中国南极昆仑站深冰芯科学钻探工程进展

我国于2012年1月在南极Dome A区域正式开展实施了南极昆仑站深冰芯科学钻探工程,截至2021年,钻孔深度已达803.54 m。该工程是我国第一个深冰芯钻探工程,也是国际上第一个在Dome A地区开展的深冰芯钻探项目。本文介绍了昆仑站深冰芯科学钻探工程实施的整体情况,对过去近10年的钻探活动以及取得的成果和经验进行了总结,以期为后续的深冰芯钻探工作提供理论和经验指导。     

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。     

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.     

人造冰和冰芯冰蠕变和方位组构发展对比

本描述了单轴压缩蠕变实验结果。试样包括ｃ轴取向为随机分布和非随机分布的冰、人造冰和取自南极洛多姆冰帽的冰芯冰，各向同性冰芯冰和人造的最小应变率存在差别，未获得合理的解释。方位组构与应力状态相容时，各赂异性冰的最小应变率高于各向同性冰的最小应变率，随着第三应谱阶段的发展，冰芯冰和人造冰的第三应变率趋近相同的恒定值，实验后冰芯冰和人造冰ｃ轴方位组构类型相同，晶粒尺寸也接近。     

南极纳拉海峡固定冰生长、结构、盐度和氧同位素组成

采用第19次中国南极科考采集的冰芯样品、数据,基于海冰的"冻结日"记录,使用海冰一维热力学模型来计算纳拉海峡固定冰的生长厚度.考虑气象条件以及冰情观测结果,将该模型的计算海冰厚度和实测厚度进行比较发现,在纳拉海峡存在着多年生长的海冰.对采集于南极洲中山站附近纳拉海峡的固定冰冰芯样品进行结构、盐度和稳定氧同位素(δ18O)分析,获取了海冰的结构和盐度剖面特征、冰芯雪冰、附加冰的含量、雪冰中的雪以及全部冰芯中雪所占的百分比.结果表明:样品冰芯具有典型的海冰特征结构,如柱状冰水平方向的C轴以及上部粒状冰层和下部柱状冰层结构特征,部分柱状冰中间存在着粒状冰夹层;盐度和δ18O剖面也显示了多年冰生长的证据.海冰的结构和氧同位素特征表明,纳拉海峡固定冰的生长主要受热力学过程控制,其结果和2000年1月至2003年2月人工冰情观测结果一致,观测中没有发现冰脊、叠置等动力过程.附加冰在冰芯中所占的比例平均为5.01%.使用不同的同位素标准来区分雪冰层,估计研究区域平均有多达16.4%～37.9%的雪冰,海冰粒状层中雪的部分约占全部冰厚度的0.8%～23.5%.     

南极纳拉海峡固定冰生长、 结构、 盐度和氧同位素组成

采用第19次中国南极科考采集的冰芯样品、 数据, 基于海冰的"冻结日"记录, 使用海冰一维热力学模型来计算纳拉海峡固定冰的生长厚度. 考虑气象条件以及冰情观测结果, 将该模型的计算海冰厚度和实测厚度进行比较发现, 在纳拉海峡存在着多年生长的海冰. 对采集于南极洲中山站附近纳拉海峡的固定冰冰芯样品进行结构、 盐度和稳定氧同位素(δ~(18)O)分析, 获取了海冰的结构和盐度剖面特征、 冰芯雪冰、 附加冰的含量、 雪冰中的雪以及全部冰芯中雪所占的百分比. 结果表明: 样品冰芯具有典型的海冰特征结构, 如柱状冰水平方向的C轴以及上部粒状冰层和下部柱状冰层结构特征, 部分柱状冰中间存在着粒状冰夹层; 盐度和δ~(18)O剖面也显示了多年冰生长的证据. 海冰的结构和氧同位素特征表明, 纳拉海峡固定冰的生长主要受热力学过程控制, 其结果和2000年1月至2003年2月人工冰情观测结果一致, 观测中没有发现冰脊、 叠置等动力过程. 附加冰在冰芯中所占的比例平均为5.01%. 使用不同的同位素标准来区分雪冰层, 估计研究区域平均有多达16.4%～37.9%的雪冰, 海冰粒状层中雪的部分约占全部冰厚度的0.8%～23.5%.     

中国南极冰川学研究10年回顾与展望

扼要回顾中国南极冰川学研究历程,当前国际南极冰川学研究背景和发展趋势,并从南极冰盖雪冰物理特征研究,冰盖气候环境记录的现代过程研究以及冰芯研究等方面总结我国南极冰川学研究取得的成果,认为８０年代后期以来,中国南极冰川研究成果显著,尤其是对南冰盖气候环境记录的现代过程研究取得了很大进展,居于国际研究的前沿地位。     

南极沿岸固定冰观测与研究述评

南极固定冰的变化能够直接反映南极的局地气候变率,因此是数值模式验证的理想载体,对固定冰的观测研究结论也能用于评估南极海冰的年际变化。现今国际上对南极固定冰的观测和研究日渐丰富和深入,并逐渐形成了由多个国家参加的联合观测网。就海冰厚度、冰芯结构、表面辐射收支等现场测量和相机、卫星等遥感观测方面,总结了目前国内外南极固定冰观测的技术手段和研究进展,并分析了不同空间尺度上的南极固定冰年际变化特征。对南极固定冰观测研究目前存在的问题和未来的发展方向进行了探讨。     

单极大型组构冰的单轴压缩试验研究

试样取自南极洛多姆（Ｌａｗ Ｄｏｍｅ）冰帽具有单极大型组构的冰芯和人造各向同性多晶冰，试验温度为－３．３℃，应力条件为０．３ＭＰａ八面体剪应力。冰芯试样的最小应变率经最小各向同性应变率约低３倍，说明此处的各向异性对应变率没有增强作用。随着第三应变阶段的发展，冰芯冰和人造冰的第三应变率趋近相同的恒定值。试验结束时，冰芯和人造冰ｃ轴方位组构类型均为小圆环，晶粒尺寸趋近向一平衡值。试验结果证明，小圆环型     

极地冰钻关键技术研究进展

极地冰钻技术是获取冰芯,研究冰盖-冰架-海洋相互作用,以及获取极地冰下基岩与冰下水环境样品,开展冰下环境探测的重要手段。目前极地冰钻技术的难点与前沿主要包括深冰芯钻探、冰架热水钻、冰下基岩钻和冰下水环境采样与观测技术。本文针对以上4个极地冰钻关键技术,对国内外相关技术的研究进展与项目开展情况进行了总结与梳理。综合来看,虽然我国开展极地钻探技术研究起步较晚,但随着我国极地战略不断推进,我国的极地冰钻关键技术与装备的研究正持续向着赶超极地钻探强国方向迈进,这必将为我国的极地科学研究提供强有力的技术支撑。     

南极洲地质构造概况及南设得兰群岛简介

中国南大洋及南极考察队于1984年11月20日从上海出发,船队于1984年12月19日到达南美洲最南端的乌斯怀亚港,12月24日横渡德雷克海峡,12月26日胜利到达南极洲的南设得兰群岛。这是我国科学工作者首次远涉重洋,从太平洋的西北岸,航行20 000公里,     

IODP 338、343航次开始召集船上科学家

由日本深部地球探测中心(CDEX)负责实施的IODP338、343航次目前开始召集船上科学家。IODP 338航次是NanTroSEIZE计划第三阶段的第一个航次,预计于2012年9月至2013年1月在菲律宾海执行。该航次的主要目标是对IODP 314航次钻探的C0002孔进行立管钻探,本次预计钻探的深度为海底以下3 600 m,该孔的最终钻探目标为海底以下7 000 m,到达板块边界断层。由于钻探时间较长,船上科学家将分组参加航次,每组工作时间约为8周。     

2013年探矿工程十大新闻

一、“中国岩金勘查第一深钻”顺利终孔,终孔孔深4006.17 m,创多项全国钻探新纪录 “中国岩金勘查第一深钻”山东莱州三山岛西岭金矿区ZK96-5孔终孔,终孔深度4006.17 m,终孔口径75 mm。该孔由山东黄金集团地勘公司设计,山东省地矿局第三地质矿产勘查院负责施工,设计孔深4000 m,于2010年9月18日开钻,2013年5月29日终止钻进,历时985天。     

第四届国际冰钻技术研讨会在日本东京举行

继在美国那不拉斯加大学(1974年),加拿大卡鲁加林大学(1982年)和法国格林诺布尔环境冰川学地球物理学研究所(1988年)召开的第一、二、三届国际冰钻技术讨论会后,由日本极地所和日本雪冰学会共同发起组织的第四届国际冰钻技术研讨会于1993年4月20—23日本东京举行。这次会议是在1992年夏季格陵兰冰盖中心完成3029m透底深钻,创造了国际冰芯钻探史的新记录,日本国确     

雪冰中的黑碳记录研究的历史回顾

黑碳(Blackcarbon)是一类大气气溶胶,也是重要的气候驱动因子之一,它与人类活动密切相关.迄今发现,雪冰是保存和记录历史时期黑碳变化的最好介质.根据前人对南极冰芯、格陵兰冰芯、中低纬度山地冰川冰芯以及雪坑样品中的黑碳记录的研究成果,讨论了不同研究地区雪冰中黑碳含量的变化,黑碳对气候环境突变、大气环流变化的响应,总结了人类活动与雪冰黑碳记录之间的关系.雪冰黑碳记录还可以获得如森林大火这样的特殊事件的信息.     

极地冰芯电学性质及导电测量技术研究进展

冰芯是全球气候变化研究的重要对象,通过物理和化学手段可提取其中的古气候信息。作为物理分析技术之一,冰芯导电测量技术可分为ECM和DEP 2类,已运用到多个冰芯项目中。其主要反映了冰芯电学性质受温度、压力、杂质等因素影响而产生的变化,而导致这些变化的原因可从宏观和微观方面进行解释和探究。冰芯导电测量获得的结果可应用于定年、火山事件、积累率、生物质燃烧、离子浓度恢复等多领域研究,对帮助系统认识第四纪晚更新世以来的南极气候演变过程具有重要意义。通过详细总结极地冰芯导电性质及测量技术的主要研究成果,探讨了该技术在中国Dome A深冰芯项目中的应用前景。     

基于浅层探冰雷达的东南极内陆地区冰盖内部等时层提取

中国第32次南极考察内陆队首次使用雪地车载浅层探冰雷达取得了中山站至昆仑站全程1 300 km 的浅层冰盖数据,通过MATLAB对数据进行FFT转换、背景滤波、改变叠加次数去噪和基于曲波变换的图像处理,使用Reflexw对MATLAB处理后数据进行地形校正、二次背景滤波和平滑滤波等处理,成功提取了冰盖浅层等时层并得出了等时层的平均深度、最大深度和波动情况。最后进行了数据的连接,展示了LGB69冰芯处等时层的分布并与冰芯数据结合大体对应了相应等时层的年代和事件。给出了Dome A附近的等时层分布情况。为东南极中山站至昆仑站沿途的物质积累率计算提供重要的数据支撑。     

我国中低纬度末次冰消期气候转暖 与高纬度气候变化的关系*

末次冰消期转暖的过程和机制一直是古气候研究的热点,然而对于末次冰消期全球气候在时间、空间上的变化以及热带低纬度地区在其中发挥的作用仍不明确。文章根据我国中低纬度地区的湖光岩玛珥湖、渭南黄土剖面和东海DGKS9603孔沉积物中的植硅体等环境指标的分析,研究了末次冰消期在这些地区的变化特点,并结合古里雅冰芯和南京葫芦洞石笋氧同位素记录与南极BYRD冰芯、北极格陵兰GRIP冰芯氧同位素记录进行了对比。结果表明,各地区转暖的时间并不同步,明显受印度洋季风或东南季风影响的古里雅、湖光岩地区是气候转暖较早的地区,格陵兰地区的快速转暖滞后于我国中低纬度转暖1.5~2.0ka以上。如何理解高纬度和热带低纬度地区气候转暖的差异性问题及其原因和机制有待于更多高分辨率气候记录研究和模型的检验。     

北极生长的多年海冰晶体结构分析

对中国首次北极科学考察钻取的一根从表面到底面长2.2m的海冰冰芯样，依据冰芯样采取时造成的长度，不等间距地自上而下垂直切片，剖析了冰芯样的晶体结构，获得以纯热力学生长为主的多年海冰正交偏光镜下晶体结构剖面，由晶体结构剖面确定出该海冰为三年冰，此外，还发现北极海冰越夏过程中生成一种动力碎屑凝聚冰，除给出偏光镜下晶体结构和冰芯层理分析外，还描述了动力碎屑凝聚冰的结构特点。     

南极地区晚第四纪环境及其与全球变化的关系

南极无冰区和冰芯的记录均表明,晚更新世以来南极地区的环境和气候变化是与全球变化一致的。在最近几十年,大气CO₂含量增加已引起南极地区气温升高,冰盖前缘缓慢消退。温室效应将促使南极冰盖（首先是陆缘冰）部分融化,但不可能崩溃。在今后50年内,南极冰盖部分消融引起的海面上升幅度将不超过2m。