《探南極》系列訪談第四期丨鑽穿南極冰蓋“觸摸”冰下基岩有多難?-新華網
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2024 05/27 12:10:06
來源:新華網

《探南極》系列訪談第四期丨鑽穿南極冰蓋“觸摸”冰下基岩有多難?

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 2024年是中國極地考察40周年。40年來,在黨的領導下,我國極地事業從無到有、由弱到強,一代代極地工作者勇鬥極寒、堅忍不拔、拼搏奉獻、嚴謹求實、辛勤工作,取得了豐碩成果。位於地球最南端、神秘遙遠的“冰雪大陸”南極洲是進行科學研究的“聖殿”,一批又一批中國科考健兒奔赴南極,他們到南極探索什麼科學奧秘?他們如何進行科學探索?取得哪些科研成果?南極還有哪些未解之謎?新華訪談聯合新華社上海分社“上天入海”工作室,圍繞南極的氣候變化、冰蓋穩定性、海冰融化、天文發展、動物狀況等領域推出系列訪談“探南極”。

  南極洲99%以上的面積都被冰雪所覆蓋,冰蓋下面是怎樣一個神秘的世界?科學家正通過鑽探手段,鑽穿南極冰蓋獲取冰下基岩樣品,進行科學研究。到目前為止,在南極僅成功鑽取了6支冰下基岩樣品。其中,我國南極考察隊員成功鑽取了2支。

  本期“探南極”系列專訪吉林大學極地科學與工程研究院院長、俄羅斯礦業科學院院士帕維爾·達拉拉伊(Pavel Talalay)教授,六次赴南極考察的吉林大學極地科學與工程研究院副院長張楠教授。

  

 南極是研究岡瓦納古大陸的理想之地。 新華社記者 張建松 攝

  新華網:科學家為什麼要鑽穿南極冰蓋獲取冰下基岩?

  帕維爾·達拉拉伊:研究表明,南極洲由岡瓦納古大陸分離解體、逐漸向南飄移形成。南極冰蓋是地球上最大的淡水庫。南極的冰下環境,是我們了解南極冰蓋形成、評估未來可能發生的氣候變化和海平面上升的核心科學問題。

  從地質學角度講,南極的冰下環境是世界上探索最少的區域。儘管遙感及地球物理觀測提供了有關磁場和地殼結構的寶貴數據,但只有基岩樣品才能驗證地質模型。到目前為止,科學家在南極僅成功鑽取了6支冰下基岩樣品。而且,尚未在南極洲內陸獲得基岩的岩心。

  因此,人類對南極洲詳細的地質構造還很不清楚。想要獲取南極冰下地質信息,尋找地球岡瓦納古大陸的證據,需要直接獲取南極冰下基岩樣品,並進行科學的分析。另外,鑽取冰下基岩可以直接獲得冰下環境的直接數據,為冰川動力學研究和冰蓋底部可能存在古老生命形式的探索提供條件。

 我國自主研製的鑽探設備。(孫宇宸 攝)

  新華網:近年來,我國在南極考察中取得了哪些鑽探成果?

  張楠:在中國第35次南極考察中,吉林大學極地科學與工程研究團隊用自主研發的極地鑽探裝備,成功鑽穿近200米厚的南極冰蓋,獲取了連續的冰芯樣品和冰下岩心樣品。

  在中國第40次南極考察中,吉林大學、中國地質大學(北京)以及俄羅斯海洋與地質礦産資源科學研究所成員組成的聯合科研團隊,成功鑽穿了545米厚的冰層及冰岩夾層,獲取連續冰芯樣品,並成功鑽取了0.48米寶貴而獨特的基岩樣本。

  

 在中國第40次南極考察中,聯合考察團隊與成功鑽的取冰芯合影。(孫宇宸 攝)

 新華網:我國自主研發的鑽探設備有何特點?

  張楠:我國自主研發的極地深冰下基岩無鑽桿取芯鑽探裝備,包括多功能無鑽桿式孔底驅動機械鑽具系統、快速升降鑽具系統、鑽探狀態實時檢測控制系統、超低溫孔內參數測量系統、移動式工作艙系統及鑽進輔助設備。突破了可移動式集成化工作艙、模塊化鎧裝電纜式電動機械鑽具、冰岩夾層鑽進用高效PDC鑽頭、小鑽壓低扭矩金剛石鑽頭及超低溫測井儀等極地鑽探關鍵技術,標誌著我國自主研發的極地冰蓋及冰下基岩取芯鑽探裝備及研發能力,達到國際先進水平。

 被南極冰雪掩埋的鑽探營地,(張楠 攝)

  新華網:考察隊員在南極鑽探的現場作業中,遇到了哪些困難,是如何克服的?

  張楠:由於南極冰蓋未知的冰層結構及冰下環境,需要採用多種工藝進行鑽進;南極冰蓋惡劣的自然條件使得鑽進過程比較複雜,需特殊設計相應的防護措施和事故處理措施。此外,南極冰的溫度、密度、強度、脆性、硬度等,都不同於普通的岩石或礦物,冰層鑽探還面臨著一些工程和技術方面的挑戰。

  我們到南極進行現場鑽探,首先需要將龐大的鑽探設備系統運抵南極,並抵達目標鑽探地點,這並不是一件容易的事。在鑽探過程中,還需要供電、供暖、保障考察隊員日常生活,這些都需要強大的後勤支撐和保障,南極考察是國家綜合實力的象徵。

  其次,在南極鑽探現場需要克服極端低溫和暴風雪帶來的影響。雖然我們在鑽探設備設計中,已經充分考慮到低溫對工程材料拉伸韌性、液壓裝置、密封材料的彈性和脆性等影響,但現場實施鑽探,還會對考察隊員的意志和耐力帶來極大的考驗。

  南極被稱為“暴風雪的故鄉”,頻繁的暴風雪給我們工作造成了許多困難,鑽探設備和營地常常被積雪覆蓋和掩埋,僅清除這些積雪就非常耗時耗力。

  南極暴風雪中的鑽探作業。(張楠 攝)

  新華網:我國鑽探設備今後在南極還有哪些科學應用?

  帕維爾·達拉拉伊:在東南極冰蓋下,有一座名叫“甘布爾採夫”的冰下山脈,是形成于岡瓦納古大陸運動期間的古老山脈,不僅是研究岡瓦納古大陸地質運動最關鍵“鑰匙”,也是研究南極、澳洲、南美洲形成的“鑰匙”。

  中國科學家曾通過冰雷達研究手段,發現甘布爾採夫山脈最高山峰海拔有2434米。在地球漫長的氣候演化歷史進程中,甘布爾採夫山脈被厚厚的冰層保護起來,沒有受到風化侵蝕作用的影響,完好地保存著不同地質年代、由於不同外力作用而形成的“高山縱谷交錯”的神奇地貌。由於甘布爾採夫冰下山脈的最高峰距離冰面只有1000米左右的距離,甚至更近,因此成為南極內陸冰蓋中直接獲取地質樣品的理想地點。

  未來,我們計劃針對東南極甘布爾採夫冰下山脈進行冰層及冰下基岩取心鑽探。如果能直接“觸摸”到甘布爾採夫山脈的“肌體”,鑽取地質樣品,就無異於找到了研究岡瓦納古大陸地質運動最關鍵的鑰匙,從而找到研究南極、澳洲和南美洲形成的鑰匙。此外,那裏還是東南極冰蓋形成區域之一,在鑽探過程中還有望獲得南極最古老的冰芯。

  專家介紹:

  

 帕維爾·達拉拉伊(Pavel Talalay):俄羅斯礦業科學院院士;吉林大學極地科學與工程研究院院長,建設工程學院教授、博士生導師;吉林大學國家“海外高層次人才引進計劃”創新人才長期項目入選者,中國政府友誼獎獲得者。

  張楠:中國第28、29、31、33、35、40次南極科學考察隊隊員,吉林大學極地科學與工程研究院副院長;建設工程學院教授、博士生導師。

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