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新2会员管理端极地钻探技术取得新进展

发布日期:2022-06-30 作者: 编辑:吕优 点击:

2021115-2022426日,在中国第38次南极科学考察期间,依托中国南极科考全方位保障体系,新2会员管理端极地科学与工程研究院研发的可回收式冰下湖热融探测器工程样机在中国南极中山站附近达尔克冰川开展了南极现场试验,累计钻进深度超过500m。通过南极钻探试验充分检验了研发的装备,获取了珍贵的试验数据,并积累了宝贵的南极钻探经验,为我国在南极开展冰下湖科学钻探工程,实现南极冰下环境探测提供了有力的技术保障,使我国冰下湖探测技术迈入国际一流行列。

可回收式冰下湖热融探测器工程样机南极试验现场

南极冰下湖长期被冰盖所覆盖,具有独特的高压、低温、低营养和黑暗环境条件,可能会提供独一无二的生物进化、地球气候变化以及南极冰盖的演变信息。南极冰下湖科学钻探是获取冰下湖实物样品的唯一手段,所获科学样品可以用以分析极地冰下特殊环境条件下冰下湖体系的理化参数和水质特征,进而揭示冰下湖的形成机理、演化规律以及其对南极冰盖物质平衡的影响机制。为此,中国工程院院士、新2会员管理端原副校长、中国地质大学(北京)校长孙友宏教授和新2会员管理端国家海外高层次特聘专家Pavel Talalay教授带领极地研究团队牵头承担了国家重点研发计划课题-“南极冰下湖无污染钻进采样与观测系统。课题组变革性提出采用底部钻具热融钻进、顶部钻孔冻结闭合的热融钻探方式进行冰下湖无污染探测取样。针对南极冰下湖钻探过程中钻深大、压力高、温度低和作业时间短等特点进行联合技术攻关,突破了小直径高强度高压供电柔性电缆技术、大长径比内嵌式绞车及高精度自动送钻技术、冰层热融钻进梯度加热技术、耐高压电磁阀技术、远程数据传输与控制和不间断电力自动供给等关键技术,成功研发了可对南极冰下湖进行无污染钻进采样与观测的可回收式冰下湖热融探测器,解决了南极冰下湖无污染钻进采样和观测技术难题,填补了我国南极冰下湖探测技术与装备的空白。

课题参加单位包括中国极地研究中心、杭州电子科技大学、中国科学院南京天文光学技术研究所、上海宇航系统工程研究所和国家海洋技术中心。

南极冰下水环境分部示意图 Zina Deretsky/US National Science Foundation

南极冰下湖无污染钻进采样和观测系统工作原理图

可回收式冰下湖热融探测器结构示意图

此外,极地科学与工程研究院还承担和参与了国家自然科学基金重大仪器专项极地深冰下基岩无钻杆取芯钻探装备、国家863计划冰架热水钻机关键技术与系统开发等多项极地领域国家项目,成功研发了多套极地钻探装备,有力推动了我国极地钻探技术的发展。

2011年,中国极地研究中心负责的中国首个南极深冰芯科学钻探工程正式启动,新2会员管理端作为主要技术支持单位在南极昆仑站参与了全部6个南极夏季工作季的钻探任务,成功进行了粒雪层、冰层和脆冰层取芯钻进,钻进深度突破803.54m,并获取了连续的冰芯样品。

中国南极深冰芯钻机


中国南极昆仑站深冰芯科学钻探工程钻取的第一支深冰芯

2018-2019年,极地深冰下基岩无钻杆取芯钻探装备在南极达尔克冰川进行了野外应用,获取了198m的连续透底冰芯和6cm冰下基岩岩心,使我国成为世界上第三个在南极冰盖钻取冰下基岩样品的国家。著名国际学术期刊《Nature》对此次突破进行了报道。

极地深冰下基岩无钻杆取芯钻探装备南极钻探现场

Nature》刊文报道(Nature Vol 567, 2019

2017-2020年,我校师生应德国阿尔弗雷德魏格纳研究所和新西兰惠灵顿维多利亚大学邀请,携带自主研发的冰下沉积物振动取样器先后3次参与了德国南极科学考察和新西兰南极科学考察,在南极Ekstrom冰架和Ross冰架分别开展了冰架下海洋沉积物取样工作。该取样器有望突破海底坚硬沉积物取样世界性难题,已获得国际上同行的广泛关注。

宫达博士参与新西兰南极科学考察,在南极Ross冰架进行沉积物钻探

2018-2019年,我校共派遣3人次参加了由丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所冰与气候研究中心组织的北极东格陵兰深冰芯计划项目(EGRIP)的现场考察工作。

我校张楠(左)和李冰(右)在EGRIP钻探现场

孙友宏院士(左)、Pavel Talalay教授(右)作为高级访问代表团成员赴东格陵兰现场营地短期考察调研

2015-2016年,博士研究生洪嘉琳前往英国南极调查局访问交流,并在此期间参加了英国南极科学考察,与英国南极调查局学术带头人R.Mulvaney博士在南极Sky Blu站测试了快速钻进同位素钻具(Rapid Access Isotope DrillRAID)。

洪嘉琳(左)和R. Mulvaney(右)在南极英国Skyblu

201910月,极地中心三名师生前往新疆维吾尔族自治区乌鲁木齐河源1号冰川进行了野外考察,顺利完成了手摇/汽油机浅层螺旋钻具野外测试,验证了钻具的可靠性和高山适用性,并采集了约12.4m冰芯,用于冰芯电导率、冰芯蠕变特性和微生物方面研究。

三名师生在天山河源1号冰川进行冰芯采样

我校极地科学与工程研究院长期以来始终致力于对极地钻探技术与装备的研究,并不断拓展研究方向,正逐步开展冰芯科学研究,走出一条技术与科学并举的科研发展道路。成立以来,极地科学与工程研究院获得科研项目20余个,累计科研项目经费总额超过5000余万,发表科研论文100余篇,其中SCI论文60余篇,授权专利100余件,出版专著3部。目前建有模拟极地环境冰层钻探实验室、低温钻井液实验室、低温检测技术实验室、极地冰岩芯低温科学实验室等多个极地钻探技术与科学实验室,先后派遣38人次参加了中国南极科学考察、德国南极科学考察、新西兰南极科学考察和丹麦北极科学考察活动,荣获中国极地考察先进集体称号,同时与俄罗斯、美国、日本、丹麦、德国、新西兰等极地领域的科学家和科研院所有着广泛的交流与合作,培养了大批极地钻探技术人才,有力地支撑了我校极地科学学科建设发展,为实现我国极地强国战略贡献力量。


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