我国提出破解南极科考钻探污染难题方案
4月8日,执行中国第40次南极考察任务的极地科考破冰船"雪龙2"号抵达香港,展开为期五天的访问行程。
"此次南极科考期间,我国已成功完成进出麒麟冰下湖的实地探路,初步选定进出路线,并开展了多项冰下湖钻探选址调查工作。"中国地质大学(北京)校长、中国第40次南极科学考察队队员、中国工程院院士孙友宏4月9日告诉科技日报记者,麒麟冰下湖钻探设备测试和正式钻探作业将在2025—2027年的南极工作季展开,计划采用热水钻与热融探测器联合作业的方式,以实现清洁钻探目标。
麒麟冰下湖隐藏在东南极内陆冰盖伊丽莎白公主地区域,因形似"麒麟静卧"而得名。作为迄今发现的南极洲第二大埋深湖,其上覆冰盖厚度约3600米,已与外界隔绝至少300万年,面积达370平方千米,最大水深200米,沉积物最大厚度超过300米。
冰下湖在极地环境中独特且重要。截至2022年,全球已发现的冰下湖总数达到773个,其中675个位于南极洲。这些湖泊或是被封存的远古水体,或是现代冰层基底融水,蕴藏着丰富的科学信息。
孙友宏说,冰下湖具有高压、低温、黑暗、寡营养等极端环境特征,与地球冰期及一些地外天体的环境相似,研究其微生物群落生态特征及其参与的生源要素地球化学循环过程对揭示地球生命演化和探索地外生命具有重要意义。
尽管俄罗斯和美国已经成功获取了南极冰下湖湖水样品,但如何确保钻探过程的无污染,一直困扰着科研人员。
吉林大学极地科学与工程研究院院长帕维尔·达拉拉伊指出,此前,俄罗斯主要采用深冰芯钻探技术,但如果要获取冰下湖湖水样品,其钻进效率较低,且所使用的钻井液极易污染冰下湖湖水样品,这大大降低了其科学研究价值。美国采用的清洁热水钻虽然避免使用钻井液,但钻进过程中冰面与冰下湖通过热水钻孔连通,如果钻进工艺控制不好,孔内热水易涌入冰下湖,导致冰下湖引入污染源,破坏封闭冰下湖原有的生态平衡。
与俄罗斯和美国采用单一钻探技术不同,我国提出了创新的解决方案——采用热水钻与热融探测器联合作业的方式,进行麒麟冰下湖钻探。
钻探过程中,先利用清洁热水钻透冰下湖上方约3000—3400米厚的冰层,并严格监控钻进过程中的微生物污染问题,确保钻进用水清洁;当钻至预定位置后,停止向下钻进并向上回收热水钻,再下放消毒后的中继舱和可回收式冰层热融探测器至热水钻孔底部;随后启用探测器热融钻进剩余几百米冰层。在这过程中,探测器上方热融钻孔闭合,以隔离热水钻孔与冰下湖,直至探测器完全进入冰下湖完成取样及观测。最后,探测器向上钻进返回热水钻孔,进而返回冰面。
孙友宏表示,这种联合作业方式不仅提高了钻探效率,还减少了污染风险。清洁热水钻的快速钻探为后续热融探测器提供了便捷的清洁通道,而热融钻孔的闭合有效隔离了热水钻孔和冰下湖,从而避免热水钻用水对冰下湖湖水的潜在污染。
目前,我国虽然已经掌握了冰下湖清洁钻探取样的部分关键技术,但麒麟冰下湖科学钻探工程仍面临诸多挑战。孙友宏强调,一个南极工作季,麒麟冰下湖钻探工程的有效工作时间仅为40—50天,对无污染取样要求又极为严格,加上相关技术和装备多为国际上首次在南极大深度冰盖钻探中使用,如遇上南极环境恶劣,将使得钻探作业难上加难。
为攻克相关技术难题,中国地质大学(北京)极地钻探技术研究团队正与吉林大学、中国极地研究中心、杭州电子科技大学、中国科学院南京天文光学技术研究所等积极研发和测试清洁热水钻、洁净可回收式热融探测器、过程污染监控和现场测试分析等技术与装备,为今后揭开南极麒麟冰下湖的生命奥秘提供坚实支撑。
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