中國(guó)南極昆侖站深冰芯科學(xué)鉆探工程進(jìn)展

范曉鵬，張楠，胡正毅，安春雷，史貴濤，宮達(dá)，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(xué)極地研究中心，吉林 長(zhǎng)春130026；2.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026；3.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026；4.中國(guó)極地研究中心，上海200129；5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；6.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；7.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)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(qiáng)、時(shí)間序列長(zhǎng)和潔凈度高而成為研究地球系統(tǒng)中環(huán)境、生物、化學(xué)和物理過(guò)程的最好媒體［1］。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，世界各國(guó)相繼在南北極冰蓋進(jìn)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(guò)去80萬(wàn)年的氣候變化序列［7-8］。重建結(jié)果表明，南極冰芯記錄的氣候變化以10萬(wàn)年為主導(dǎo)周期，但大約在90萬(wàn)年前發(fā)生了重大轉(zhuǎn)型，從之前的4萬(wàn)年周期為主轉(zhuǎn)為之后的10萬(wàn)年周期為主（中更新世氣候轉(zhuǎn)型），這一轉(zhuǎn)變?cè)贓PICA Dome C冰芯記錄似乎有所體現(xiàn)［9］。要認(rèn)識(shí)這一氣候轉(zhuǎn)型事件，獲取更長(zhǎng)的冰芯記錄是最為關(guān)鍵的。為此，冰芯研究國(guó)際合作委員會(huì)（International Partnerships in Ice Core Sciences，IPICS）發(fā)表的白皮書(shū)中提出了最古老冰芯計(jì)劃用以回答中更新世氣候轉(zhuǎn)型與地球氣候循環(huán)從4萬(wàn)年轉(zhuǎn)換到10萬(wàn)年的起因和驗(yàn)證溫室效應(yīng)假說(shuō)［10-11］。美國(guó)、歐盟、俄羅斯、澳大利亞、日本都已將尋找最古老冰芯計(jì)劃列為國(guó)家南極科學(xué)考察計(jì)劃，共同致力于尋找和獲得超百萬(wàn)年的冰芯記錄。

位于東南極洲冰蓋最高點(diǎn)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(guò)百萬(wàn)年冰芯記錄的必要條件［12-14］，是實(shí)現(xiàn)通過(guò)冰芯記錄辨識(shí)中更新世氣候轉(zhuǎn)型的理想之地。為此，我國(guó)于2012年1月在Dome A區(qū)域正式開(kāi)展實(shí)施了南極昆侖站深冰芯科學(xué)鉆探工程，截至2021年，該鉆孔深度已達(dá)803.54 m［15］。該工程是我國(guó)第一個(gè)深冰芯科學(xué)鉆探工程，也是國(guó)際上第一個(gè)在Dome A地區(qū)開(kāi)展的深冰芯鉆探項(xiàng)目。本文詳細(xì)介紹該深冰芯鉆探工程實(shí)施的整體情況，對(duì)過(guò)去近10年的鉆探活動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)的深冰芯鉆探提供理論和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 鉆探場(chǎng)地

南極昆侖站深冰芯鉆孔位于距離Dome A最高點(diǎn)7 km處 的 中 國(guó) 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(shè)使用壽命30年以上的深冰芯鉆探場(chǎng)地，中國(guó)極地研究中心借鑒了日本Dome Fuji深冰芯鉆探的成功經(jīng)驗(yàn)，場(chǎng)地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的半地下建筑結(jié)構(gòu)。鉆探主場(chǎng)地長(zhǎng)×寬×高為40 m×4 m×3 m，采用36 t鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行遮擋。場(chǎng)地從2009/2010考察季開(kāi)始建設(shè)，于2010/2011考察季建成主鉆探場(chǎng)地，隨后又于2015/2016考察季建成冰芯儲(chǔ)藏室，從而形成了如圖2所示的鉆探場(chǎng)地。

圖2 鉆探場(chǎng)地平面布置Fig.2 Layout of the drilling site

2 鉆探設(shè)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(jī)和中國(guó)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(jī)。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(dǎo)孔，隨后擴(kuò)孔下入套管，為后續(xù)需填充鉆井液的深冰芯鉆探做準(zhǔn)備；深冰芯鉆機(jī)則用于進(jìn)行粒雪層以下的冰層取芯鉆進(jìn)。以上2種鉆機(jī)均采用孔底動(dòng)力鉆具，由鎧裝電纜進(jìn)行鉆具供電和提放。

粒雪層干孔取芯鉆具（圖3）在鉆進(jìn)過(guò)程中不需要添加鉆井液，鉆進(jìn)切削的冰屑沿旋轉(zhuǎn)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(jìn)入冰芯管內(nèi)。提鉆時(shí)，冰芯和冰屑均隨鉆具一起由鎧裝電纜提升至地表進(jìn)行移除。當(dāng)鉆進(jìn)至指定深度后，則可將鉆具下方冰芯管和外管替換為擴(kuò)孔鉆具進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)，擴(kuò)孔鉆具下部空心管深入先導(dǎo)孔內(nèi)充當(dāng)導(dǎo)向管，防止出現(xiàn)分支孔。冰屑則直接由導(dǎo)向管上方刀頭處設(shè)置的窗口進(jìn)入導(dǎo)向管內(nèi)，實(shí)現(xiàn)冰屑收集。擴(kuò)孔鉆進(jìn)共分3級(jí)將鉆孔擴(kuò)大至設(shè)計(jì)直徑。

圖3 D-3型粒雪層干孔取心鉆具和擴(kuò)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(jī)，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(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of CHINARE/JARE deep ice drill

該鉆具的孔底動(dòng)力電機(jī)安裝于測(cè)控艙內(nèi)。鉆進(jìn)時(shí)，電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)冰屑室中心管、冰芯管和鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，而鉆具外管則不回轉(zhuǎn)。鉆進(jìn)產(chǎn)生的冰屑在冰芯管外壁上螺旋翼片的驅(qū)動(dòng)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(dòng)至鉆頭處實(shí)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(gè)短助力螺旋，可輔助運(yùn)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(guò)彈簧壓縮量即可測(cè)得電纜張力，結(jié)合鉆具自重即可得到鉆壓。該鉆機(jī)最大鉆進(jìn)深度為4000 m，成孔直徑為135 mm，取芯直徑為95 mm，最大取芯長(zhǎng)度為3.9 m，井下鉆具轉(zhuǎn)速為0～50 r/min。圖5為深冰芯鉆機(jī)實(shí)物圖。

圖5 深冰芯鉆機(jī)實(shí)物Fig.5 Deep ice drilling rig

3 鉆探工程進(jìn)展

中國(guó)昆侖站南極深冰芯科學(xué)鉆探工程于2012年1月7日正式開(kāi)始實(shí)施，至2021年8月，已經(jīng)成功地進(jìn)行了5個(gè)工作季的鉆探施工和1個(gè)工作季的維護(hù)作業(yè)，孔深達(dá)到了803.54 m。圖6為深冰芯鉆孔結(jié)構(gòu)圖。由于中國(guó)南極昆侖站每個(gè)工作季的工作天數(shù)在20 d左右，而去除鉆探前準(zhǔn)備和收尾工作后，每個(gè)工作季的純鉆進(jìn)天數(shù)只約為15 d，6個(gè)工作季的實(shí)際純鉆進(jìn)天數(shù)僅60 d。

圖6 深冰芯鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the Kunlun’s deep ice hole

各工作季具體任務(wù)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(kuò)孔鉆具進(jìn)行先導(dǎo)孔施工。此次鉆探共完成了118回次取芯鉆進(jìn)，取芯鉆進(jìn)深度為120.79 m，平均回次取芯長(zhǎng)度為1.02 m，平均鉆進(jìn)速度為6.9 m/h，鉆孔直徑為135 mm。隨后，分3次擴(kuò)孔將鉆孔直徑依次擴(kuò)大至180、215和245 mm。最后，向孔內(nèi)下入了100 m長(zhǎng)的?230 mm玻璃纖維套管以保護(hù)粒雪層孔壁。

3.2 2012/2013工作季

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

3.3 2014/2015工作季

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

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(jìn)了119個(gè)回次（包括打撈冰屑5個(gè)回次），總進(jìn)尺為350.9 m，總孔深為654.66 m，平均回次進(jìn)尺2.95 m。每天平均可以進(jìn)行8～9個(gè)回次鉆進(jìn)。隨著深度增加，回次時(shí)間從1.5 h逐漸增加到2 h。鉆進(jìn)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(duì)冰芯儲(chǔ)藏室進(jìn)行了內(nèi)部底板鋪設(shè)和冰芯儲(chǔ)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(jìn)和18回次冰屑打撈，鉆進(jìn)深度為146.1 m，總孔深達(dá)到了800.76 m，平均回次進(jìn)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(jìn)中出現(xiàn)了許多問(wèn)題：（1）鉆具頻繁出現(xiàn)故障，其中鉆具電機(jī)和諧波減速器均損壞并進(jìn)行了更換；（2）打撈冰屑過(guò)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(jìn)尺短；（4）冰屑移除困難，當(dāng)鉆進(jìn)超過(guò)2 h時(shí)，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(shí)間，降低了回次鉆進(jìn)效率。處理以上事故占用了一定現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)時(shí)間，因此該工作季整體鉆進(jìn)效率較低。

3.6 2018/2019工作季

派遣3人對(duì)已有鉆孔和鉆機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的維護(hù)作業(yè)。在對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)絞車變頻器損壞，且由國(guó)內(nèi)攜帶至鉆探場(chǎng)地的鉆具驅(qū)動(dòng)部分內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重，無(wú)法正常回轉(zhuǎn)，最終在更換了新的絞車變頻器和鉆具驅(qū)動(dòng)部分后，鉆機(jī)功能恢復(fù)正常。在將鉆具下入鉆孔過(guò)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(guò)調(diào)松反扭板簧和慢速回轉(zhuǎn)拆除刀頭的冰芯管，鉆具順利通過(guò)卡頓孔段，并到達(dá)800.73 m深度處的孔底。在此過(guò)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(rèn)鉆具和鉆孔均處于較好狀態(tài)時(shí)，僅進(jìn)行了1個(gè)回次鉆進(jìn)，進(jìn)尺深度為2.78 m，鉆孔總深度達(dá)到803.54m。

3.7 小結(jié)

6個(gè)工作季的整體鉆進(jìn)深度和日進(jìn)尺量隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。6個(gè)工作季共鉆進(jìn)約547回次，其中取芯鉆進(jìn)340回次、擴(kuò)孔鉆進(jìn)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(wú)效回次共9回次。日平均鉆進(jìn)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(jìn)回次數(shù)高于2014/2015工作季（日工作時(shí)間是10 h），日進(jìn)尺深度最高達(dá)到了36.39 m。

圖7 各工作季深冰芯鉆孔深度和日進(jìn)尺隨純鉆進(jìn)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(jìn)參數(shù)

4.1 回次進(jìn)尺和機(jī)械鉆速

圖8 為前5個(gè)工作季回次進(jìn)尺、機(jī)械鉆速、純鉆進(jìn)時(shí)間隨孔深變化曲線。從圖8中可以看出，2011/2012工作季取芯長(zhǎng)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(jìn)時(shí)，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(zhǎng)度可達(dá)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(zhǎng)度逐漸減小至1 m以下。而第2～5個(gè)工作季中，采用深冰芯鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，冰屑管和冰芯管各為獨(dú)立腔室，因此回次進(jìn)尺長(zhǎng)度僅受鉆進(jìn)參數(shù)和冰物理性質(zhì)影響，且基本穩(wěn)定在3 m左右。在第4個(gè)工作季中，當(dāng)鉆進(jìn)至500 m孔深左右時(shí)，由于孔內(nèi)殘留冰屑堆積，造成回次進(jìn)尺有所降低，且井下鉆具回轉(zhuǎn)電流增大較快，經(jīng)過(guò)3個(gè)回次冰屑打撈后，回次進(jìn)尺恢復(fù)正常。

圖8 回次進(jìn)尺、機(jī)械鉆速和純鉆進(jìn)時(shí)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(jī)械鉆速來(lái)看，采用粒雪層干孔鉆進(jìn)最大機(jī)械鉆速可達(dá)12 m/h，而采用深冰芯鉆的機(jī)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(jìn)速度明顯降低，在2～4 m/h。從回次純鉆進(jìn)時(shí)間也可看出，深冰芯鉆的純鉆進(jìn)時(shí)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(jìn)時(shí)間平均為1.5～2 h。

4.2 鉆進(jìn)電流和鉆壓

鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具內(nèi)電機(jī)工作電流的變化是深冰芯鉆探的重要指示指標(biāo)。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)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(jìn)深度增加，電流值將緩慢增大，當(dāng)鉆進(jìn)至最大長(zhǎng)度時(shí)，電流將超過(guò)3.4 A，此時(shí)需及時(shí)停鉆，否則易造成冰屑管內(nèi)冰屑堆積過(guò)于密實(shí)，在地表拔出冰屑管將異常困難。在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆進(jìn)電流主要受進(jìn)尺量和鉆壓影響較大。其中采用大進(jìn)尺量鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)電流明顯大于小進(jìn)尺量鉆進(jìn)電流，圖9為采用不同進(jìn)尺量和不同前角刀頭組合鉆進(jìn)時(shí)的電流隨鉆進(jìn)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(jìn)電流無(wú)明顯差異，但采用3 mm進(jìn)尺量的鉆進(jìn)電流明顯大于2 mm進(jìn)尺量的電流，當(dāng)嘗試采用4 mm進(jìn)尺量鉆進(jìn)時(shí)，回次開(kāi)始的鉆進(jìn)電流值已經(jīng)達(dá)到3.3 A，因此該回次僅鉆進(jìn)0.88 m，隨即被迫停止鉆進(jìn)。

圖9 不同刀頭和進(jìn)尺量的鉆進(jìn)電流隨進(jìn)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(jìn)的重要參數(shù)，鉆進(jìn)過(guò)程中需根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整，當(dāng)鉆進(jìn)電流增大，鉆頭轉(zhuǎn)速降低時(shí)，應(yīng)采用小鉆壓鉆進(jìn)，反之，則采用較大鉆壓。在深冰芯鉆具中，鉆壓通過(guò)電纜終端處的彈簧變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并以占鉆具質(zhì)量百分比的形式顯示。正常鉆進(jìn)情況下，鉆壓多采用30%～50%，鉆頭轉(zhuǎn)速為40～50 r/min。當(dāng)鉆壓＞50%時(shí)，鉆頭扭矩增大，轉(zhuǎn)速將急劇降低，鉆進(jìn)電流增大；鉆壓＜30%時(shí)，鉆具因無(wú)法切入冰層而空轉(zhuǎn)，電流＜1.6 A，鉆頭轉(zhuǎn)速將急劇上升。

5 鉆探中遇到的問(wèn)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(wèn)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(guò)改變板簧鉸點(diǎn)之間距離來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)反扭板簧調(diào)節(jié)過(guò)緊時(shí)，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(shí)若出現(xiàn)鉆具在大鉆壓下的鉆進(jìn)電流仍較小時(shí)，也應(yīng)嘗試調(diào)松反扭裝置。但若反扭裝置調(diào)節(jié)過(guò)松，反扭裝置不足以提供鉆進(jìn)所需的反扭矩，則容易造成上部鉆具在孔底打滑而無(wú)法鉆進(jìn)，這種情況主要表現(xiàn)為鉆進(jìn)電流較小，同時(shí)孔內(nèi)電纜將出現(xiàn)輕微晃動(dòng)。因此將反扭裝置調(diào)節(jié)至合適位置對(duì)于順利鉆進(jìn)至關(guān)重要，在現(xiàn)場(chǎng)通常采用內(nèi)徑與孔徑相同的套管放置在反扭裝置處進(jìn)行調(diào)節(jié)，并依靠鉆工經(jīng)驗(yàn)通過(guò)移動(dòng)套管的難易程度來(lái)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(jìn)至第80回次后，當(dāng)回次進(jìn)尺＞3 m時(shí)，地表冰屑管出現(xiàn)拔出困難現(xiàn)象。分析原因?yàn)楫?dāng)回次進(jìn)尺＞3 m后，冰屑室內(nèi)冰屑密實(shí)度較大，且經(jīng)過(guò)地表的拉拔作用，冰屑在冰屑室內(nèi)密實(shí)度進(jìn)一步增大，導(dǎo)致冰屑管拔出困難。為了解決該問(wèn)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(rèn)為可能是短螺旋對(duì)冰屑推動(dòng)力較大，因此將3個(gè)3/4短螺旋更換為2個(gè)3/4短螺旋，更換后效果良好，冰屑管拔出容易，但回次進(jìn)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(zhǎng)螺旋，回次進(jìn)尺基本恢復(fù)到原來(lái)長(zhǎng)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(wèn)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(wèn)題可能的原因是：由于該工作季中鉆具鉆進(jìn)速度慢，刀頭在井下切削時(shí)間長(zhǎng)，因此鉆進(jìn)產(chǎn)生的冰屑顆粒尺寸較細(xì)，導(dǎo)致冰屑室內(nèi)冰屑密實(shí)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(jìn)中，偶爾會(huì)出現(xiàn)獲取的冰芯長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于進(jìn)尺深度，這意味著冰芯并未從根部拔斷，此時(shí)應(yīng)及時(shí)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(wú)法切入冰芯。冰芯卡斷器在鉆進(jìn)過(guò)程中更換頻率較小，平均約鉆進(jìn)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(dāng)鉆進(jìn)中出現(xiàn)機(jī)械鉆速變慢、鉆進(jìn)電流減小時(shí)，應(yīng)優(yōu)先檢查刀頭的磨損情況。對(duì)刀頭磨損情況進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)刀頭損壞存在2種型式，一種為鉆進(jìn)過(guò)程中自然磨損，一種為鉆具下放過(guò)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(dá)到1.3 mm，線形磨損最長(zhǎng)達(dá)7.8 mm，卷刃磨損最長(zhǎng)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(yàn)，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(jié)與建議

中國(guó)南極昆侖站深冰芯科學(xué)鉆探工程是我國(guó)在南北極冰蓋獨(dú)立進(jìn)行的第一個(gè)深冰芯鉆孔，對(duì)我國(guó)極地冰層鉆探技術(shù)的發(fā)展意義重大。但從總體進(jìn)度來(lái)看，鉆探進(jìn)展較為緩慢，且從2019年之后基本處于停滯狀態(tài)。而反觀國(guó)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(diǎn)選址工作，歐盟和澳大利亞計(jì)劃在東南極Little Dome C進(jìn)行深冰芯鉆探，并已于2020年完成了場(chǎng)地建設(shè)［17-18］；俄羅斯擬在距離東方站50 km的Ridge B進(jìn)行深冰芯鉆探；日本擬在東南極Dome F附近重新選擇孔位進(jìn)行深冰芯鉆探［19］；美國(guó)還在選址準(zhǔn)備階段，預(yù)計(jì)在2025年開(kāi)始進(jìn)行最古老冰芯選址初勘工作［20］。因此我國(guó)也應(yīng)在近期適時(shí)重啟昆侖站深冰芯鉆探任務(wù)。為了更好地進(jìn)行后續(xù)鉆探施工，提出如下建議：

（1）冰屑打撈作業(yè)對(duì)回次鉆探進(jìn)尺具有顯著影響，在實(shí)際鉆探工作中應(yīng)每周定期進(jìn)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(jī)故障頻發(fā)，很可能是鉆機(jī)各部件在極低溫度下性能下降所致，因此應(yīng)對(duì)深冰芯鉆機(jī)進(jìn)行徹底的維護(hù)保養(yǎng)，確保鉆機(jī)各部件處于良好的工作狀態(tài)，并清點(diǎn)和補(bǔ)充易損配件。

（3）提前布局規(guī)劃，確保沖洗液儲(chǔ)備充足，防止深孔鉆進(jìn)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(dòng)昆侖站科考航空保障的發(fā)展，延長(zhǎng)昆侖站深冰芯鉆探單季工作時(shí)長(zhǎng)，以加快昆侖站深冰芯鉆探進(jìn)度。

（5）利用虛擬仿真技術(shù)或在實(shí)驗(yàn)室搭建深冰芯鉆探模擬試驗(yàn)臺(tái)，以對(duì)鉆探人員進(jìn)行先期培訓(xùn)，從而提高現(xiàn)場(chǎng)鉆探效率和降低操作失誤率。

致謝：中國(guó)深冰芯鉆探項(xiàng)目得到了中國(guó)第27次、28次、31次、32次、33次和35次南極科學(xué)考察隊(duì)的大力支持，尤其是昆侖站全體隊(duì)員均對(duì)物資運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)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(zāi)害國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)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(shù)指導(dǎo)和幫助。最后感謝所有參加過(guò)南極昆侖站深冰芯科學(xué)鉆探的科考人員。