉆孔深度增加，粒雪密度變大，冰屑所占體積比例大于冰芯，因此冰芯長度逐漸減小至1 m以下。而第2～5個工作季中，采用深冰芯鉆機進行鉆進，冰屑管和冰芯管各為獨立腔室，因此回次進尺長度僅受鉆進參數(shù)和冰物理性質影響，且基本穩(wěn)定在3 m左右。在第4個工作季中，當鉆進至500 m孔深左右時，由于孔內(nèi)殘留冰屑堆積，造成回次進尺有所降低，且井下鉆具回轉電流增大較快，經(jīng)過3個回次冰屑打撈后，回次進尺恢復正常。

圖8 回次進尺、機械鉆速和純鉆進時間隨孔深變化曲線Fig.8 Curve of footage per run,ROP,and net drilling time as a function of borehole depth

從機械鉆速來看，采用粒雪層干孔鉆進最大機械鉆速可達12 m/h，而采用深冰芯鉆的機械鉆速均小于8 m/h，其中2014/2015工作季基本穩(wěn)定在6 m/h，2015/2016工 作 季 大 部 分 集 中在4～7 m/h。2016/2017工作季，受到脆冰區(qū)的影響，鉆進速度明顯降低，在2～4 m/h。從回次純鉆進時間也可看出，深冰芯鉆的純鉆進時間多數(shù)集中在30～50 min之間，而2016/2017工作季則明顯高于其他工作季。深冰芯鉆探的回次鉆進時間平均為1.5～2 h。

4.2 鉆進電流和鉆壓

鉆進過程中鉆具內(nèi)電機工作電流的變化是深冰芯鉆探的重要指示指標。正常鉆進時，鉆進電流為2～3.4 A，多數(shù)在2.5 A以上。在同一回次中，隨著鉆進深度增加，電流值將緩慢增大，當鉆進至最大長度時，電流將超過3.4 A，此時需及時停鉆，否則易造成冰屑管內(nèi)冰屑堆積過于密實，在地表拔出冰屑管將異常困難。在鉆進過程中，鉆進電流主要受進尺量和鉆壓影響較大。其中采用大進尺量鉆進時，鉆進電流明顯大于小進尺量鉆進電流，圖9為采用不同進尺量和不同前角刀頭組合鉆進時的電流隨鉆進深度變化曲線，從圖中可以看出，采用前角為35°刀頭和40°刀頭的鉆進電流無明顯差異，但采用3 mm進尺量的鉆進電流明顯大于2 mm進尺量的電流，當嘗試采用4 mm進尺量鉆進時，回次開始的鉆進電流值已經(jīng)達到3.3 A，因此該回次僅鉆進0.88 m，隨即被迫停止鉆進。

圖9 不同刀頭和進尺量的鉆進電流隨進尺深度變化曲線Fig.9 Curve of drilling current with different cutter heads and footage as a function of drilling depth

鉆壓是鉆進的重要參數(shù)，鉆進過程中需根據(jù)實際情況隨時調(diào)整，當鉆進電流增大，鉆頭轉速降低時，應采用小鉆壓鉆進，反之，則采用較大鉆壓。在深冰芯鉆具中，鉆壓通過電纜終端處的彈簧變形量進行監(jiān)測，并以占鉆具質量百分比的形式顯示。正常鉆進情況下，鉆壓多采用30%～50%，鉆頭轉速為40～50 r/min。當鉆壓＞50%時，鉆頭扭矩增大，轉速將急劇降低，鉆進電流增大；鉆壓＜30%時，鉆具因無法切入冰層而空轉，電流＜1.6 A，鉆頭轉速將急劇上升。

5 鉆探中遇到的問題

深冰芯鉆探中先后出現(xiàn)了反扭系統(tǒng)失效、冰屑管拔出困難、冰芯卡斷器磨損和刀頭磨損等問題。

5.1 反扭裝置失效

深冰芯鉆具采用板簧式反扭裝置，該反扭裝置提供的反扭矩大小可通過改變板簧鉸點之間距離來調(diào)節(jié)。當反扭板簧調(diào)節(jié)過緊時，鉆具下放速度變慢，且在鉆孔孔徑較小孔段，容易造成鉆具下放受阻；同時若出現(xiàn)鉆具在大鉆壓下的鉆進電流仍較小時，也應嘗試調(diào)松反扭裝置。但若反扭裝置調(diào)節(jié)過松，反扭裝置不足以提供鉆進所需的反扭矩，則容易造成上部鉆具在孔底打滑而無法鉆進，這種情況主要表現(xiàn)為鉆進電流較小，同時孔內(nèi)電纜將出現(xiàn)輕微晃動。因此將反扭裝置調(diào)節(jié)至合適位置對于順利鉆進至關重要，在現(xiàn)場通常采用內(nèi)徑與孔徑相同的套管放置在反扭裝置處進行調(diào)節(jié)，并依靠鉆工經(jīng)驗通過移動套管的難易程度來判斷板簧松緊度是否合適。圖10為調(diào)節(jié)反扭裝置。

圖10 調(diào)節(jié)反扭裝置Fig.10 Adjustment of the anti-torque system

5.2 冰屑管拔出困難

2015/2016工作季鉆進至第80回次后，當回次進尺＞3 m時，地表冰屑管出現(xiàn)拔出困難現(xiàn)象。分析原因為當回次進尺＞3 m后，冰屑室內(nèi)冰屑密實度較大，且經(jīng)過地表的拉拔作用，冰屑在冰屑室內(nèi)密實度進一步增大，導致冰屑管拔出困難。為了解決該問題，嘗試將冰屑室內(nèi)最下方1圈螺距為50 mm的短助力螺旋更換為3/4圈短螺旋，但效果不明顯。一些回次中，最下方一段短螺旋之間未出現(xiàn)冰屑，而上方兩段則有冰屑，分析認為可能是短螺旋對冰屑推動力較大，因此將3個3/4短螺旋更換為2個3/4短螺旋，更換后效果良好，冰屑管拔出容易，但回次進尺明顯變短。因此將最下方3/4短螺旋更換為1圈螺距為100 mm的長螺旋，回次進尺基本恢復到原來長度，冰屑管拔出也較為容易。圖11為冰屑管內(nèi)助力螺旋布置圖。

圖11 冰屑管內(nèi)助力推螺旋布置Fig.11 Booster arrangement in the chip chamber

2016/2017工作季大部分回次均出現(xiàn)了冰屑管拔出困難的問題，即使優(yōu)化助力螺旋的搭配方式也未能解決。出現(xiàn)該問題可能的原因是：由于該工作季中鉆具鉆進速度慢，刀頭在井下切削時間長，因此鉆進產(chǎn)生的冰屑顆粒尺寸較細，導致冰屑室內(nèi)冰屑密實度增加，從而造成冰屑室拔出阻力增大。

5.3 冰芯卡斷器磨損

鉆進中，偶爾會出現(xiàn)獲取的冰芯長度遠小于進尺深度，這意味著冰芯并未從根部拔斷，此時應及時檢查冰芯卡斷器是否有磨損，磨損后的卡斷器由于刃口變鈍而無法切入冰芯。冰芯卡斷器在鉆進過程中更換頻率較小，平均約鉆進200 m更換一次即可。

5.4 刀頭磨損

切削刀頭是深冰芯鉆具中的主要易損件，當鉆進中出現(xiàn)機械鉆速變慢、鉆進電流減小時，應優(yōu)先檢查刀頭的磨損情況。對刀頭磨損情況進行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)刀頭損壞存在2種型式，一種為鉆進過程中自然磨損，一種為鉆具下放過程中刀頭的碰撞損壞。刀頭的自然磨損多發(fā)生在刀頭刃角中間，磨損樣式包括凹坑形、線形和卷刃。圖12為刀頭的自然磨損產(chǎn)生的不同形狀，其中凹坑形磨損最大尺寸達到1.3 mm，線形磨損最長達7.8 mm，卷刃磨損最長為5.6 mm。刀頭的碰撞損壞主要發(fā)生在刃角邊緣。根據(jù)近700 m的深冰芯鉆探經(jīng)驗，刀頭的平均使用壽命約為100 m。

圖12 刀頭的磨損形式Fig.12 Different wear forms of the cutter head

6 總結與建議

中國南極昆侖站深冰芯科學鉆探工程是我國在南北極冰蓋獨立進行的第一個深冰芯鉆孔，對我國極地冰層鉆探技術的發(fā)展意義重大。但從總體進度來看，鉆探進展較為緩慢，且從2019年之后基本處于停滯狀態(tài)。而反觀國際上則呈現(xiàn)出如火如荼的景象，目前歐盟、俄羅斯、澳大利亞、日本已完成最古老冰芯鉆探地點選址工作，歐盟和澳大利亞計劃在東南極Little Dome C進行深冰芯鉆探，并已于2020年完成了場地建設［17-18］；俄羅斯擬在距離東方站50 km的Ridge B進行深冰芯鉆探；日本擬在東南極Dome F附近重新選擇孔位進行深冰芯鉆探［19］；美國還在選址準備階段，預計在2025年開始進行最古老冰芯選址初勘工作［20］。因此我國也應在近期適時重啟昆侖站深冰芯鉆探任務。為了更好地進行后續(xù)鉆探施工，提出如下建議：

（1）冰屑打撈作業(yè)對回次鉆探進尺具有顯著影響，在實際鉆探工作中應每周定期進行冰屑打撈作業(yè)，防止冰屑在孔內(nèi)大量堆積。

（2）2016/2017工作季中鉆機故障頻發(fā)，很可能是鉆機各部件在極低溫度下性能下降所致，因此應對深冰芯鉆機進行徹底的維護保養(yǎng)，確保鉆機各部件處于良好的工作狀態(tài)，并清點和補充易損配件。

（3）提前布局規(guī)劃，確保沖洗液儲備充足，防止深孔鉆進中因沖洗液不足影響工期，甚至造成孔內(nèi)縮徑卡鉆事故。

（4）推動昆侖站科考航空保障的發(fā)展，延長昆侖站深冰芯鉆探單季工作時長，以加快昆侖站深冰芯鉆探進度。

（5）利用虛擬仿真技術或在實驗室搭建深冰芯鉆探模擬試驗臺，以對鉆探人員進行先期培訓，從而提高現(xiàn)場鉆探效率和降低操作失誤率。

致謝：中國深冰芯鉆探項目得到了中國第27次、28次、31次、32次、33次和35次南極科學考察隊的大力支持，尤其是昆侖站全體隊員均對物資運輸和現(xiàn)場施工給予了力所能及的幫助。感謝南極中山雪冰和空間特殊環(huán)境與災害國家野外科學觀測研究站給予的人力和物力支持。感謝日本極地研究中心的H.Motoyama和日本Geo Tecs公司 的Y.Tanaka、M.Miyahara和A.Takahashi給予 的技術指導和幫助。最后感謝所有參加過南極昆侖站深冰芯科學鉆探的科考人員。