南極東方站深冰層及冰下湖鉆探技術(shù)

王秋雯，李 冰，Pavel Talalay，孫友宏，張 楠，宮 達(dá)，楊 陽，范曉鵬*，5

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春130026；2.油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130021；3.吉林大學(xué)極地研究中心，吉林 長春130026；4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；5.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春130026）

0 引言

東方站（78°28′S，106°48′E）位于東南極中心區(qū)域，建造于1957年，海拔3488 m，冰蓋厚度達(dá)3760 m［1］，其地理位置如圖1所示。自1970年以來，由前蘇聯(lián)和俄羅斯科學(xué)家主導(dǎo)在東方站進(jìn)行了大量的冰層鉆探活動(dòng)，先后創(chuàng)造了最深干孔鉆進(jìn)深度記錄（952 m）、最深熱融取芯鉆進(jìn)記錄（2755 m）、最深冰芯鉆探記錄（3769.3 m）［2］。在東方站鉆取的冰芯首次揭示了在10萬年氣候周期中全球氣候變化與地球大氣中CO2和CH4濃度之間 的密切關(guān)系［1］，從而開啟了深冰芯研究的熱潮。20世紀(jì)90年代中期，隨著位于東方站冰蓋下的大型冰下湖（200 km×80 km）［3］的發(fā)現(xiàn)，開啟了南極冰下湖泊探索的新時(shí)代，人們迫切希望通過對(duì)冰下湖泊的探測(cè)尋找未知的生命形式以及研究冰蓋的形成和演化過程［4］。2012年俄羅斯科學(xué)家通過冰芯鉆探揭開了東方湖的神秘面紗，獲取了總長34.1 m的湖水重新凍結(jié)冰芯［5］。俄羅斯也因此成為全球首個(gè)鉆穿冰下湖并獲取湖冰樣品的國家。在東方站進(jìn)行的鉆探活動(dòng)為極地冰層鉆探技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)和引領(lǐng)作用，蘇聯(lián)和俄羅斯科學(xué)家及工程師也為此付出了艱苦卓越的努力，同時(shí)獲取了寶貴的深冰層鉆探經(jīng)驗(yàn)。

圖1 東方站地理位置（圖中紅星所示）及部分南極深冰芯鉆探分布（括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為鉆孔深度）Fig.1 Location of Vostok Station(marked by red star)and some deep ice core drill sites in Antarctic(the number in brackets is the drilling depth)

我國自2011年在Dome A昆侖站正式開始實(shí)施深冰芯鉆探工程［6］，該地點(diǎn)是國際上公認(rèn)的有可能獲取最古老冰芯的地點(diǎn)之一，截至2020年該鉆孔的鉆進(jìn)深度為803.7 m［4］。2020年，孫波等人通過航空雷達(dá)探測(cè)，在距我國泰山站100 km附近區(qū)域首次發(fā)現(xiàn)了規(guī)模僅次于東方湖的冰下湖泊［7］。搶占這兩塊科研“高地”，加速實(shí)施和完成我國主導(dǎo)的南極科學(xué)鉆探計(jì)劃，將有利于提升我國極地科考綜合實(shí)力，促進(jìn)我國從極地大國向極地強(qiáng)國邁進(jìn)。詳細(xì)總結(jié)東方站深冰層及冰下湖鉆探技術(shù)、裝備和鉆探經(jīng)驗(yàn)，將為我國正在實(shí)施的深冰芯鉆探和即將開啟的冰下湖科學(xué)鉆探提供重要的借鑒。

1 東方站深冰芯鉆探

前蘇聯(lián)在東方站的鉆探活動(dòng)最早可追溯到1958年，由第4次蘇聯(lián)南極考察隊(duì)實(shí)施了熱融鉆探，最深鉆孔鉆至52 m深度，但由于技術(shù)原因，所有鉆具均被凍結(jié)在孔內(nèi)［2］。此后蘇聯(lián)南極和北極研究所聯(lián)合列寧格勒礦業(yè)學(xué)院先后研制了多種電纜懸掛式冰層取芯鉆具，并于1970年開始深冰芯鉆探活動(dòng)，自此之后的40余年，俄羅斯考察隊(duì)在東方站先后鉆進(jìn)實(shí)施了1號(hào)鉆孔（952 m）、2號(hào)鉆孔（450.4 m）、3G（3G-1、3G-2）鉆孔（2201.7 m）、4G（4G-1、4G-2）鉆孔（2546.4 m）和5G（5G-1、5G-2、5G-3、5G-4、5G-5）鉆孔（3769.3 m），這些鉆孔的結(jié)構(gòu)如圖2所示。5G鉆孔采用的地表設(shè)施如圖3所示。

圖2 東方站冰層鉆孔結(jié)構(gòu)示意[1]Fig.2 Schematic diagram of the borehole structure,Vostok Station

圖3 東方站5G鉆孔地表鉆探設(shè)施[5]Fig.3 Surface drilling shelter for 5G hole,Vostok Station

1.1 1號(hào)、2號(hào)、3G和4G鉆孔

1號(hào)、2號(hào)、3G和4G孔 主要采用 熱融鉆探 方法鉆進(jìn)，施工時(shí)間為1970年至1989年。其中1號(hào)孔全孔段均采用TELGA-14型鉆具鉆進(jìn)而成，并達(dá)到了952.4 m的冰層干孔鉆進(jìn)的最深深度［8-9］。2號(hào)、3G和4G孔上部粒雪層采用TELGA-14型鉆具鉆進(jìn)，雪冰過渡層以下冰層采用孔內(nèi)填充鉆井液的TBZS-152M和TVB-112VCh型鉆具鉆進(jìn)，在4G-2鉆孔底部采用KEMS-135型機(jī)械鉆具鉆進(jìn)了118 m。這4個(gè)鉆孔鉆進(jìn)過程中，均在不同深度因孔底融水清除不充分、鉆井液不足以平衡上覆冰層壓力導(dǎo)致縮徑或設(shè)備故障出現(xiàn)了卡鉆、掉鉆事故。為了充分利用原有鉆孔繼續(xù)鉆進(jìn)，在每個(gè)鉆孔中均進(jìn)行了大量的分支孔鉆進(jìn)。具體情況參見表1。

表1 東方站1號(hào)、2號(hào)、3G和4G鉆孔事故匯總[2,5,8-10]Table 1 Summary of drilling incidents of No.1,No.2,3G and 4G holes at Vostok station

1.2 5G鉆孔

5G孔開始于1990年2月，粒雪層采用TELGA-14M型鉆具鉆進(jìn)。隨后改用TBZS-152M型鉆具，于1991年12月 鉆 至2502.7 m的 深 度［11］。但在該深度由于孔內(nèi)鉆井液壓力不足導(dǎo)致鉆孔縮徑，造成鉆具在上行過程中卡在2259 m處。打撈鉆具失敗后，最終電纜被拉出地面［11］。向孔內(nèi)添加HCFC 141b加重劑后，將大約35 m的人造冰芯放在被卡鉆具的頂部，作為人造井底，開始分支孔鉆進(jìn)，從而在2232 m處形成一個(gè)新的井底。之后采用縮短版TBZS-132型鉆具鉆進(jìn)形成了5G-1孔。

使用長度為8 m的TBZS-132型鉆具從2249.5 m的深度繼續(xù)鉆至2755.3 m（1993年9月）。隨后將孔口段120 m的粒雪層擴(kuò)孔至220 mm口徑，并下入了內(nèi)外徑為165/179 mm的玻璃纖維套管，底部帶有熱融套管靴以封隔粒雪層，防止鉆井液漏失。1994年采用電動(dòng)機(jī)械擴(kuò)孔鉆具將2200～2755 m孔段的直徑由134 mm擴(kuò)孔至139 mm，之后采用KEMS-135型 鉆具 繼 續(xù) 鉆 進(jìn)，至1998年2月，該 鉆孔深度達(dá)到了3623 m［12］。隨后該鉆孔的鉆探工作進(jìn)入停滯狀態(tài)，重點(diǎn)商討如何穿透冰下湖的方案［13］。

8年后的2005年，重啟5G-1孔鉆探工作，采用KEMS-135型鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)，至2007年鉆進(jìn)至3666 m，但冰芯管突然掉落孔底，隨后嘗試采用特制的打撈工具進(jìn)行打撈，但最終失敗。此后在約3600 m深度處，鉆進(jìn)了5G-2分支孔，并于2012年初鉆穿冰下湖，深度為3769.3 m。穿透冰蓋瞬間，冰下湖水在壓力驅(qū)動(dòng)下，沿鉆孔上升至3385 m，隨后下降至3424 m，并重新凍結(jié)。隨后沿5G-1孔進(jìn)行湖冰鉆進(jìn)，但在鉆至3458 m深度處，形成了5G-3分支孔，此次鉆進(jìn)共獲取了34.1 m湖冰樣品。2015年5G-3孔鉆至3769.15 m，重新穿透至冰下湖，湖水沿鉆孔上升了約71 m，并再次結(jié)冰。隨后，2015/2016考察季中，再次下鉆并獲取了12 m長的含湖冰和由鉆井液加重劑與湖水氣體形成的水合物的冰芯［4-5］，鉆探至3731.4 m時(shí)，湖冰從冰芯中消失，說明井下已形成分支孔5G-4孔，如圖4所示，隨即停止了鉆探作業(yè)［14］。2018/2019考察季，在3266～3291 m深度內(nèi)進(jìn)行了分支孔5G-5鉆進(jìn)，以重復(fù)獲取年齡約120萬年的古老冰芯，但在此之后，5G-1孔幾無可能再次進(jìn)入。

圖4 東方站5G鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.4 5G structure at Vostok Station

2 東方站深冰鉆探裝備

東方站深冰鉆探采用的鉆具主要有4種型號(hào)的取芯鉆具，包括熱融鉆具和機(jī)械式鉆具，如圖5所示。

2.1 淺層干孔鉆進(jìn)用TELGA－14型熱融鉆具

TELGA－14型熱融取芯鉆具是利用電加熱環(huán)狀熱融鉆頭加熱冰層從而實(shí)現(xiàn)融冰鉆進(jìn)，如圖5（a）所示。該鉆具采用的熱融鉆頭內(nèi)外徑分別為130 mm和178 mm，由一個(gè)銅體組成，銅體內(nèi)包含1個(gè)直徑為1.1 mm的鎳鉻合金線元件，采用陶瓷珠絕緣。熱融鉆頭的導(dǎo)線電阻為15 Ω。鉆進(jìn)產(chǎn)生的融水被固定在冰芯管外表面上的6根吸水管從孔底運(yùn)移至鉆具儲(chǔ)水腔內(nèi)，在回次鉆進(jìn)結(jié)束后，冰芯和儲(chǔ)水腔內(nèi)融水將隨鉆具一同被提拉至地表，并進(jìn)行清除，因此鉆孔內(nèi)始終保持為“干孔”。安裝在鉆具儲(chǔ)水腔內(nèi)的兩級(jí)真空泵在儲(chǔ)水腔內(nèi)形成負(fù)壓，孔底融水在內(nèi)外壓差作用下隨空氣流依次通過吸水管、連接器和中心管進(jìn)入儲(chǔ)水腔內(nèi)。為防止水在吸水管內(nèi)結(jié)冰，沿管路固定了功率為200 W的電熱絲。在提鉆期間，電熱絲以最大功率工作，而熱融鉆頭以較小的功率工作。儲(chǔ)水腔還配備了加熱器，以使水溫保持在5～10 °C范圍內(nèi)。連接器同時(shí)預(yù)留了1個(gè)排水口，在提鉆后將儲(chǔ)水腔內(nèi)融水放出［8］。TELGA-14型鉆具冰芯管的長度為2 m，通過技術(shù)改進(jìn)，并將冰芯管延長至2.5 m，在鉆具名稱上添加了字母M，使其成為TELGA-14M型［15］。

圖5 東方站深冰鉆采用的鉆具及其結(jié)構(gòu)[2,5,8]Fig.5 Drilling stem structure for deep ice drilling at Vostok Station

盡管采用該鉆具在東方站1號(hào)鉆孔成功鉆進(jìn)至952.5 m，創(chuàng)造了干孔鉆進(jìn)的最深記錄，但由于鉆孔始終開放，受冰溫、上覆壓力和鉆進(jìn)時(shí)間的影響，鉆孔逐漸縮徑，從而造成鉆具卡堵。因此，該鉆具主要用于冰層淺孔鉆進(jìn)。

2.2 使用鉆井液的TBZS和TBS-112VCh型熱融取芯鉆具

列寧格勒礦業(yè)學(xué)院于1973年開發(fā)了TBZS-152型熱融鉆具（TBZS為俄語中“用于充滿流體鉆孔的熱融取芯鉆具”的縮寫，數(shù)字152表示取芯鉆頭的外徑）［8，16］，其結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示。TBZS-152型鉆具的鉆頭內(nèi)包含2個(gè)被鑄入銅環(huán)或鋁環(huán)中的總功率為2.5～3.2 kW的盤管式加熱器［17］。鉆頭的內(nèi)外徑分別為114 mm和152 mm。熱融鉆頭和3個(gè)卡斷器用螺栓固定在短套管和鋼制冰芯管上。在冰芯管的外表面固定有3根吸水管（外徑為10 mm）和1根布有電線的扁平管。冰芯管通過連接器連接到容積約為35 L的鋼制儲(chǔ)水腔（內(nèi)/外徑分別為136 mm和146 mm）上。儲(chǔ)水腔中心的輸水管長度比儲(chǔ)水腔的長度短0.5 m。ETsN-91B型離心泵由水下直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)并固定在儲(chǔ)水腔的頂部。直流電機(jī)的電壓可以在15～27 V范圍內(nèi)變化，其最大電流為8 A。儲(chǔ)水腔中的流體成分通過重力分離，水被收集在儲(chǔ)水腔底部，鉆井液被泵回鉆孔。泵的最大流量為30 L/min。TBZS-152M型鉆具總長度為7.5 m，冰芯管長度為3 m，質(zhì)量為180 kg，總功耗（包括輸水管和儲(chǔ)水腔的加熱器）為5～6 kW［8］。

在4G孔中，TBZS-152M型鉆頭的平均鉆速為1.8～2.2 m/h，冰芯長度為2.25～2.8 m，鉆頭功率為3.6～3.9 kW，輸水管和儲(chǔ)水腔的總功率為3.5 kW［8］。TBZS-132型和TBZS-152型鉆具主要區(qū)別是鉆頭的內(nèi)外徑以及冰芯管和儲(chǔ)水腔的管道［18］。

采用此類鉆具鉆進(jìn)時(shí)，孔內(nèi)需填充密度足夠高的鉆井液來平衡冰層上覆壓力，以維持鉆孔直徑。2號(hào)鉆孔前期鉆井液采用了乙醇水溶液，但乙醇水溶液對(duì)孔壁有強(qiáng)烈的融化腐蝕作用，導(dǎo)致孔內(nèi)乙醇水溶液濃度降低，形成冰漿，進(jìn)而鉆進(jìn)受阻。1975年將鉆井液更換為TS-1型航空煤油，并成功將2號(hào)鉆孔鉆進(jìn)至450.4 m。在3G鉆孔中，則使用了TS-1型航空煤油和CFC-11型混合液。4G-2鉆孔由于鉆井液密度不足，導(dǎo)致鉆孔縮徑和鉆具卡鉆，鉆孔被迫停止。在5G鉆孔鉆進(jìn)中，同樣由于鉆井液密度不足，造成鉆具在提鉆過程中卡鉆。5G-1孔后續(xù)鉆進(jìn)中采用了航空煤油和HCFC141b的混合液，密度為900 kg/m3。

TBS-112VCh型鉆具（TBS是俄文中“高頻電熱鉆具”的縮寫，112表示鉆頭外徑）使用高頻電流供電，從而減小鉆具中變壓器尺寸，其結(jié)構(gòu)如圖5（c）所示。該鉆具由直徑為12 mm的同軸KG2-59-90型鎧裝電纜懸吊，拉斷力為58 kN。地表供電為800～1000 V/2500 Hz。經(jīng)過電纜損耗后，井底電壓降為700～900 V。在鉆具內(nèi)部，使用變壓器將電壓進(jìn)一步降壓至20～25 V。融水將被收集在一個(gè)未設(shè)置加熱的儲(chǔ)水腔內(nèi)并允許其在里面凍結(jié)，鉆具提至地表后，需將裝滿凍結(jié)融水的儲(chǔ)水腔取下并換上空儲(chǔ)水腔。冰芯管由厚壁管做成，吸水管和電線則隱藏在厚壁管的管壁內(nèi)。該鉆具鉆頭內(nèi)外徑分別為92 mm和112 mm，長度為7.1 m，質(zhì)量為120 kg。

1981年，在3G孔1500 m以 深 使 用 了TBS-112VCh型鉆具。與TBZS-152M型鉆具相比，4.5 kW的鉆頭加熱功率使TBS-112VCh型鉆具的鉆速增加了1倍，達(dá)到了3.5～4 m/h。輸水管加熱器的功率為3 kW，冰芯長度在1.6～2.2 m之間，冰芯直徑為87～90 mm［8］。

2.3 KEMS-135型鎧裝電纜式電動(dòng)機(jī)械取芯鉆具

KEMS-135型鉆具于20世紀(jì)80年代初由蘇聯(lián)列寧格勒礦業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)（KEMS是“取芯機(jī)電鉆”的俄 文 縮寫）［5，19］。KEMS鉆具由帶切削刀頭的冰芯管、帶齒輪減速器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、泵、反扭系統(tǒng)、重錘、測(cè)控艙和電纜終端組成，如圖5（d）所示。冰芯管由帶有0.315 mm孔眼的過濾網(wǎng)制成，冰芯管內(nèi)外徑為117/127 mm，長度為3 m，鉆頭內(nèi)外徑為107/135 mm。該鉆具內(nèi)部2.2 kW的交流電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)冰芯管和刀頭回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為220 r/min。鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液攜帶冰屑通過冰芯與冰芯管間隙上返至冰屑室內(nèi)，冰屑被濾網(wǎng)阻擋留滯在冰屑室內(nèi)，干凈的鉆井液則繼續(xù)上返經(jīng)過泵后流入鉆具和鉆孔間隙，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。鉆具反扭裝置采用滑刀式結(jié)構(gòu)，下方布置有行程為300 mm的錘擊結(jié)構(gòu)，可輔助拔斷冰芯。根據(jù)冰芯管長度不同，鉆具整體長度在7～12 m之間，質(zhì)量為120～180 kg。該鉆具整體由直徑16.5 mm的8芯KG7-95-180電 纜 懸 吊，其 中6芯用于供電，2芯用于通訊，電纜拉斷力為95 kN，空氣中質(zhì)量為0.865 kg/m。

KEMS-132型鉆具主要在5G鉆孔2755.3 m深度以下進(jìn)行了應(yīng)用。鉆進(jìn)初始，平均回次進(jìn)尺可達(dá)2.8 m/h，但在2930 m深度以下，鉆進(jìn)變得異常困難，回次進(jìn)尺大幅下降。但與其他深孔常見的暖冰鉆進(jìn)難題不同，東方站在3000 m深度處的冰溫仍接近－20℃，并不屬于暖冰層，冰溫并不是影響回次進(jìn)尺的主要原因［2］。通過對(duì)比冰芯和鉆進(jìn)回次進(jìn)尺數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)回次進(jìn)尺和冰晶尺寸呈現(xiàn)很好的負(fù)相關(guān)，如圖6所示。當(dāng)冰晶尺寸變小時(shí)，回次進(jìn)尺變大，而在3480 m以下，冰晶尺寸超過20 mm，鉆進(jìn)速度幾乎停滯。同時(shí)通過切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用相同轉(zhuǎn)速和切削參數(shù)，當(dāng)冰晶尺寸變大時(shí)，冰屑粒徑變小。細(xì)粒冰產(chǎn)生的冰屑粒徑在1～2 mm，而單晶冰冰屑粒徑＜0.5 mm。過小的冰屑顆粒將在冰屑室內(nèi)形成致密的堆積物，從而增大了鉆井液流道阻力，嚴(yán)重的甚至?xí)钄嘌h(huán)，從而使冰屑在刀頭處堆積，阻礙鉆進(jìn)［20］。

圖6 東方站5G-1鉆孔回次進(jìn)尺和冰晶尺寸隨深度變化曲線[20]Fig.6 Curves of footage per run and ice crystal size vs depth of 5G-1 hole at Vostok Station

從這一機(jī)理出發(fā)，在深度3000 m以下冰層中提高鉆進(jìn)速度的最優(yōu)方法是增大鉆井液循環(huán)流量，優(yōu)化鉆井液流道，同時(shí)增大刀頭切削產(chǎn)生的冰屑粒徑。為此俄羅斯工程師設(shè)計(jì)了階梯型刀頭，每個(gè)刀頭切削深度增加為原來的3倍，有助于增加冰屑粒徑，同時(shí)將鉆具內(nèi)鉆井液流量增大至120 L/min。隨后在5G-3孔鉆進(jìn)中，在相同的冰層條件下，采用該技術(shù)獲得了比5G-1孔高2～3倍的回次進(jìn)尺（圖7），充分說明了該技術(shù)的可行性，但在3650 m以深，盡管采用了階梯型刀頭和大鉆井液流量，回次進(jìn)尺再次持續(xù)下降，這與冰溫逐漸升高有關(guān)（3650 m處冰溫為－5℃，壓力融點(diǎn)為－2.5℃）。高冰溫導(dǎo)致冰屑極易壓實(shí)形成冰塞，從而堵塞了鉆井液通道，導(dǎo)致回次進(jìn)尺降低［20］。

圖7 采用階梯刀頭和大鉆井液流量前后回次進(jìn)尺對(duì)比[20]Fig.7 Comparison of footage per run before and after using the stepped bit and large drilling fluid flow rate

暖冰鉆進(jìn)一直是深冰芯鉆探的難題，格陵蘭NGRIP項(xiàng)目在2931 m鉆遇暖冰，冰溫為－7.1℃，發(fā)生多次卡鉆［21-22］；Dome C深冰鉆探在3119 m鉆遇暖冰，冰溫為－5.8℃，幾乎無法進(jìn)尺［23-24］；Dome Fuji深冰鉆探在3000 m鉆遇暖冰，冰溫為－2.8℃，每回次僅能進(jìn)尺約10 cm［23，25］；格陵蘭NEEM計(jì)劃［26］、西南極WAIS計(jì)劃［27］等都遇到暖冰鉆進(jìn)困難的問題。曹品魯?shù)热藢?duì)暖冰鉆探難題進(jìn)行了剖析，并建議通過優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)以降低切削熱，從而減輕刀具在暖冰層鉆進(jìn)中結(jié)冰，提高鉆進(jìn)效率［28］，但該理論尚需工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

3 東方湖未來研究計(jì)劃

東方站冰芯計(jì)劃已經(jīng)取得巨大成功，獲取了完整的透底冰芯，但對(duì)于東方湖的研究才剛剛拉開帷幕，獲取的部分湖冰樣品也僅僅揭開了東方湖的冰山一角，如何在不污染東方湖生態(tài)環(huán)境的前提下增進(jìn)人類對(duì)東方湖的理解是目前急需攻克的工程難題。目前，已見于文獻(xiàn)發(fā)表的研究計(jì)劃僅有以下3種。

3.1 基于5G鉆孔的冰下湖水探測(cè)器

2014年Valery V.LUKIN提出了采用現(xiàn)有的5G鉆孔研究冰下湖的方案，該方案計(jì)劃采用直徑≯135 mm的運(yùn)載設(shè)備通過5G鉆孔將湖水采樣器、水文物理探測(cè)器和生物化學(xué)探測(cè)器等科學(xué)載荷放入冰下湖內(nèi)進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示［13］。該運(yùn)載設(shè)備外部安裝有加熱元件，可保證進(jìn)入鉆孔內(nèi)的湖水不凍結(jié)，其內(nèi)部安裝有絞車系統(tǒng)，可將上述科學(xué)載荷放入冰下湖內(nèi)進(jìn)行縱深探測(cè)。

圖8 利用5G鉆孔進(jìn)行冰下湖水參數(shù)測(cè)量示意Fig.8 Vostok lake water parameter measurement in 5G hole

采用該技術(shù)的難點(diǎn)在于如何精確控制鉆井液柱壓力，以使鉆井液和湖水界面保持在孔內(nèi)一定高度，避免鉆井液進(jìn)入湖水造成對(duì)東方湖的污染。同時(shí)該界面高度不能太高，否則將需要較大功率才能維持孔內(nèi)湖水不重新凍結(jié)。理想的孔內(nèi)湖水液面高度為10 m左右，此時(shí)鉆具僅需要150 W加熱功率即可保持鉆孔開放。但按照目前5G孔采用的?16 mm電纜計(jì)算，當(dāng)鉆具和電纜下入和提出孔內(nèi)將造成鉆井液位約25 m的高度變化，這將嚴(yán)重威脅探測(cè)安全。為此，Valery V.LUKIN建議在冰下湖上方200 m內(nèi)冰層中利用水力壓裂創(chuàng)建裂縫通道，當(dāng)上方鉆井液位變化造成裂縫位置鉆井液壓力大于上覆地層壓力時(shí)，鉆井液將流入裂縫，從而補(bǔ)償鉆具和電纜引起的鉆井液位變化。采用這種方法可大大提高對(duì)冰下湖研究的安全性。但該計(jì)劃自2014年后未見后續(xù)報(bào)道。

3.2 冰下湖沉積物取樣器

2020年，V.S.Litvinenko指出東方湖沉積物包含了南極洲中部環(huán)境和氣候變化的獨(dú)特記錄，獲取湖底表層樣品，也將為評(píng)估湖泊環(huán)境和模擬沉積過程提供非常重要的信息［29］。他同時(shí)指出俄羅斯最初考慮使用5G鉆孔來繼續(xù)探測(cè)東方湖時(shí)，曾計(jì)劃在穿透冰蓋前立即注入一種生態(tài)安全的緩沖液（有機(jī)硅流體），以形成一個(gè)緩沖層，將孔底的水和鉆井液分開，但在分析了5G鉆孔第一次和第二次穿透冰下湖的現(xiàn)象后，認(rèn)為無法繼續(xù)使用5G鉆孔探測(cè)東方湖，因?yàn)殂@孔中充滿了煤油和氟利昂的混合物，無法在作業(yè)期間防止鉆井液污染冰下湖水。他提出有必要使用有機(jī)硅流體重新進(jìn)行鉆孔以確保東方湖調(diào)查期間的生態(tài)安全。

V.S.Litvinenko建議采用如圖9所示的取樣技術(shù)進(jìn)行東方湖沉積物鉆探，運(yùn)載設(shè)備基本原理與圖8類似，但絞車內(nèi)部需包含約700 m?2 mm的電纜，以穿過約600 m深的東方湖到達(dá)湖底。他建議采用動(dòng)態(tài)平衡鉆具進(jìn)行取樣［29-30］。2017年Vasilyev N.I.首次提出了動(dòng)態(tài)平衡鉆具的概念［31］，具有2個(gè)自由度的雙質(zhì)量機(jī)電振蕩交替運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可使鉆具在不設(shè)置反扭系統(tǒng)情況下正常旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。該系統(tǒng)電力依靠電池提供，可獲得長度等于取芯管長度的沉積物樣芯。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)平衡鉆具具備復(fù)合載荷下共振穩(wěn)定性和對(duì)地層動(dòng)態(tài)參數(shù)變化的寬范圍適應(yīng)性。但該技術(shù)只能獲取冰下湖沉積物表層樣品，如何獲取大深度的沉積物樣品仍是一個(gè)難題。

圖9 東方湖沉積物鉆探取樣示意Fig.9 Sample drilling from bottom sediment of Vostok lake

3.3 冰下湖無污染鉆進(jìn)采樣與觀測(cè)系統(tǒng)

2016年吉林大學(xué)極地研究中心提出了一種新的熱融鉆具設(shè)計(jì)理念——可回收型全自動(dòng)冰下環(huán)境探測(cè)器［30，32］，為東方湖等冰下水環(huán)境的無污染取樣和探測(cè)提供了一種選擇。為保證鉆進(jìn)過程中冰下湖與外界環(huán)境的隔絕，實(shí)現(xiàn)無污染鉆進(jìn)，該探測(cè)器采用電力熱融式鉆進(jìn)方式，前面熱融鉆進(jìn)、后面凍結(jié)閉合，如圖10所示。

圖10 可回收型全自動(dòng)冰下環(huán)境探測(cè)器概念設(shè)計(jì)及工作原理Fig.10 Conceptual design and working principle diagram of the recoverable autonomous sonde

用于探測(cè)器下放和回收的絞車和電纜均安裝在探測(cè)器內(nèi)部，向下鉆進(jìn)時(shí)，開啟下部熱融鉆頭，在內(nèi)嵌式絞車控制下探測(cè)器自行熱融向下鉆進(jìn)，探測(cè)器通過區(qū)域的冰層融水會(huì)在周圍冰層作用下重新凍結(jié)，實(shí)現(xiàn)鉆孔與外界環(huán)境隔離；該探測(cè)器在鉆至冰下湖完成湖水采樣后，開啟上部熱融鉆頭，絞車回收電纜即可促使探測(cè)器向上熱融鉆進(jìn)，直至到達(dá)地表。采用該設(shè)計(jì)理念可最大程度地降低對(duì)南極冰下湖的污染，實(shí)現(xiàn)無污染取樣。該探測(cè)器目前已經(jīng)完成原理樣機(jī)和工程樣機(jī)的研制和試驗(yàn)。

目前針對(duì)東方湖的后續(xù)研究計(jì)劃尚處于設(shè)計(jì)階段，距離南極現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐仍尚需一定時(shí)間。但持續(xù)關(guān)注和深入思考極地冰下環(huán)境探測(cè)技術(shù)，共同促進(jìn)人類對(duì)冰下極端環(huán)境生命起源和演化的理解已成為各國科學(xué)界的共識(shí)。

4 結(jié)語和建議

前蘇聯(lián)和俄羅斯鉆探團(tuán)隊(duì)通過在東方站近50年的冰層鉆探活動(dòng)，先后攻克了包含粒雪層、冰層、冰巖夾層和湖水凍結(jié)冰的復(fù)雜冰層鉆進(jìn)難題，逐漸形成了一套集熱融取芯鉆探、電動(dòng)機(jī)械取芯鉆探和分支孔鉆探等為一體的深冰芯鉆探技術(shù)，最深鉆孔達(dá)3769.3 m，累計(jì)進(jìn)尺達(dá)13000 m，并獲取了總長超46 m的含湖冰樣品的冰芯，為人類進(jìn)行深冰芯鉆探和冰下湖探測(cè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)俄羅斯東方站深冰鉆探的系統(tǒng)梳理，我們可得到如下啟示：

（1）從東方站實(shí)施的5個(gè)鉆孔來看，無論熱融鉆探或電動(dòng)機(jī)械鉆探，一旦孔底融水清除不充分或孔內(nèi)鉆井液柱壓力不足以平衡上覆冰層壓力，極易發(fā)生卡鉆事故。分支孔鉆進(jìn)是在充分利用原鉆孔基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)繼續(xù)鉆進(jìn)的良好解決辦法。我國也應(yīng)在充分借鑒其他鉆孔鉆探經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展自己的分支孔鉆進(jìn)技術(shù)和裝備，為可能出現(xiàn)的卡鉆事故做好技術(shù)儲(chǔ)備。

（2）東方站5G透底鉆孔的施工共耗時(shí)約85個(gè)月，其中前3650 m耗時(shí)67個(gè)月，而最后的186 m耗時(shí)將近總時(shí)間的21%，充分說明了近底部冰層鉆探的復(fù)雜性，針對(duì)暖冰層和冰巖夾層的鉆進(jìn)機(jī)理和方法應(yīng)進(jìn)行深入研究，以提高近底部冰層的取芯鉆進(jìn)效率。

（3）近底部大冰晶冰層鉆進(jìn)，宜采用階梯狀刀頭增大冰屑粒徑，并采用大鉆井液流量以保證鉆井液的良好循環(huán)和攜屑能力。

（4）無論熱融鉆探還是鎧裝電纜電動(dòng)機(jī)械取芯鉆探，在大深度冰蓋取芯鉆進(jìn)中都存在施工周期長的問題，普遍需要建立越冬考察站以保證后勤補(bǔ)給，極大地限制了鉆探作業(yè)范圍，因此有必要研發(fā)冰層快速取芯鉆進(jìn)技術(shù)，保證在1～2個(gè)度夏工作季即可完成施工。

（5）針對(duì)東方湖等冰下水環(huán)境的無污染探測(cè)和取樣技術(shù)仍是一大技術(shù)難題，需要在無污染鉆進(jìn)、湖水理化參數(shù)測(cè)量及湖底沉積物取樣等方面繼續(xù)開展深入研究。