4 000 m DISC深冰芯钻机概述

深冰芯钻探(Deep Ice Sheet Coring, DISC)钻机是美国冰芯钻探服务中心(ICDS)开发研制的一款机电钻机, 设计取芯直径122 mm, 钻取深度4 000 m.该系统由两部分组成,包括机械钻进系统和地面支撑系统. 其中, 机械钻进系统由钻机、 电缆、 钻塔和绞车四部分组成, 钻机是该系统的钻探部分, 由6个不同部件(刀盘、 芯管、 筛管、 电机/水泵、 钻机控制板和顶端)组成; 地面支撑系统包括电源、 控制系统、 冰芯处理系统、 钻井液处理系统、 筛管清洗系统、 辅助设备以及安全设备设施. 2006年夏季ICDS在格陵兰Summit营地对该套钻机系统进行了成功试验, 2011年12月31日在西南极冰原(WAIS Divide)成功获取3 405 m深度的冰芯.实践证明, 该套钻机能够满足目前钻探项目的科学需求. 但是, 在西南极冰原主冰孔不同深度钻取同深度副冰孔冰芯的过程中, 钻刀无法在主冰孔壁上侧向钻取新的冰芯孔, 未能如期获取复制的冰芯样品.     

我国轻型高山冰芯机械钻机的发展和应用

通过冰芯研究可重建过去的气候环境变化, 为深刻理解现在和预测未来气候环境变化提供重要的科学依据. 冰芯机械钻机作为获取冰芯样品的必备工具之一, 在我国高山冰川冰芯获取中发挥了重要作用. 主要介绍我国自行研制的以山地冰川为主的冰芯机械钻机的发展过程和应用, 存在的问题和对未来的展望. 我国自行研制的BZXJ钻机性能优异, 是世界上同类钻机中的佼佼者, 截至2012年底已经钻取的冰芯总支数和总长度分别为125支和8 095 m, 为我国开展冰芯研究做出了重要贡献.     

冰芯与寒区环境开放研究实验室的回顾与展望

对国际和国内冰芯研究的历史与现状,以及冰芯与寒区环境开放研究实验室的硬件（基础建设和仪器设备）和软件（科研力量）方面进行了简介,目前冰芯与寒区环境开研究实验室的三大研究领域：为（１）冰川与大气相互作用过程研究;２）冰芯记录研究;３）雪冰物理学研究,实验室已完成和正承担的课题有３２项,发表论文３００多篇,专著９部,有４项成果获奖,并同国际多家高水平的研究机构合作关系,实验室今后发展目标是,在寒区气候     

NEEM计划2537.36m透底深冰芯的钻取与成果概述

NEEM(格陵兰北部Eemian冰芯钻取)计划是目前最重要的国际冰芯研究计划,来自14个国家超过300名的科学家参与,目标是获得130～115ka BP甚至更古老的Eemian间冰期的透底冰芯和气候信息;此冰芯长达2 537.36m,最后2m冰芯含有数十万年的基岩和其他物质.介绍了NEEM计划深冰芯的钻取背景和NEEM计划概况,以及NEEM计划获取的成果,并详述我国科学家在2010年度深冰芯钻取过程中取得的认识.     

介绍牡78-2型机动冰钻测验设备

为实现冰期水文测验机械化,我们研制和设计了牡78-2型机动冰钻及其附属测验设备。经黑龙江省水文总站鉴定认为,这种机动冰钻具有体积小,重量轻,结构合理,性能良好,速度快,钻孔效果好,操作简便等特点。并能满足冰期水文测验的技术和安全要求。准予批量生产,推广使用。我们于1979年8月委托牡丹江水文机械厂批量生产。在生产过程中,对钻机的细部构件又进行了一些改进,第一批生产的钻机已交付有关水文测站和单位试用。现将这种钻机的用途与性能,构造及工作原理,使用要求以及附属测验设备分别介绍如下。     

青藏高原唐古拉哈日钦冰芯表层和深层可培养细菌特征

对唐古拉哈日钦冰芯表层0.04~3.04 m及深层127.44~130.36 m中可培养细菌进行了对比研究。发现表层和深层可培养细菌数没有表现出显著差异性,表层冰芯中可培养细菌数为0~9.8×10³ CFU·mL^-1,略高于深层冰芯的0~8.4×10³ CFU·mL^-1。表层冰芯中微生物总数为10³~10⁶ cells·mL^-1,深层冰芯中微生物总数为10²~10³ cells·mL^-1。冰芯中可培养细菌属于Firmicutes（厚壁菌门）、Proteobacteria（变形菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）和Deinococcus-Thermus（异常球菌门） 5大类。但表层和深层可培养细菌属于不同的优势门,表层为Proteobacteria（38%）,深层为Firmicutes（42%）。表层和深层优势属均为Bacillus（芽孢杆菌属）,占比分别为18%和29%。已有研究表明哈日钦冰芯98.8 m达到了公元1000年的历史记录,因此对比千年尺度上可培养细菌数量及多样性的差异,能够为进一步发掘新基因,丰富微生物多样性,为了解可培养细菌的进化历史奠定基础。     

南极东方站深冰层及冰下湖钻探技术

自1970年至今,前苏联和俄罗斯在南极东方站持续进行了近50年的冰层钻探活动,先后攻克了包含粒雪层、冰层、冰岩夹层和湖水冻结冰的复杂冰层钻进难题,逐渐形成了一套集热融取芯钻探、电动机械取芯钻探和分支孔钻探等为一体的深冰芯钻探技术。创造了冰层最深干孔钻进深度记录（952.4 m）、最深热融取芯钻进记录（2755 m）、最深冰芯钻探记录（3769.3 m）,累计进尺达13000 m,并获取了总长超46 m的含湖水冻结冰样品的冰芯。东方站的钻探活动对极地冰层钻探技术的发展起到了巨大的推动和引领作用,同时积累了宝贵的深冰钻探经验。通过对东方站深冰钻探技术的系统梳理,将为我国正在实施的深冰芯钻探和即将开启的冰下湖科学钻探提供重要的借鉴。     

乌鲁木齐河源1号冰川冰芯剖面物理特征及其形成机理研究

冰芯中的化学成分,记录了古环境和古气候的诸多信息,已有广泛研究.而冰芯剖面的物理特征,由冰芯形成时的水热条件和冰川运动变质作用所决定,同样记录了气候、环境和冰川运动的诸多信息.根据在乌鲁木齐河源1号冰川钻取的6根冰芯的详尽资料,结合冰流模式对冰芯冰龄的估算,分析研究了不同冰川带冰芯剖面的物理特征、形成机理和相应的水热条件.结果表明:积累区冰芯以粒雪一冰交替的原生沉积层为主,受冰川流动引起的动力变质作用影响较小,与该区成冰环境和冰川温度密切相关;平衡线附近的冰芯4.3 m以上主要是由渗浸冻结冰组成的原生沉积层,与附近的成冰环境相吻合,以下部分主要是经过动力变质作用的冰体,源于冰川上部的积累物;消融区冰芯主要由冰川上部下流的冰川冰组成,模拟显示该区冰芯冰龄较长,受局部成冰环境的影响很小.通过对不同区域冰芯特征比较,发现各成冰带的冰芯组成及污化层差别较大;在东、西支冰川同时期冰芯剖面的对比中,发现海拔相近点冰芯剖面组构相近,说明通过冰芯资料来探讨冰川内部特征以及该区域气候环境演变历史等较具代表性.     

古里雅冰芯氧同位素地层学

在冰芯研究中,氧同位素比率不仅是气温的一种代用指标,而且其变化又是冰芯年层划分的依据之一。本文着重阐述了青藏高原古里雅３０９ｍ冰芯中δ^１８Ｏ记录研究的一些结果。对于该冰芯上部１２０ｍ,根据δ^１８Ｏ等的季节变化特征可划分出２０００多个年层,这是该冰芯高分辨率气候环境记录恢复的基础。借助于放射性物质（３６ＣＩ）测年等手段,建立了该冰芯下部的时间标尺。据此恢复了０．１２５Ｍａ以来古里雅冰芯中１８Ｏ记录,将其与深海沉积中的氧同位素变化相比较,可划分出阶段 １,２,３,４和５,其中阶段５又可划分出 ５个业阶段,即ａ,ｂ,ｃ,ｄ和ｅ亚阶段。古里雅冰芯１８Ｏ记录的一个突出特征就是其升高和降低的幅度都很大,这反映了青藏高原对于气候变化的响应是极为敏感的。５ｅ时古里雅冰芯中δ^１８Ｏ所记录的升温幅度达５℃,高于全球平均升温值２～３℃。     

青藏高原冰芯稳定氧同位素记录的温度代用性研究

以青藏高原为主体的第三极地区是中、低纬度最大的冰川作用区.冰芯记录可为该地区过去气候环境变化研究提供重要的信息.但在青藏高原地区尤其是高原南部印度季风影响区,其冰芯稳定同位素记录的解释还存在着不确定性.本文整合青藏高原不同空间位置上的10支冰芯δ18O记录,以研究其空间集成的序列与区域温度的关系,来论证青藏高原冰芯稳定同位素指标的温度代用性.将青藏高原北部和南部各5支冰芯及整个青藏高原面上的这10支冰芯δ18O记录经Z-score标准化处理后,与相应区域的器测气温标准化序列进行统计分析.结果发现,无论是高原北部、高原南部还是整个高原面上,冰芯δ18O与气温的标准化序列均存在显著的相关关系.在此统计分析基础上,将冰芯δ18O标准化序列延伸至1900年,从而重建了20世纪青藏高原地区气温变化,该气温序列与北半球气温变化具有较好的相似性.如上分析表明,青藏高原冰芯δ18O记录是区域气温变化的良好代用指标,多支冰芯δ18O记录的综合集成能更好地揭示过去气候变化特征.     

冰层空气反循环连续取芯钻具：结构设计与冰芯卡断数值模拟

冰心包含大量的古气候资料和古生物学信息,这些信息对于从远古到现代的气候变化和生物进化都很重要。如何高效快速地获取无污染的冰心是极地科学家的一个重要课题。冰层空气反循环钻具采用双壁钻杆形成反循环通道,内管提供了从钻头底部到表面的冰屑和冰心的连续通道。钻具通过卡断机构卡断冰心,通过反循环通道不断运移冰心,从而实现连续钻具连续取心。本文采用ABAQUS软件对冰心卡断过程进行分析,运用XFEM断裂准则以及Explicit显式方法求解,选出适宜的卡断器尺寸和中心通道尺寸,从而得到更好的反循环钻进效果。     

Research Progress on Electrical Properties and Conductivity Measurement Technology of Ice Core

Ice core is an important object of the global climate change research, and can extract paleoclimate information by physical and chemical methods. As one of the major physical analysis technology, conductivity measurement technology mainly contains two methods and has been applied to many drilling project. The technology reflects the ice core electrical properties influenced by factors such as temperature, pressure, impurities and changes, and the cause of these changes can be explained from the aspects of macroscopic and microscopic. What obtained from measurement can be used to the research of dating, volcanic events, accumulation rate, biomass burning, ion concentration recovery, which systematically help us to understand the quaternary evolution of Antarctic climate since late pleistocene. This paper summarized in detail the main research achievements on electrical properties and dielectric measurement technology of ice core, and also discussed the prospect of the technology in China deep ice core project further.     

KT178型取心钻具在共和干热岩钻井中的应用

共和干热岩资源富集于花岗岩地层,硬度高,研磨性强,部分层段裂隙发育,取心困难。针对干热岩地层和取心需求特点,研制一套KT178取心钻具,并配套设计了孕镶金刚石取心钻头。该钻具为单动双管取心钻具,可配套井底动力钻具使用,设计中注重对钻具外管、卡簧等关键部件的强度校核。在GH-01井和GH-02井中,经过两轮实验和优化,钻具逐渐成熟,获取了较完整的岩心样本,满足干热岩勘探取心要求,具备了向页岩气、水资源勘察等具有间断取心需求的同类工程推广应用的条件。     

南极冰下基岩热水驱动快速取心钻具研究

南极大陆冰下基岩岩心对研究南极大陆地质构造及成因具有重要意义,目前尚没有任何一个国家在南极内陆成功钻取冰下基岩样品,研制可快速钻至冰岩界面并完成基岩采样的钻进设备迫在眉睫。针对极地冰下基岩取样技术难题,提出了一种可结合热水钻系统使用的采用热水驱动的冰下基岩取心钻具概念设计。该钻具系统采用常规热水钻完成南极大陆上覆冰层钻进,然后更换热水取心钻具穿过已有钻孔快速到达冰岩界面,完成冰下沉积物和基岩取心钻进,大大缩短基岩取心时间,提高钻进效率。结合中国自主研发的热水钻系统参数,对螺杆马达压力损失和输出扭矩进行理论计算,提出了螺杆马达选择依据。该技术有望在未来极地冰下基岩取心钻进中发挥重要作用。     

Analysis of a core through the Meighen Ice Cap,Arctic Canada,and its paleoclimatic implications

Analyses of crystal size, bubble content, oxygen isotope ratio, specific electrolytic conductivity, and the distribution of firn and dirt layers in a core, 121.2 m long, from surface to bedrock near the highest point of the Meighen Ice Cap, leads to the following outline of the ice cap's history. The ice cap, which has always been stagnant, originated in the cold period that followed the postglacial Climatic Optimum. After initial growth came a period of negative mass balance in which the area and thickness of the ice cap diminished and the surface slope at the core site steepened. The end of this period, at least 600 y.a., is marked by a discontinuity at 54 m depth in the core; above this level, the values of most parameters differ significantly from their values below. There followed a period of growth by the end of which, some 80 y.a., the ice cap had attained its maximum thickness; this period included the coldest interval in the ice cap's history. Ablation has predominated since then and up to 13 m of ice have been lost at the core site. This history resembles that of the Ward Hunt Ice Shelf.     

A simple holistic hypothesis for the self-destruction of ice sheets

Ice sheets are the only components of Earth’s climate system that can self-destruct. This paper presents the quantitative force balance for bottom-up modeling of ice sheets, as first presented qualitatively in this journal as a way to quantify ice-bed uncoupling leading to self-destruction of ice sheets (Hughes, 2009a). Rapid changes in sea level and climate can result if a large ice-sheet self-destructs quickly, as did the former Laurentide Ice Sheet of North America between 8100 and 7900 BP, thereby terminating the last cycle of Quaternary glaciation. Ice streams discharge up to 90 percent of ice from past and present ice sheets. A hypothesis is presented in which self-destruction of an ice sheet begins when ubiquitous ice-bed decoupling, quantified as a floating fraction of ice, proceeds along ice streams. This causes ice streams to surge and reduce thickness by some 90 percent, and height above sea level by up to 99 percent for floating ice, so the ice sheet undergoes gravitational collapse. Ice collapsing over marine embayments becomes floating ice shelves that may then disintegrate rapidly. This floods the world ocean with icebergs that reduce the ocean-to-atmosphere heat exchange, thereby triggering climate change. Calving bays migrate up low stagnating ice streams and carve out the accumulation zone of the collapsed ice sheet, which prevents its recovery, decreases Earth’s albedo, and terminates the glaciation cycle. This sequence of events may coincide with a proposed life cycle of ice streams that drain the ice sheet. A first-order treatment of these life cycles is presented that depends on the longitudinal force balance along the flowbands of ice streams and gives a first approximation to ice-bed uncoupling at snapshots during gravitational collapse into ice shelves that disintegrate, thereby removing the ice sheet. The stability of the Antarctic Ice Sheet is assessed using this bottom-up approach.     

敦德冰岩芯古气候环境记录的初步研究

中美合作首次研究了中国西部祁连山敦德冰帽的冰岩芯。研究说明该冰帽的冰岩芯对研究古气候及环境变化具有很好的代表性,能够反映中国西部乃至北半球的气候、环境变化的过程和量级。δ¹⁸O、冰晶尺寸的高值及微粒含量的低值与高温期对应,δ¹⁸O、冰晶尺寸的低值及微粒含量的高值与低温期相对应。冰岩芯上部所记录的本世纪以来的气候变化与其它气候记录所反映的情况一致。冰岩芯的下部（125m以下）反映了最后一次冰期的气候及环境。根据冰晶粒径增长速度计算,该冰川从末次冰期到全新世高温期的气温差值是7℃。