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钻穿南极冰盖“触摸”冰下基岩有多难?
发表时间:2024-05-31    来源:新华网字体[大] [中] [小] [打印]  [关闭]

 2024年是中国极地考察40周年。40年来,在党的领导下,我国极地事业从无到有、由弱到强,一代代极地工作者勇斗极寒、坚忍不拔、拼搏奉献、严谨求实、辛勤工作,取得了丰硕成果。位于地球最南端、神秘遥远的“冰雪大陆”南极洲是进行科学研究的“圣殿”,一批又一批中国科考健儿奔赴南极,他们到南极探索什么科学奥秘?他们如何进行科学探索?取得哪些科研成果?南极还有哪些未解之谜?新华访谈联合新华社上海分社“上天入海”工作室,围绕南极的气候变化、冰盖稳定性、海冰融化、天文发展、动物状况等领域推出系列访谈“探南极”。 

  南极洲99%以上的面积都被冰雪所覆盖,冰盖下面是怎样一个神秘的世界?科学家正通过钻探手段,钻穿南极冰盖获取冰下基岩样品,进行科学研究。到目前为止,在南极仅成功钻取了6支冰下基岩样品。其中,我国南极考察队员成功钻取了2支。 

  本期“探南极”系列专访吉林大学极地科学与工程研究院院长、俄罗斯矿业科学院院士帕维尔·达拉拉伊(Pavel Talalay)教授,六次赴南极考察的吉林大学极地科学与工程研究院副院长张楠教授。 

   

 南极是研究冈瓦纳古大陆的理想之地。 新华社记者 张建松 摄 

  新华网:科学家为什么要钻穿南极冰盖获取冰下基岩? 

  帕维尔·达拉拉伊:研究表明,南极洲由冈瓦纳古大陆分离解体、逐渐向南飘移形成。南极冰盖是地球上最大的淡水库。南极的冰下环境,是我们了解南极冰盖形成、评估未来可能发生的气候变化和海平面上升的核心科学问题。

  从地质学角度讲,南极的冰下环境是世界上探索最少的区域。尽管遥感及地球物理观测提供了有关磁场和地壳结构的宝贵数据,但只有基岩样品才能验证地质模型。到目前为止,科学家在南极仅成功钻取了6支冰下基岩样品。而且,尚未在南极洲内陆获得基岩的岩心。

  因此,人类对南极洲详细的地质构造还很不清楚。想要获取南极冰下地质信息,寻找地球冈瓦纳古大陆的证据,需要直接获取南极冰下基岩样品,并进行科学的分析。另外,钻取冰下基岩可以直接获得冰下环境的直接数据,为冰川动力学研究和冰盖底部可能存在古老生命形式的探索提供条件。

 

 我国自主研制的钻探设备。(孙宇宸 摄) 

  新华网:近年来,我国在南极考察中取得了哪些钻探成果? 

  张楠:在中国第35次南极考察中,吉林大学极地科学与工程研究团队用自主研发的极地钻探装备,成功钻穿近200米厚的南极冰盖,获取了连续的冰芯样品和冰下岩心样品。

  在中国第40次南极考察中,吉林大学、中国地质大学(北京)以及俄罗斯海洋与地质矿产资源科学研究所成员组成的联合科研团队,成功钻穿了545米厚的冰层及冰岩夹层,获取连续冰芯样品,并成功钻取了0.48米宝贵而独特的基岩样本。

   

 在中国第40次南极考察中,联合考察团队与成功钻的取冰芯合影。(孙宇宸 摄) 

 新华网:我国自主研发的钻探设备有何特点? 

  张楠:我国自主研发的极地深冰下基岩无钻杆取芯钻探装备,包括多功能无钻杆式孔底驱动机械钻具系统、快速升降钻具系统、钻探状态实时检测控制系统、超低温孔内参数测量系统、移动式工作舱系统及钻进辅助设备。突破了可移动式集成化工作舱、模块化铠装电缆式电动机械钻具、冰岩夹层钻进用高效PDC钻头、小钻压低扭矩金刚石钻头及超低温测井仪等极地钻探关键技术,标志着我国自主研发的极地冰盖及冰下基岩取芯钻探装备及研发能力,达到国际先进水平。

 

 被南极冰雪掩埋的钻探营地,(张楠 摄) 

  新华网:考察队员在南极钻探的现场作业中,遇到了哪些困难,是如何克服的? 

  张楠:由于南极冰盖未知的冰层结构及冰下环境,需要采用多种工艺进行钻进;南极冰盖恶劣的自然条件使得钻进过程比较复杂,需特殊设计相应的防护措施和事故处理措施。此外,南极冰的温度、密度、强度、脆性、硬度等,都不同于普通的岩石或矿物,冰层钻探还面临着一些工程和技术方面的挑战。

  我们到南极进行现场钻探,首先需要将庞大的钻探设备系统运抵南极,并抵达目标钻探地点,这并不是一件容易的事。在钻探过程中,还需要供电、供暖、保障考察队员日常生活,这些都需要强大的后勤支撑和保障,南极考察是国家综合实力的象征。

  其次,在南极钻探现场需要克服极端低温和暴风雪带来的影响。虽然我们在钻探设备设计中,已经充分考虑到低温对工程材料拉伸韧性、液压装置、密封材料的弹性和脆性等影响,但现场实施钻探,还会对考察队员的意志和耐力带来极大的考验。

  南极被称为“暴风雪的故乡”,频繁的暴风雪给我们工作造成了许多困难,钻探设备和营地常常被积雪覆盖和掩埋,仅清除这些积雪就非常耗时耗力。

 

  南极暴风雪中的钻探作业。(张楠 摄) 

  新华网:我国钻探设备今后在南极还有哪些科学应用? 

  帕维尔·达拉拉伊:在东南极冰盖下,有一座名叫“甘布尔采夫”的冰下山脉,是形成于冈瓦纳古大陆运动期间的古老山脉,不仅是研究冈瓦纳古大陆地质运动最关键“钥匙”,也是研究南极、澳洲、南美洲形成的“钥匙”。

  中国科学家曾通过冰雷达研究手段,发现甘布尔采夫山脉最高山峰海拔有2434米。在地球漫长的气候演化历史进程中,甘布尔采夫山脉被厚厚的冰层保护起来,没有受到风化侵蚀作用的影响,完好地保存着不同地质年代、由于不同外力作用而形成的“高山纵谷交错”的神奇地貌。由于甘布尔采夫冰下山脉的最高峰距离冰面只有1000米左右的距离,甚至更近,因此成为南极内陆冰盖中直接获取地质样品的理想地点。

  未来,我们计划针对东南极甘布尔采夫冰下山脉进行冰层及冰下基岩取心钻探。如果能直接“触摸”到甘布尔采夫山脉的“肌体”,钻取地质样品,就无异于找到了研究冈瓦纳古大陆地质运动最关键的钥匙,从而找到研究南极、澳洲和南美洲形成的钥匙。此外,那里还是东南极冰盖形成区域之一,在钻探过程中还有望获得南极最古老的冰芯。

  专家介绍: 

   

 帕维尔·达拉拉伊(Pavel Talalay):俄罗斯矿业科学院院士;吉林大学极地科学与工程研究院院长,建设工程学院教授、博士生导师;吉林大学国家“海外高层次人才引进计划”创新人才长期项目入选者,中国政府友谊奖获得者。 

 

  张楠:中国第28、29、31、33、35、40次南极科学考察队队员,吉林大学极地科学与工程研究院副院长;建设工程学院教授、博士生导师。 

网站编辑:单良晨
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