李冰，韓麗麗，李亞洲，范曉鵬，宮達(dá)，5，洪嘉琳，5，張楠，5，冶宇霆，汪月，孫友宏，4，5

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京100037；3.吉林大學(xué)極地研究中心，吉林 長(zhǎng)春130026；4.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春130026；5.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026）

0 引言

南極大陸和北極格陵蘭島的絕大部分區(qū)域被冰蓋所覆蓋，還廣泛分布著冰架和冰下湖等，如圖1所示［1］。極地冰蓋記錄了地球過(guò)去幾十年乃至幾百萬(wàn)年以來(lái)的氣候變化信息［2］。在冰流作用下，冰蓋流入海洋形成冰架，其與海洋的相互作用對(duì)冰架和冰蓋的穩(wěn)定性至關(guān)重要。極地冰蓋下分布著湖泊、河流、盆地和山脈等，蘊(yùn)含著極地冰蓋、古氣候、古生命和冰下地質(zhì)構(gòu)造的形成與演化等信息［2］。通過(guò)極地冰層及冰下環(huán)境樣品分析和原位觀測(cè)可以獲取上述相關(guān)信息，極地鉆探則是獲取冰芯、冰下基巖、冰下湖湖水等樣品和布放科學(xué)觀測(cè)儀器最直接的技術(shù)手段。本文所述的極地鉆探不僅包括傳統(tǒng)的極地冰層鉆探，還包括近些年發(fā)展起來(lái)的極地冰下環(huán)境鉆探，但不包括常規(guī)地質(zhì)巖心鉆探和南大洋巖心鉆探。

圖1 極地冰蓋、冰架及冰下環(huán)境概念圖Fig.1 Conceptual model of the polar ice sheet,ice shelf and subglacial environment

美國(guó)是歷史上開(kāi)展極地鉆探較早的國(guó)家之一，也是當(dāng)前極地鉆探技術(shù)相對(duì)比較完善的國(guó)家。目前，美國(guó)絕大部分的極地鉆探科學(xué)與技術(shù)由美國(guó)冰鉆委員會(huì)（U.S.Ice Drilling Program，簡(jiǎn)稱IDP）負(fù)責(zé)。在美國(guó)科學(xué)基金會(huì)資助下，IDP由來(lái)自達(dá)特茅斯學(xué)院、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和新罕布什爾大學(xué)的專家組成，主要負(fù)責(zé)制定美國(guó)的冰層取芯和鉆探的規(guī)劃，并提供鉆具和鉆探服務(wù)［3］。為制定和更新《IDP長(zhǎng)期科學(xué)規(guī)劃》，IDP每年都會(huì)召集其科學(xué)咨詢委員會(huì)委員召開(kāi)會(huì)議，以闡明美國(guó)冰層取芯和鉆探的科學(xué)目標(biāo)，并確定實(shí)現(xiàn)這些科學(xué)目標(biāo)所需的鉆具和鉆探技術(shù)。為此，他們每年還會(huì)更新《IDP長(zhǎng)期鉆探技術(shù)規(guī)劃》。此外，為了在鉆具更新、設(shè)計(jì)和操作上獲得最好的建議，IDP還建立了技術(shù)咨詢委員會(huì)，委員們除了定期利用郵件交流外，正常情況下，該委員會(huì)每2年還會(huì)召開(kāi)一次線下會(huì)議［4］。

本文以《IDP長(zhǎng)期科學(xué)規(guī)劃2021—2031》為基礎(chǔ)文件，結(jié)合IDP官網(wǎng)（https：//icedrill.org/）和相關(guān)文獻(xiàn)資料，主要介紹美國(guó)極地鉆探2021—2031年科學(xué)目標(biāo)、美國(guó)現(xiàn)有極地鉆探技術(shù)及美國(guó)極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作情況，并提出關(guān)于中國(guó)極地鉆探發(fā)展的建議。

1 極地鉆探科學(xué)目標(biāo)

當(dāng)前全球氣候正在發(fā)生快速變化，為降低未來(lái)氣候變化預(yù)測(cè)的不確定性，人們迫切需要了解過(guò)去氣候變化的規(guī)律和主要機(jī)制。冰芯和冰下環(huán)境樣品包含了過(guò)去大氣成分和氣候演化的關(guān)鍵信息，有助于我們理解過(guò)去氣候演變的規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制。同時(shí)，理解冰川動(dòng)力學(xué)、冰蓋穩(wěn)定性和冰蓋對(duì)氣候變化的響應(yīng)對(duì)于預(yù)測(cè)海平面的變化亦至關(guān)重要。特別需要指出的是，極地冰下環(huán)境蘊(yùn)藏著獨(dú)特的生物、地球化學(xué)和地質(zhì)信息，但目前對(duì)冰下環(huán)境的認(rèn)知幾近空白，主要原因是缺乏有效的冰下環(huán)境樣品采集和觀測(cè)條件。極地鉆探則是開(kāi)展這些觀測(cè)和樣品采集的直接手段。但這是一項(xiàng)專業(yè)且富有挑戰(zhàn)性的工作，需要合理的規(guī)劃、適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和充足的后勤保障。為便于將科學(xué)目標(biāo)與鉆探技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，IDP將極地鉆探科學(xué)目標(biāo)分為4類：古氣候變化，冰川動(dòng)力學(xué)及其歷史，冰下地質(zhì)、沉積物和生態(tài)系統(tǒng)，冰基科學(xué)觀測(cè)站。下文主要描述了這些目標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的極地鉆探技術(shù)需求。

1.1 古氣候變化

通過(guò)獲取不同位置和不同深度的冰芯來(lái)研究不同時(shí)間和空間尺度的氣候變化有助于人類了解地球氣候系統(tǒng)的演化歷史。許多美國(guó)冰川科學(xué)家以及國(guó)際冰芯科學(xué)協(xié)作組織（International Partnership in Ice Core Sciences，簡(jiǎn)稱為IPICS）均對(duì)以下時(shí)期的氣候變化比較關(guān)注，需開(kāi)展相關(guān)的冰芯鉆探和研究。

通過(guò)獲取不同位置（格陵蘭冰蓋、南極冰蓋、冰帽和高山冰川）的淺冰芯（通常深度＜200 m），并形成空間網(wǎng)絡(luò)，以分析工業(yè)時(shí)代（過(guò)去200年）和儀器時(shí)代（過(guò)去100年）人類活動(dòng)對(duì)氣候、冰凍圈和大氣的影響，研究現(xiàn)代環(huán)境過(guò)程及機(jī)制，并使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)現(xiàn)有模型和遙感數(shù)據(jù)。

近2000年來(lái)的氣候記錄對(duì)于分析工業(yè)革命以來(lái)的氣候變化十分重要。這是因?yàn)樗銐蜷L(zhǎng)，可以記錄每年至每百年的氣候變化，同時(shí)它又足夠短，與之相關(guān)的氣候邊界條件在這一時(shí)期內(nèi)沒(méi)有明顯變化。因此，這一時(shí)期代表了工業(yè)革命前的氣候基準(zhǔn)，可以用來(lái)對(duì)比分析20世紀(jì)以來(lái)氣候、冰凍圈和大氣成分的變化。另外，由于缺少1600年前精確的年度氣候記錄，加之很多氣候過(guò)程具有高度區(qū)域性，近2000年氣候的定量重建仍存在較大爭(zhēng)議。因此，國(guó)際上仍在努力獲取一個(gè)具有較高時(shí)間分辨率的2000年冰芯空間陣列，如在阿拉斯加中部山脈、南極半島底特律高原、西南極冰架沿岸和冰穹與格陵蘭冰蓋等。

外力驅(qū)動(dòng)的全球氣候變化涉及到冰蓋、碳循環(huán)、植被、灰塵、海洋和大氣環(huán)流之間的相互作用，會(huì)導(dǎo)致區(qū)域氣候的快速變化。理解地球系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，尤其是氣候快速轉(zhuǎn)變時(shí)期的地球系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)于改進(jìn)當(dāng)前地球系統(tǒng)模型以評(píng)估未來(lái)氣候變化至關(guān)重要。然而，目前關(guān)于氣候千年尺度變化和區(qū)域影響過(guò)程及動(dòng)力學(xué)的證據(jù)并不完整，需要更多的冰芯證據(jù)以揭示其潛在機(jī)制，如已經(jīng)完成的西南極分冰嶺冰芯鉆探和南極點(diǎn)冰芯鉆探、計(jì)劃實(shí)施的Hercules冰穹冰芯鉆探和格陵蘭島2個(gè)潛在地點(diǎn)的冰芯鉆探。

由于地球軌道參數(shù)差異，末次間冰期（Last Interglacial，簡(jiǎn)稱LIG）期間（約13萬(wàn)年至11萬(wàn)年前）比現(xiàn)在更溫暖。獲取LIG冰芯可為理解地球怎樣響應(yīng)當(dāng)前人類引起的全球變暖提供線索。鉆取跨越末次間冰期冰芯的優(yōu)先科學(xué)目標(biāo)包括確定西南極冰蓋在LIG期間是否經(jīng)歷部分或全部崩解、量化LIG期間格陵蘭島與南極洲溫度、降水和海冰范圍等6項(xiàng)。比如，Hercules冰穹冰芯鉆探項(xiàng)目就是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而規(guī)劃的。

位于南極冰穹C（Dome C）的歐洲南極冰芯項(xiàng)目（European Project for Ice Coring in Antarctica，簡(jiǎn)稱EPICA）獲取的冰芯氣候記錄可以追溯到80萬(wàn)年前。然而，為了進(jìn)一步了解氣候系統(tǒng)歷史，需要獲取更古老的冰芯，如可以通過(guò)追溯大約150萬(wàn)年前的冰芯記錄解讀約100萬(wàn)年前發(fā)生的冰期-間冰期的周期轉(zhuǎn)變（中更新世氣候轉(zhuǎn)型：氣候變化主導(dǎo)周期從4.1萬(wàn)年轉(zhuǎn)變?yōu)?0萬(wàn)年）。目前，有2種互補(bǔ)但又截然不同的方法有可能獲取冰齡超過(guò)80萬(wàn)年的古老冰芯。一是在東南極內(nèi)陸降雪積累率極低的地點(diǎn)鉆探，該方法可以獲取連續(xù)冰芯記錄，但是鉆探位置選擇是一個(gè)棘手的問(wèn)題［5］。目前，歐盟、日本和澳大利亞均在計(jì)劃鉆取古老冰芯，并且還研發(fā)了幾種不同的快速鉆具以進(jìn)行古老冰芯鉆探位置的選擇。二是獲取藍(lán)冰冰芯，如在Allan Hills進(jìn)行藍(lán)冰鉆探，這種方法也可以獲得古老冰芯［6］，但該方法獲取的冰芯記錄并不連續(xù)。

除上述情況外，還可以通過(guò)獲取大直徑冰芯中超痕量物質(zhì)、微粒和稀有同位素等研究古氣候變化，也可以提取冰芯中微生物DNA和活生物體作為氣候記錄。

總之，通過(guò)冰芯研究古氣候變化需要大量的從幾十米深到幾千米深的冰芯。需要根據(jù)不同的科學(xué)目的、鉆孔深度、冰芯直徑和后勤保障條件選擇不同的鉆探裝備與方法。

1.2 冰川動(dòng)力學(xué)及其歷史

近些年的觀測(cè)表明，快速流動(dòng)的入水冰川、溢出冰川和冰流的流速正在發(fā)生快速變化，因此迫切需要了解它們的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。通過(guò)測(cè)量冰下基底條件、地?zé)嵬?、?海界面、冰流變特性、冰蓋基底冰的年齡和冰下基巖宇宙核素等可以開(kāi)展冰川動(dòng)力學(xué)和冰川歷史的研究。

通過(guò)直接測(cè)量冰下基底條件，包括基底凍融情況、基底孔隙水壓力、滑動(dòng)、沉積物屬性與變形，可以開(kāi)發(fā)和測(cè)試控制冰流和溢出冰川快速流動(dòng)的模型。判斷基底是否發(fā)生融化需要結(jié)合熱-力耦合流動(dòng)模型，因此需要測(cè)量地?zé)嵬俊Ｈ欢?，目前南北極冰蓋僅有幾個(gè)站位通過(guò)鉆孔溫度確定了地?zé)嵬浚覝y(cè)量結(jié)果差異較大，例如格陵蘭冰芯項(xiàng)目（GRIP）測(cè)量的地?zé)嵬啃∮?0 mW/m2，而北格陵蘭冰芯項(xiàng)目（NGRIP）測(cè)得的地?zé)嵬繛?30 mW/m2，南極Whillans冰下湖地?zé)嵬扛歉哌_(dá)285±80 mW/m2［7］，因此，需要更多的地?zé)嵬繙y(cè)量來(lái)為冰蓋模型提供邊界條件。通過(guò)快速鉆探形成鉆孔是開(kāi)展冰下基底條件和地?zé)嵬繙y(cè)量的前提條件。除了目前已完成研發(fā)的快速鉆（U.S.Rapid Access Ice Drill，簡(jiǎn)稱RAID），還需要能夠鉆穿500～2500 m冰層并達(dá)到基底的熱水鉆。通過(guò)有源和無(wú)源地震探測(cè)可以補(bǔ)充冰下基底條件的原位測(cè)量數(shù)據(jù)，因此需要一系列淺孔（深度25～100 m、直徑50～100 mm）來(lái)布放震源，快速空氣鉆（Rapid Air Movement，簡(jiǎn)稱RAM）可以用于地震孔的鉆探。

海洋溫度控制著冰架融化速度，最近的觀測(cè)結(jié)果［8］和模型結(jié)果表明［9］，冰架底部的融化對(duì)冰蓋物質(zhì)平衡有著強(qiáng)烈的控制作用。然而，目前關(guān)于冰架底部融化過(guò)程的監(jiān)測(cè)仍然很少，所以，需要足夠大的鉆孔來(lái)布設(shè)水下自主航行器等，以獲取短時(shí)間內(nèi)冰架底部融化的空間分布數(shù)據(jù)。另外，還可以通過(guò)鉆孔下放儀器來(lái)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)海-冰界面的變化過(guò)程。評(píng)估冰流和溢出冰川在冰蓋穩(wěn)定性中的角色需加強(qiáng)對(duì)接地線區(qū)域的理解，同樣需要小直徑鉆孔來(lái)下放儀器以進(jìn)行接地線區(qū)域關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

冰的流變特性對(duì)于冰蓋模型至關(guān)重要，深部冰層的褶曲現(xiàn)象和冰蓋底部形成的大型結(jié)構(gòu)與冰的流變特性相關(guān)。測(cè)量冰孔中溫度、冰組構(gòu)、鉆孔傾角和直徑等，并根據(jù)冰芯進(jìn)行校準(zhǔn)，有助于理解冰的流變特性，為開(kāi)發(fā)冰蓋流動(dòng)模型提供支撐。為開(kāi)展這項(xiàng)工作，需研發(fā)可鉆穿3000 m冰層的快速鉆機(jī)，以下放相關(guān)傳感器。沿冰流線實(shí)施多個(gè)鉆孔并進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)可以提供冰流變特性的空間分布特征，對(duì)于分析冰川動(dòng)力學(xué)特征有重要的意義。

冰川歷史對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)冰蓋的范圍和體積具有重大意義，可以通過(guò)確定基底冰的年齡和分析冰下基巖宇宙核素濃度來(lái)開(kāi)展相關(guān)研究?；妆哪挲g可以用年齡-深度流動(dòng)模型分析，或者直接根據(jù)基底冰中封存空氣的年代來(lái)確定。冰下基巖中宇宙核素可以告訴我們露頭巖石以前的分布范圍、暴露時(shí)間及持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而分析冰蓋歷史。因此，可通過(guò)鉆取短的冰下基巖巖心（1～5 m）開(kāi)展相關(guān)研究。

總之，為了提高預(yù)測(cè)冰蓋和海平面的未來(lái)變化的能力，需要了解冰川和冰蓋的現(xiàn)狀和歷史?？焖巽@探對(duì)于實(shí)現(xiàn)該科學(xué)目標(biāo)至關(guān)重要，無(wú)論是快速形成鉆孔進(jìn)行基底條件測(cè)量還是在冰架底部進(jìn)行冰-海作用監(jiān)測(cè)，無(wú)論是開(kāi)展冰流變特性監(jiān)測(cè)還是冰下基巖巖心鉆探，均需要快速穿透冰層，方可進(jìn)行下一步作業(yè)。

1.3 冰下地質(zhì)、沉積物和生態(tài)系統(tǒng)

目前，關(guān)于冰下地質(zhì)、沉積物和生態(tài)系統(tǒng)的研究較少，需要發(fā)展快速鉆探技術(shù)以開(kāi)展相關(guān)研究，主要的科學(xué)目標(biāo)包括冰下地質(zhì)、冰下盆地與沉積物記錄、冰下微生物生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)循環(huán)、冰下湖與水文系統(tǒng)。

南極大陸及其巖石圈板塊在全球地質(zhì)構(gòu)造中扮演著重要的角色，但人們對(duì)其知之甚少。南極冰蓋下甘布爾采夫山的起源是什么？東南極構(gòu)造歷史、地?zé)嵬亢蜆?gòu)成是什么？東南極內(nèi)陸基底巖石成分是什么？諸如這些需要解答的問(wèn)題還很多。因此，為了確定南極地殼結(jié)構(gòu)，需要鉆穿冰層進(jìn)入冰下基巖中進(jìn)行被動(dòng)和主動(dòng)地震試驗(yàn)。要了解南極大陸地形對(duì)冰川的控制作用，同樣需要鉆穿冰層獲取冰下基巖樣品。鉆孔位置應(yīng)基于巖石地質(zhì)、基底古地形和冰蓋范圍等因素進(jìn)行優(yōu)選。

南極內(nèi)陸冰下盆地和沉積物可能包含了古氣候和冰蓋歷史記錄，以下4類冰下沉積物可作為研究目標(biāo)：冰下湖、冰隆、西南極沉積盆地和東南極盆地。每一類目標(biāo)均可能存在不同的起源和歷史。例如，東南極Aurora和Wilkes冰下盆地可能包含了東南極冰蓋歷史動(dòng)力演化和古氣候環(huán)境的信息。

極地冰下水和沉積環(huán)境是微生物的聚集地［10］，其規(guī)模可能與表層海洋相當(dāng)。這些環(huán)境中可能包含大量的甲烷，隨著快速的冰退效應(yīng)它可以影響大氣中的甲烷濃度。相對(duì)于微生物細(xì)胞的生命周期，冰下環(huán)境中微生物圈閉的長(zhǎng)時(shí)間尺度為探索進(jìn)化速率和生物多樣性的限制提供了機(jī)會(huì)。微生物細(xì)胞及其基因組材料還可以提供與古氣候變化相關(guān)的寶貴信息。因此，有必要通過(guò)鉆探獲取基底冰芯樣品開(kāi)展相關(guān)研究，并且需要使用清潔鉆探與取樣技術(shù)。

冰下水文是極地冰蓋動(dòng)態(tài)演化的一個(gè)重要影響因素。冰下水的體積和分布對(duì)基底阻礙冰流運(yùn)動(dòng)的能力有較大影響。截至目前，已在南極發(fā)現(xiàn)了400余個(gè)冰下湖。對(duì)這些冰下湖和冰下水文系統(tǒng)進(jìn)行量化觀測(cè)有助于理解冰川運(yùn)動(dòng)、冰下巖石風(fēng)化和侵蝕、沉積物輸運(yùn)、微生物生態(tài)系統(tǒng)、水文地球化學(xué)和保護(hù)冰下湖系統(tǒng)等。因此，需要實(shí)施一系列鉆孔并進(jìn)行湖水及沉積物樣品采集和湖水理化參數(shù)的觀測(cè)。

總之，冰下環(huán)境包含了生物、氣候、地質(zhì)和冰川學(xué)等信息，其中許多是其他地方無(wú)法獲得的，迫切需要通過(guò)鉆探形成鉆孔通道，以進(jìn)行基底冰、冰下水、冰下沉積物和冰下基巖取樣，目前常用的鉆探方式為清潔熱水鉆和快速機(jī)械鉆。

1.4 冰基科學(xué)觀測(cè)站

極地冰蓋和中緯度冰帽除記錄了古氣候和冰動(dòng)力學(xué)信息外，還可以作為地震活動(dòng)、行星科學(xué)和天體物理學(xué)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。為了充分利用冰層中保存的氣候和冰動(dòng)力學(xué)信息，可將冰層鉆孔作為一個(gè)長(zhǎng)期觀測(cè)平臺(tái)，定期進(jìn)行測(cè)井。測(cè)井結(jié)果可用于補(bǔ)充冰芯、冰動(dòng)力學(xué)和遙感數(shù)據(jù)。為更好地開(kāi)展冰層測(cè)井工作，IDP成立了一個(gè)鉆孔測(cè)井工作組，負(fù)責(zé)測(cè)井儀器與設(shè)備（主要包括測(cè)井儀和絞車）的管理、冰層鉆孔的維護(hù)以及測(cè)井項(xiàng)目的部署等。

極地冰作為一種豐富、干凈、穩(wěn)定和透明（對(duì)無(wú)線電波和光波）的探測(cè)介質(zhì)，可以用于觀察亞原子粒子的相互作用。例如，美國(guó)已在南極點(diǎn)完成了“冰立方”望遠(yuǎn)鏡以探測(cè)來(lái)自宇宙的高能中微子，為完成該項(xiàng)目，美國(guó)研發(fā)了一款增強(qiáng)型熱水鉆，并實(shí)施了86個(gè)直徑約為600 mm、深度為2500 m的鉆孔［11］。目前，美國(guó)正在規(guī)劃“冰立方二代”和“南極羅斯冰架天線中微子陣列”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。南極點(diǎn)遠(yuǎn)程地球科學(xué)和地震觀測(cè)站已在一些鉆孔安裝了地震設(shè)備，設(shè)備安裝深度約為300 m，且正計(jì)劃在格陵蘭冰蓋建立一個(gè)類似的地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。此外，極地冰蓋還是一個(gè)有效收集隕石和微隕石的場(chǎng)所，除了在一些藍(lán)冰區(qū)表面尋找，還可以通過(guò)在冰層中建造融水井來(lái)篩選隕石。

2 美國(guó)極地鉆探技術(shù)現(xiàn)狀

過(guò)去幾十年間，美國(guó)開(kāi)展了大量的關(guān)于極地粒雪層、冰層和冰下基巖鉆探技術(shù)的攻關(guān)，研發(fā)了一系列適用于極地環(huán)境的鉆具與裝備。這些鉆具的鉆進(jìn)能力從數(shù)米的淺層、數(shù)百米的中深層到數(shù)千米的深層不等。其中，有些鉆具利用螺旋葉片或鉆井液來(lái)輸送冰屑并鉆取冰芯，而有些鉆具則不鉆取冰芯，直接利用空氣或熱水等作為介質(zhì)完成冰層的全面鉆進(jìn)。本文將從機(jī)械鉆具和熱力鉆具2個(gè)方面對(duì)美國(guó)正在使用和研發(fā)的諸多鉆具進(jìn)行分類，并做簡(jiǎn)要介紹。

2.1 機(jī)械鉆具

機(jī)械鉆具通過(guò)鉆頭對(duì)冰層或冰下基巖的回轉(zhuǎn)切削實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的冰屑一般通過(guò)螺旋葉片、鉆井液和高壓空氣等介質(zhì)返回地表。機(jī)械鉆具既可用于取心鉆進(jìn)，也可用于非取心鉆進(jìn)。IDP將機(jī)械鉆具按照鉆進(jìn)深度和鉆進(jìn)介質(zhì)分為手搖冰芯鉆、便捷式電動(dòng)冰芯鉆、中深及深冰芯鉆、冰下基巖鉆和非取心機(jī)械鉆。

2.1.1 手搖冰芯鉆

手搖冰芯鉆是最簡(jiǎn)單的冰層機(jī)械鉆具，其通過(guò)延長(zhǎng)桿將地表動(dòng)力傳遞至孔內(nèi)鉆具。在不依靠外界動(dòng)力源的情況下，手搖鉆最大鉆進(jìn)深度約為30 m。手搖鉆操作簡(jiǎn)便，通?？捎煽瓶既藛T自己操作，無(wú)需IDP專業(yè)人員協(xié)助。目前IDP正在使用的手搖冰芯鉆有3種：SIPRE鉆（Snow，Ice and Permafrost Research Establishment，簡(jiǎn)稱SIPRE）［12］、IDDO鉆（Ice Drilling Design and Operations，簡(jiǎn)稱IDDO）［13］和“土撥鼠”鉆具［14］，3種鉆具的主要參數(shù)如表1所示。

表1 手搖冰芯鉆主要參數(shù)Table 1 Main parameters of hand augers for ice coring

SIPRE手搖鉆由不銹鋼制成，因此質(zhì)量較大，有助于提高鉆進(jìn)效率。其延長(zhǎng)桿采用銷接方式連接，便于快速組裝和拆卸，如圖2所示。該鉆多用于粒雪層和脆冰層，受冰芯卡斷方式的影響不適用于硬冰層和濕冰層。

圖2 SIPRE手搖鉆Fig.2 SIPRE hand auger

IDDO手搖鉆是一種輕便鉆具，冰芯管由玻璃纖維復(fù)合材料制成，延長(zhǎng)桿為鋁制空心桿，其主要用于粒雪層取心鉆進(jìn)，也可用于冰層鉆進(jìn)。這種鉆具有3種冰芯卡取方式，分別是錐形鉆頭、卡簧和卡斷器，以適應(yīng)不同的鉆探條件。

“土撥鼠”手搖鉆為雙管鉆具，內(nèi)外管均由玻璃纖維復(fù)合材料制成。鉆進(jìn)過(guò)程中內(nèi)管（冰芯管）帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，外管在反扭機(jī)構(gòu)作用下不隨之旋轉(zhuǎn)。它的雙管設(shè)計(jì)有助于冰屑運(yùn)移上返，提高鉆進(jìn)效率和冰芯質(zhì)量，尤其是可用于暖冰層。

在“響尾蛇”配合下，IDDO手搖鉆和“土撥鼠”手搖鉆的鉆進(jìn)能力均可提升至40 m?！绊懳采摺保⊿idewinder）是與手搖鉆配套使用的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)/提升系統(tǒng)［15］，由電機(jī)和絞車系統(tǒng)組成，鉆進(jìn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)，起下鉆過(guò)程中輔助提升和下放鉆具，如圖3所示。

圖3 “響尾蛇”驅(qū)動(dòng)/提升系統(tǒng)工作原理Fig.3 Working principle of the Sidewinder drive/lifting system

2.1.2 便捷式電動(dòng)冰芯鉆

美國(guó)現(xiàn)有的便捷式電動(dòng)冰芯鉆主要包括“花栗鼠”鉆［16］、Stampfli鉆［17］、藍(lán)冰鉆（Blue Ice Drill，簡(jiǎn)稱BID）［18］、Badger-Eclipse鉆［19］、4-Inch鉆［20］、Foro 400鉆［21］和BPRC（Byrd Polar Research Center，簡(jiǎn) 稱BPRC）鉆［22］。便捷式電動(dòng)冰芯鉆通常用于淺層雪芯或冰芯的鉆取。除“花栗鼠”鉆以外，冰層鉆進(jìn)能力從幾十米到幾百米不等。除BPRC鉆由俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)外，其余鉆具均屬于IDP。7種鉆具的主要參數(shù)如表2所示。

表2 便捷式電動(dòng)冰芯鉆主要參數(shù)Table 2 Main parameters of agile ice coring drills

如圖4所示，“花栗鼠”鉆是一種手持式電動(dòng)冰芯鉆，主要用于雪坑取樣和側(cè)壁冰樣采取。

圖4 “花栗鼠”鉆Fig.4 Chipmunk drill

Stampfli鉆是一種輕型電動(dòng)機(jī)械冰芯鉆，如圖5所示，雖然鉆進(jìn)能力可達(dá)100 m，但運(yùn)輸質(zhì)量?jī)H為16 kg。由電池供電，而電池則可由小型發(fā)電機(jī)或太陽(yáng)能板充電，非常便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸與操作。

圖5 Stampfli鉆Fig.5 Stampfli drill

BID鉆是一種用于鉆取藍(lán)冰樣品的大直徑電動(dòng)冰芯鉆，冰芯直徑達(dá)241 mm。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，BID鉆的鉆進(jìn)能力由初始版本的25 m增加至200 m（BID-Deep），并采用了新型階梯刀頭，但BID-Deep鉆的實(shí)際鉆進(jìn)深度受冰層特征影響較大，該鉆曾成功在格陵蘭冰蓋鉆至187 m。

Badger-Eclipse鉆是在Eclipse鉆基礎(chǔ)上改造而成的，使其可通過(guò)冰芯管反向旋轉(zhuǎn)清除冰芯管和外管之間的冰屑。

IDP目 前 有2套Badger-Eclipse鉆，其 中1套 安裝在雪橇上，被稱為“運(yùn)輸”型Badger-Eclipse鉆，如圖6所示。

圖6 Badger-Eclipse鉆Fig.6 Badger-Eclipse drill

4-Inch鉆配備了容纜量分別為100、200和400 m的絞車，可根據(jù)設(shè)計(jì)孔深選擇絞車，該鉆具設(shè)計(jì)成熟，已成功應(yīng)用數(shù)十年。但由于系統(tǒng)老化，需要經(jīng)常維修。

為滿足對(duì)此類鉆具的持續(xù)需求，IDP在此基礎(chǔ)上研發(fā)了Foro 400鉆以替代4-Inch鉆。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，F(xiàn)oro 400鉆的質(zhì)量大大減輕。另外，F(xiàn)oro 400鉆還進(jìn)行了防水設(shè)計(jì)，可在鉆井液環(huán)境中工作。

BPRC鉆由俄亥俄州立大學(xué)伯德極地研究中心于20世紀(jì)90年代研發(fā)，該鉆具包含2種不同類型的反扭系統(tǒng)，一種反扭系統(tǒng)由4個(gè)板簧制成，另一種反扭系統(tǒng)則采用U型葉片。該鉆具的主要特點(diǎn)是能從干孔機(jī)械鉆進(jìn)模式快速切換到乙醇電熱取心鉆進(jìn)模式或全面熱融鉆進(jìn)模式。

2.1.3 中深及深冰芯鉆

中深及深冰芯鉆主要用于鉆取中深層和深層冰芯，均為電動(dòng)機(jī)械取心鉆具。目前，美國(guó)擁有一套中等深度冰芯鉆具Foro 1650［23］和一套深冰芯鉆具（Deep Ice Sheet Coring Drill，簡(jiǎn)稱DISC）［24］，其中，IDP還 為DISC鉆 具 研發(fā) 了 側(cè) 壁取 心 鉆 進(jìn) 系統(tǒng)［25］。另外，為滿足科學(xué)界對(duì)中深層和深層冰芯日益增長(zhǎng)的 需 求，IDP正 在 研 發(fā)700 m鉆［26］和Foro 3000鉆［27］。4種鉆具的主要參數(shù)如表3所示。

表3 中深及深冰芯鉆主要參數(shù)Table 3 Main parameters of medium and deep ice coring drills

Foro 1650鉆是在丹麥Hans-Tausen鉆和丹麥深冰芯鉆基礎(chǔ)上研發(fā)的，并配備了冰芯處理系統(tǒng)、離心機(jī)、鉆井液處理系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和先導(dǎo)孔鉆進(jìn)系統(tǒng)，如圖7所示。為在2個(gè)工作季內(nèi)完成1500 m深的鉆孔，需采用3班24 h工作制，因此需10名鉆探技術(shù)人員。Foro 1650鉆成功應(yīng)用于2014—2016年在南極點(diǎn)附近實(shí)施的SPICEcore項(xiàng)目，共鉆取1751 m冰芯［28］。DISC鉆的設(shè)計(jì)鉆進(jìn)能力達(dá)4000 m，冰芯直徑122 mm，直徑相對(duì)較大，故其鉆頭安裝有4個(gè)刀頭和4個(gè)冰芯卡斷器。鉆具本體由鉆頭、冰芯管、冰屑管、電機(jī)和傳動(dòng)裝置、循環(huán)泵、儀表/控制單元、反扭系統(tǒng)、電纜終端及滑環(huán)等組成。電纜用于在孔內(nèi)懸吊鉆具，并為鉆具提供電力和光纖通信，鎧裝電纜直徑為15 mm。DISC鉆成功應(yīng)用于2007—2013年在西南極分冰嶺實(shí)施的深冰芯鉆探工程中，完鉆井深達(dá)3405 m，并且為其配備的側(cè)壁取心鉆進(jìn)系統(tǒng)也得到成功應(yīng)用，如圖8所示，在側(cè)壁獲取了285 m冰芯［29］。

圖7 Foro 1650鉆現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.7 Layout plan of Foro 1650

圖8 西南極分冰嶺深冰芯鉆探項(xiàng)目中側(cè)壁取芯Fig.8 Replicate ice coring in West Antarctic Ice Sheet Divide Project

為適應(yīng)自然環(huán)境更惡劣的高山或極地冰芯鉆探項(xiàng)目，IDP正在研發(fā)一種新型輕便中深層冰芯鉆具，即700 m鉆，目前已完成初步概念設(shè)計(jì)，正在進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。優(yōu)化后，該鉆的后勤保障需求大幅度降低。冰芯直徑和鉆孔直徑的減小也大幅度降低了對(duì)鉆井液和冰芯箱的需求。另外，由于DISC鉆對(duì)后勤保障需求較大，為滿足深冰芯鉆探需求，IDP在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)要求下正設(shè)計(jì)Foro 3000鉆，目前已完成新鉆具和絞車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)要求包括鉆具最低工作溫度為－53℃、地表設(shè)備最低工作溫度為－40℃、冰芯管長(zhǎng)度應(yīng)保證能在3個(gè)工作季鉆探至3000 m、鉆孔傾角應(yīng)小于6°、與側(cè)壁取芯系統(tǒng)兼容等。

2.1.4 冰下基巖鉆

為獲取極地冰蓋下基巖樣品，美國(guó)先后研發(fā)3款鉆進(jìn)能力不同的冰下基巖鉆，分別為Winkie鉆［30］、便捷式冰下基巖鉆（Agile Sub-Ice Geological Drill，簡(jiǎn) 稱ASIG）［31］和 冰 層 快 速鉆 具（U.S.Rapid Access Ice Drill，簡(jiǎn)稱RAID）［32］，3款鉆探裝備及鉆具均由傳統(tǒng)巖心鉆探裝備和鉆具改造而來(lái)，采用鉆桿連接方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和鉆壓傳遞。3種鉆的主要參數(shù)如表4所示。

表4 冰下基巖鉆主要參數(shù)Table 4 Main parameters of subglacial bedrock coring drills

Winkie鉆是由商用巖心鉆機(jī)改造而成，改造后具備冰層取芯及鉆進(jìn)能力，如圖9所示。該鉆機(jī)為頂部驅(qū)動(dòng)式鉆機(jī)，動(dòng)力頭提供回轉(zhuǎn)，手輪控制鉆壓，轉(zhuǎn)速和鉆壓通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鋁合金鉆桿（鋼鉆桿接頭）和雙壁巖心管傳至鉆頭，鉆桿內(nèi)外徑分別為31.8和44.5 mm，冰層全面鉆進(jìn)鉆頭如圖10（a）所示，冰下基巖取心鉆頭如圖10（b）所示［25］。

圖9 Winkie鉆Fig.9 Winkie drill

圖10 Winkie鉆鉆頭Fig.10 Bits for Winkie drill

ASIG鉆為IDP研發(fā)的第一個(gè)冰下基巖取心鉆，同樣是基于商用礦產(chǎn)勘探鉆機(jī)，IDP對(duì)其進(jìn)行了一定程度的改造，使其能應(yīng)用于冰層全面/取芯鉆進(jìn)。ASIG鉆采用模塊化設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸和組裝，主要包括鉆塔、頂驅(qū)、液壓系統(tǒng)、控制臺(tái)、動(dòng)力頭和液壓油箱等，屬于全液壓鉆機(jī)，如圖11所示。鉆桿內(nèi)外徑分別為46.0和53.2 mm。冰層采用全面鉆進(jìn)，鉆頭如圖12（a）所示，冰下基巖取心采用PDC鉆頭，如圖12（b）所示，取心工具為T(mén)K56繩索取心鉆具。先導(dǎo)孔采用螺旋鉆進(jìn)行鉆進(jìn)，穿過(guò)粒雪層后下入套管，然后采用鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)。

圖11 ASIG鉆Fig.11 ASIG drill

圖12 ASIG鉆鉆頭Fig.12 Bits for ASIG

RAID鉆由明尼蘇達(dá)大學(xué)德盧斯分校和DOSECC勘探服務(wù)有限公司等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，IDP雖然沒(méi)有直接參與RAID鉆的設(shè)計(jì)和制造工作，但RAID鉆團(tuán)隊(duì)與IDP保持了良好的溝通。RAID鉆的冰層鉆進(jìn)能力為3300 m，冰下基巖鉆進(jìn)能力為25 m，既可在冰層全面鉆進(jìn)，又可定點(diǎn)取冰芯鉆進(jìn)，冰下基巖采用繩索取心鉆具進(jìn)行取心鉆進(jìn)。經(jīng)過(guò)前期的南極現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，RAID鉆于2019/2020工作季成功在南極Minna Bluff附近完成4口鉆孔，如圖13所示，其中，最深孔為2號(hào)孔，孔深為681 m，包括鉆穿678 m冰層，鉆取2 m冰巖夾層樣品和2 m冰下基巖巖心，但試驗(yàn)過(guò)程中遇到了冰層被鉆井液壓裂導(dǎo)致鉆井液漏失和鉆井液中冰屑分離不徹底等問(wèn)題。需要說(shuō)明的是，這3種冰下基巖鉆均只適用于凍結(jié)的冰巖界面。

圖13 2019/2020南極工作季RAID試驗(yàn)鉆孔情況Fig.13 RAID boreholes completed in 2019/2020 Antarctic season

2.1.5 非取心機(jī)械鉆

以上鉆具均以取心為目的，旨在獲取極地粒雪層、冰層和冰下基巖樣品。為進(jìn)行地震地球物理勘探，IDP還研發(fā)了一種非取芯鉆——快速空氣鉆（Rapid Air Movement Drill，簡(jiǎn)稱RAM）［33］，為減小后勤需求，后續(xù)又對(duì)RAM進(jìn)行了升級(jí)，形成RAM-2鉆［34］。

RAM鉆使用柔性軟管懸掛鉆具，以高壓空氣為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)孔底動(dòng)力鉆具帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)切削冰層，產(chǎn)生的冰屑被高壓空氣從孔內(nèi)吹出，空氣循環(huán)方式為正循環(huán)，需對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，防止出現(xiàn)冰屑融化現(xiàn)象，如圖14所示。由于鉆進(jìn)速度可達(dá)3 m/min，完成50～90 m的鉆孔僅需20～30 min，因此需頻繁移孔，故將RAM鉆整套設(shè)備安裝在雪橇上，通過(guò)雪地車牽引，便于移位。RAM鉆成功應(yīng)用于南極，完成鉆孔500余 個(gè)，累 計(jì) 進(jìn) 尺3萬(wàn) 余 米。2017年，IDP對(duì)RAM鉆進(jìn)行了升級(jí)改造，采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖15所示，既可用于淺層（40 m）鉆進(jìn)，也可用于相對(duì)深層（100 m）鉆進(jìn)，孔徑從100 mm減小至75 mm?？諌簷C(jī)由2臺(tái)英格索蘭-斗山VHP-400（額定壓縮速率約為23 m3/min，空氣壓力1.2 MPa，單臺(tái)重2800 kg）更換為5臺(tái)小壓縮機(jī)（額定壓縮速率約為14 m3/min，空氣壓力0.86 MPa，單臺(tái)重280 kg）。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和縮減孔徑，將整套裝備質(zhì)量由10000 kg減小至2000 kg，大大降低了后勤保障需求。經(jīng)過(guò)南極現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，RAM-2鉆工作性能良好。

圖14 RAM鉆Fig.14 Rapid Air Movement drill and drill bit

圖15 RAM-2鉆Fig.15 Rapid Air Movement-2 drill

2.2 熱力鉆具

熱力鉆具是通過(guò)融化冰層實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的鉆具。按照融冰方式不同，可將熱力鉆具分為熱融鉆具和熱水鉆具。熱融鉆具一般是利用電阻產(chǎn)生的焦耳熱來(lái)融化熱融鉆頭前方的冰層，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)；而熱水鉆具則是利用高溫高壓熱水來(lái)沖擊并融化鉆具前方冰層，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。熱融鉆具既可實(shí)現(xiàn)取芯鉆進(jìn)，也可進(jìn)行全面鉆進(jìn)，而熱水鉆具多用于全面鉆進(jìn)。

2.2.1 熱融鉆具

熱融鉆具可分為熱融取芯鉆具和熱融全面鉆具，本文主要介紹美國(guó)現(xiàn)有熱融取芯鉆具，包括IDP取 芯 鉆［35］、Hot Jay取 芯 鉆［36］和 乙 醇 電 熱 取 芯 鉆（Ethanol Thermal Electric Drill，簡(jiǎn) 稱ETED）［37］。熱融取芯鉆特別適用于溫度接近壓力熔點(diǎn)的冰層。3種鉆具的主要參數(shù)如表5所示。

表5 熱融鉆具主要參數(shù)Table 5 Main parameters of thermal drills

IDP取心鉆通過(guò)鉆頭產(chǎn)生的熱量在冰層中融化出環(huán)狀空間，從而達(dá)到鉆取冰芯的目的，如圖16所示。IDP取芯鉆與4-Inch鉆使用同一絞車系統(tǒng)，因而可替代4-Inch鉆用于暖冰層鉆探。為滿足科學(xué)需求，2018年開(kāi)始，對(duì)IDP取芯鉆進(jìn)行了升級(jí)改造，主要改進(jìn)包括更換新鉆頭、水密纜、鉆井液輸送機(jī)構(gòu)和真空沉積物收集器等。

圖16 IDP取芯鉆鉆頭及獲取的冰芯Fig.16 Ice coring bit for the electrothermal drill and recovered ice core

Hot Jay取芯鉆是為研究格陵蘭冰蓋含水粒雪層而研發(fā)的，基于IDP取芯鉆進(jìn)行設(shè)計(jì)，但它體積更小，質(zhì)量更輕，鉆具總質(zhì)量約為23 kg。

ETED取芯鉆由俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)，采用向鉆孔內(nèi)注入乙醇保持鉆孔穩(wěn)定的方式增加取芯鉆進(jìn)深度。

2.2.2 熱水鉆具

美國(guó)現(xiàn)有一系列熱水鉆具，鉆進(jìn)能力涉及淺層、中深層和深層。淺層熱水鉆具主要包括用于下放科學(xué)儀器的湖冰熱水鉆（Sediment Laden Lake Ice Drill，簡(jiǎn)稱SLLID）［38］、用于實(shí)施地震勘探孔的小型熱水鉆（Small Hot Water Drill，簡(jiǎn)稱SHWD）［39］和用于實(shí)施中微子觀測(cè)孔的無(wú)線電陣列（Askaryan Radio Array，簡(jiǎn)稱ARA）熱水鉆［40］，鉆孔直徑分別為76～250、100（可調(diào)）和150 mm，鉆進(jìn)能力分別為6、60和200 m。中深層熱水鉆具主要包括用于冰川探測(cè)的阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校熱水鉆［41］、懷俄明大學(xué)熱水鉆［42］和用于冰下湖探測(cè)的WISSARD熱水鉆［43］，鉆孔直徑分別為200、150和300 mm，鉆進(jìn)能力分別為500、830和1000 m。此外，還有一款用于中深冰層鉆進(jìn)的模塊化熱水鉆（Scalable Hot Water Drill，簡(jiǎn)稱ScHWD）正在研發(fā)中［44］，鉆孔直徑為100～300 mm，鉆進(jìn)能力為1000 m。深層熱水鉆只有用于冰立方中微子觀測(cè)項(xiàng)目（IceCube）的增強(qiáng)型 熱 水 鉆（Enhanced Hot Water Drill，簡(jiǎn) 稱EHWD）［45］，鉆 孔 直 徑＞600 mm，設(shè) 計(jì) 鉆 進(jìn) 能 力2500 m。

3 美國(guó)極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作

3.1 過(guò)去10年極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作

過(guò)去10年（2010—2020年）IDP負(fù)責(zé)和參與實(shí)施了80余個(gè)極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作或項(xiàng)目［46］，大部分具有明確的科學(xué)目標(biāo)（主要是圍繞古氣候變化、冰川動(dòng)力學(xué)及其歷史這2類科學(xué)目標(biāo)），也有部分現(xiàn)場(chǎng)工作的目的是測(cè)試鉆具。北極鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作主要在格陵蘭冰蓋和阿拉斯加山地冰川開(kāi)展，南極鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作主要在西南極和南極點(diǎn)開(kāi)展。總的來(lái)看，除2020年受疫情影響外，每個(gè)科考季美國(guó)都會(huì)安排10個(gè)左右的極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作。大多數(shù)極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作屬于淺冰層鉆探，可在一個(gè)工作季內(nèi)完成，而少數(shù)鉆探項(xiàng)目，開(kāi)展了多個(gè)工作季的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，如西南極分冰嶺深冰芯鉆探項(xiàng)目、南極Allan山藍(lán)冰冰芯鉆探項(xiàng)目、南極點(diǎn)深冰芯鉆探項(xiàng)目和RAID鉆測(cè)試項(xiàng)目等。除這些IDP負(fù)責(zé)和參與的項(xiàng)目之外，還有一些由其他組織負(fù)責(zé)實(shí)施的極地鉆探項(xiàng)目，如IceCube極地鉆探項(xiàng)目、Whillans和Mercer冰下湖鉆探項(xiàng)目等。

3.2 未來(lái)3年極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作

未來(lái)3年美國(guó)擬實(shí)施的極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作或項(xiàng)目共10項(xiàng)，其中，6項(xiàng)位 于南極，4項(xiàng)位 于北極［47］。南極鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作均位于西南極，其中3項(xiàng)位于Thwaites冰川。除1項(xiàng)位于加拿大境內(nèi)外，其余北極鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作均在格陵蘭冰蓋。鉆探工作的目的、科學(xué)意義、地點(diǎn)、計(jì)劃時(shí)間和組織單位等如表6所示。由表6可知，美國(guó)未來(lái)3年極地鉆探科學(xué)目標(biāo)主要為研究古氣候變化和冰蓋動(dòng)力學(xué)。

表6 未來(lái)3年美國(guó)極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作Table 6 U.S.Antarctic drilling fieldwork in next 3 years

4 對(duì)中國(guó)極地鉆探發(fā)展的建議

與美國(guó)極地鉆探技術(shù)和極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作相比，我國(guó)仍有較大差距。在國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)、“863”計(jì)劃和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助下，我國(guó)研發(fā)了淺冰芯鉆、深冰芯鉆、冰下基巖鉆、中深熱水鉆和冰下湖探測(cè)器等極地鉆探裝備，但數(shù)量和種類相對(duì)較少。我國(guó)在南極開(kāi)展鉆探作業(yè)也較少，積累的現(xiàn)場(chǎng)鉆探經(jīng)驗(yàn)非常有限，目前已實(shí)施的現(xiàn)場(chǎng)鉆探作業(yè)主要包括Dome A深冰芯鉆探、中山站內(nèi)陸出發(fā)基地冰下基巖鉆探和中山站－昆侖站斷面部分位置的淺冰芯鉆探和熱融鉆探等。為更好地發(fā)展我國(guó)極地鉆探事業(yè)，我們可以從科學(xué)目標(biāo)規(guī)劃、技術(shù)儲(chǔ)備和管理模式等方面借鑒美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，比如，組建極地鉆探科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)，結(jié)合我國(guó)確定的極地基礎(chǔ)科學(xué)優(yōu)先領(lǐng)域、現(xiàn)有極地鉆探技術(shù)和考察站支撐條件梳理極地鉆探科學(xué)目標(biāo)，并做出長(zhǎng)期規(guī)劃，根據(jù)擬定的科學(xué)目標(biāo)，維護(hù)和研發(fā)極地鉆探裝備，實(shí)施極地鉆探現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

美國(guó)的極地鉆探技術(shù)已經(jīng)成熟，除IDP外，還有多家高校從事極地鉆探技術(shù)研究，形成了較為完善的極地鉆探技術(shù)體系。從取心鉆進(jìn)到全面鉆進(jìn)，從小直徑到大直徑，從淺層到深層，從粒雪層、冰層到冰下基巖層，從機(jī)械切削鉆進(jìn)到熱力融冰鉆進(jìn)，都有相對(duì)應(yīng)的鉆探技術(shù)與裝備，基本涵蓋了極地鉆探的全部領(lǐng)域。另外，為進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率、滿足更多的科學(xué)需求和減輕后勤保障要求，美國(guó)還在致力于對(duì)已有鉆具進(jìn)行升級(jí)改造和研發(fā)新鉆具，并根據(jù)科學(xué)委員會(huì)建議，分別確定未來(lái)1年、3年和5年優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。我們可以從科學(xué)目標(biāo)規(guī)劃、技術(shù)儲(chǔ)備和管理模式等方面借鑒美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，以更好地發(fā)展我國(guó)極地鉆探事業(yè)。