极地中深及深冰芯钻探项目进展及对我国的启示

摘要

在极地开展中深及深冰芯钻探项目，对获取古气候信息、揭示冰盖运动规律以及预测未来全球环境变化等方面均具有重要意义。从20世纪60年代开始，世界各国已经在极地完成了26个中深冰芯钻探项目和14个深冰芯钻探项目。目前，仍有Dome A、Beyond EPICA、MYIC、Dome Fuji和Hercules Dome等5个深冰芯钻探项目正在实施中，且俄罗斯正在筹划Dome B的深冰芯钻探项目。目前，我国仅实施过1个中深冰芯钻探项目，而深冰芯钻探项目的深度刚突破800 m。与欧洲、美国、日本和俄罗斯相比，我国在中深和深冰芯钻探技术领域施工经验少，装备自主化程度低，技术水平落后。为此，我国应积极研发具有自主知识产权的深冰芯电动机械钻具，加快实施Dome A深冰芯钻探工程，开展中深冰芯钻探及古老蓝冰钻探项目，突破冰层快速钻探和定向取芯钻探等关键技术，从而促进我国极地冰芯钻探技术的发展，提高在极地冰芯科学领域的影响力。

关键词

极地; 冰盖; 中深冰芯; 深冰芯; 钻探项目; 钻具

0 引言

极地冰盖主要包括南极冰盖和格陵兰冰盖，其占到了地球表面积的11%^［1］。极地冰盖由降雪经压实作用形成，其中包含了冰盖形成过程中的重要信息^［2］。冰芯是在冰盖中钻取的柱状样品。通过分析冰芯中气泡的成分和水同位素等手段，可以重建古气候环境，揭示冰盖在历史时期的演化规律，从而为预测未来冰盖的变化规律提供重要依据^［3-5］。

钻探是在极地冰盖中获取冰芯的唯一手段，也是开展冰芯科学研究的前提。虽然人类早在1841年就已经开始发展冰芯钻探技术，但对极地雪冰样品的获取长期依赖雪坑进行^［6-7］。利用钻探技术开展冰芯科学研究始于20世纪50年代初期。1949—1952年，一支由挪威、英国和瑞典科学家组成的科考小组首次在南极毛德皇后地的冰架上钻取了约100 m的冰芯^［8-9］。与此同时，法国于1950—1951年期间在格陵兰岛分别钻取了一支126 m和150 m的冰芯^［7］。在1957—1958年的国际地球物理年期间，科学家首次提出在极地开展深冰芯钻探计划，并受到科学界广泛认可^［10］。随后，世界多国开始了在极地的冰芯钻探工作，拉开了冰芯科学研究的序幕。在过去的近70年时间里，人类已经在极地开展了一系列不同深度的冰芯钻探工作，获取了大量的冰芯样品。冰芯钻探也从最初主要由欧、美、日和前苏联等国家主导，逐步拓展到中国、韩国、巴西、印度等国家。随着冰芯科学研究的发展，冰芯钻探技术也日渐成熟。目前，能够在极地开展冰芯钻探作业的钻具类型已达几十种，可满足不同深度冰芯的钻探需求^［11-12］。

在工程上，按照钻探深度的不同可以将冰芯钻探分为浅表钻探（0~50 m）、浅冰芯钻探（50~400 m）、中深冰芯钻探（400~1500 m）和深冰芯钻探（1500~4000 m）^［11］。相较于浅表钻探和浅冰芯钻探，中深冰芯钻探和深冰芯钻探所用钻具质量大、钻探时间长，且一般均需采用钻井液，这导致中深冰芯和深冰芯钻探的资金投入和后勤保障需求较高。但与此同时，中深冰芯和深冰芯钻探也能获取更古老的冰芯样品，具有更高的科学研究价值。值得注意的是，以上关于冰芯钻探的划分均出于工程目的。在科学研究上，对中深冰芯和深冰芯并没有严格的划分。本文旨在对极地已经完成的中深及深冰芯钻探项目进行总结，同时梳理出极地深冰芯钻探项目的最新进展，以期为我国开展中深及深冰芯钻探提供一定的启示。

1 极地中深及深冰芯钻探项目发展现状

中深冰芯钻探项目和深冰芯钻探项目均有各自不同的发展特点，以下将从这两个方面分别阐述其发展现状。

1.1 极地中深冰芯钻探项目发展现状分析

如表1所示，美国于1963年首先在格陵兰岛Camp Century开展中深冰芯钻探，并在1966年钻穿1387 m厚的冰盖，获取了透底冰芯^［13-14］。这项工程对极地冰芯科学的发展具有重要意义，它不仅是人类首次利用电动机械钻具开展中深冰层钻探，极大地促进了冰芯钻探技术的发展，而且使科学家认识到了极地冰芯的研究价值，为后续极地冰芯钻探工程的实施铺平了道路。

表1  极地中深冰芯钻探项目概况

Table 1  Overview of the intermediate‑depth ice‑core drilling projects

主导国家	地 点	钻探点坐标	时间	孔深/m	钻具	冰厚/m	海拔/m	地表平均气温/℃	降雪积累率/（m·a-1）	钻井液
前苏联/俄罗斯	Vostok[15,18]	78.47°S，106.87°E	1970—1973	952.4（1G）	TELGA-14	3769	3488	-55	0.022	无
	Lazarev冰架[19-20]	70.48°S，11.75°E	1976	447	ETB-3	447	—	-15	—	乙醇水溶液
	Novolazarezkaya 站以南40km[20-21]	70.97°S，11.37°E	1977	812		~1000	—	—	—
	Camp J-9[20,22]	82.37°S，168.62°W	1978	420		420	~600	-28	—
	Gornaya基地[12,20]	67.20°S，93.28°E	1978	750	TELGA-14M、TBZS-152M	—	—	—	—
	Komsomolskaya站[19,21]	74.10°S，97.50°E	1982—1983	871.5	ETB-5	—	3500	-53	—
	Mirny站—Vostok站105 km处[20]	—	1987—1988	740	TELGA-14M、TBZS-152M	—	—	—	—	TS-1
	Old Dome B[20-21]	77.06°S，94.92°E	1987—1988	780	ETB-130、ETB-5	—	3770	-57.5	0.035	乙醇水溶液
美国	Site 2[7,23]	76.98°N，56.07°E	1957	411	Failing Model 314钻机	—	~2000	-25.4	—	压缩空气
	Crête[24-25]	71.12°N，37.32°E	1974	404	—	—	3172	-30.4	0.298	—
	Camp Century[2,14,26]	77.17°N，61.13° W	1963—1966	1387	CRREL	1387	1887	-24	0.33	DF-A+三氯乙烯
	Camp J-9[19,22]	82.37°S，168.62°W	1978	416	PICO绳索钻具	420	~600	-28	—	—
	Taylor Dome[27-28]	77.70°S，159.07°E	1993—1994	554	PICO-5.2″	554	2375	-43	0.06	乙酸丁酯
	Siple Dome[2,29]	81.65°S，148.81°W	1997—1999	1004		1004	620	-25	0.11
	Bruce Platea[30]	66.03°S，64.07°W	2009—2010	447	ETED	447	1975.5	-14.78	2	乙醇水溶液
英国	Berkner Island[31]	79.55° S，45.68°W	2003—2005	948	Hans Tausen	948	890	-26.5	0.13	ExxsolTM D60+HCFC 141b
	Fletcher Promontory[32]	77.90°S，82.60°W	2011—2012	654		654	873	-27.1	0.38	Exxsol D60
	Skytrain Ice Rise[33]	79.74°S，78.55°W	2018—2019	651		651	784	-25.9	0.14±0.02	Exxsol D60
丹麦	Renland[11,34-35]	71.31°N，26.72°W	2015	584	UCPH	584	2340	-18	0.49	ESTISOL™140
	Flade Isblink[11]	81.29°N，15.70°W	2006	436	Hans Tausen	~540	—	-22	—	ESTISOL™240+COASOL™
法国	Dome C[36]	75.10°S，123.35°E	1977—1978	905	LGGE热融钻具	3275	3233	-54	0.036	无
	D47, Adélie Land[12]	67.39°S，138.73°E	1987—1989	871	Forage 4000	—	1560	—	—	DF-A+CFC 11
日本	Mizuho站[17]	70.70°S，44.33°E	1983—1984	700.6	JARE 热融钻具	2095	2230	-33.2	0.07	无
澳大利亚	BHQ[37]	~66.50°S，111.80°E	1977	430	ANARE热融钻具	780	~1000	—	—	—
				474
	Law Dome[12,38]	66.77°S，112.80°E	1991—1993	1200	ISTUK	1220	1370	-22	0.7	Jet A-1+全氯乙烯
新西兰	Roosevelt Island[39]	79.36°S，161.71°W	2011—2012	763	Hans Tausen	763	550	-23.5	0.22	ESTISOL™240+COASOL™
中国	中山站以南25 km	69.59°S，76.39°E	2023—2024	545	IBED	545	692.7	-17.8	—	Jet A-1+HCFC 141b

继美国之后，世界多国在南极和格陵兰岛开展了中深冰芯钻探工程。迄今为止，共有美国、丹麦、前苏联/俄罗斯、日本、英国、法国、澳大利亚、新西兰和中国等9个国家在极地开展了26个中深冰芯钻探项目（图1），其中，南极中深冰芯钻探项目21个，格陵兰岛中深冰芯钻探项目5个。如图2所示，前苏联/俄罗斯是开展中深冰芯钻探项目最多的国家，数量达到了8个。早在1972年，苏联就在南极Vostok站利用热融取芯钻具TELGA-14完成了一个952.4 m的钻孔^［15-16］。该钻孔未使用任何钻井液，是目前世界上采用“干孔”钻进方式在冰层中钻进的最深孔。除前苏联/俄罗斯之外，美国在南极施工完成了7个中深冰芯钻孔，英国和澳大利亚则各完成了3个中深冰芯钻孔，丹麦完成的2个中深冰芯钻孔均位于格陵兰岛。相比于其他国家，我国开展中深冰芯钻探较晚。2023—2024年，我国利用自主研发的IBED钻具在距离中山站以南25 km的内陆冰盖施工了首个中深冰芯钻探项目，获取了连续的冰芯样品，并钻取了0.48 m的冰下基岩（图3）。

图1  极地中深及深冰芯钻探地点

Fig.1  Drilling sites for intermediate‑depth and deep ice‑core drilling projects

●黑色圆点表示已经完成的深冰芯钻探项目地点；●橙色圆点表示已经完成的中深冰芯钻探项目地点；●蓝色圆点表示既有深冰芯钻探项目，也有中深冰芯钻探项目的地点；●紫色圆点表示尚未完成的深冰芯钻探项目地点；●红色圆点表示正在规划中的深冰芯钻探项目地点

图2  不同国家的中深及深冰芯钻探项目数

Fig.2  Number of intermediate‑depth and deep ice‑core drilling projects in different countries

图3  我国首个中深冰芯钻探项目营地

Fig.3  Drilling camp of Chinese first intermediate‑depth ice‑core drilling project

从时间上来看，20世纪70年代和80年代是开展中深冰芯钻探最活跃的时期（图4）。在50年代和60年代，都只有这一个中深冰芯钻探项目。而在之后的70年代，中深冰芯钻探项目达到了10个，主要由苏联和澳大利亚使用热融取心钻具完成。70年代以后，中深冰芯钻探项目逐渐减少。进入本世纪后，中深冰芯钻探活动又开始活跃，主要由欧美等发达国家实施。值得注意的是，在诸多中深冰芯钻探项目中，有许多项目并未钻穿冰盖，如日本在Mizuho站开展的钻探项目以及前苏联在Novolazarezkaya站以南40 km处实施的钻探项目等^［1717，1-8］。这些未透底的钻探项目多集中在20世纪70至80年代。

图4  不同年代中深及深冰芯钻探项目数（按照完成钻探项目的时间统计）

Fig.4  Number of intermediate‑depth and deep ice‑core drilling projects cin different decades (counted according to the time completing the drilling projects)

从地域分布上可以看出，除Vostok、Dome C、Old Dome B和Komsomolskaya等少数几个钻探点外，大部分的中深冰芯钻探点均位于距离海岸带较近的区域。相比南极内陆，这些地区的冰盖相对较薄、海拔较低、平均气温和降雪积累率较高。当然，从这些地区钻取的冰芯年龄也相对较小。

除前苏联/俄罗斯、法国和日本使用热融取芯钻具开展过中深冰芯钻探外，其他国家一般均采用电动机械钻具。这主要与冰芯钻探技术的发展历史相关，前苏联/俄罗斯、法国和日本的中深冰芯钻探集中在20世纪70和80年代，彼时，热融取芯钻具尚在普遍使用。进入90年代以后，热融取芯钻具逐渐退出历史舞台，电动机械钻具在中深冰层钻探中开始占据主导地位。热融取芯钻具一般采用乙二醇水溶液作为钻井液，而电动机械钻具则一般采用耐低温油类，并配以氟氯烃类物质作为加重剂。

1.2 极地深冰芯钻探项目发展现状分析

如表2所示，在成功实施Camp Century项目的基础上，美国于1966年率先在Byrd站实施深冰芯钻探工程，揭开了人类在极地开展深冰芯钻探的序幕^［40］。截止目前，只有美国、丹麦、欧盟、前苏联/俄罗斯、日本和意大利等6个国家和地区完成了14个深冰芯钻探工程（参见图2）。丹麦共主导完成深冰芯钻探项目5个，是完成深冰芯钻探项目最多的国家，其所完成的深冰芯钻探项目均位于格陵兰冰盖。美国紧随丹麦之后，在南极完成了3个深冰芯钻探项目，并在格陵兰岛开展了GISP2深冰芯钻探工程^［41］。值得一提的是，美国在South Pole的深冰芯钻探工程并没有钻穿2700 m厚的冰盖，而只钻取了1751 m的冰芯^［42］。在世纪之交，欧盟多国在东南极Kohnen站和Dome C地区实施了EPICA项目，共完成了2口深冰芯钻孔^［43-44］。其中，在Dome C获取了冰龄超过80万年的冰芯，是目前已知最古老的连续冰芯样品，为南极古气候和冰盖演化研究提供了重要信息^［45］。苏联从1970年开始就在Vostok站开展钻探工作，其先后完成了1G到5G等5个钻孔，其中3G、4G的深度均超过了2200 m，但均未钻穿冰盖^［15，46］。直至2012年，俄罗斯才利用5G钻孔钻穿了3769 m厚的冰盖，并钻取了重新冻结的冰下湖水样品^［47］。5G钻孔是目前人类在冰层中钻进最深的钻孔^［48］。日本从1993年开始在Dome Fuji地区开展深冰芯钻探工程，最终在2006年成功完成了3035 m的深冰芯钻孔^［49］。

表2  极地深冰芯钻探项目概况

Table 2  Overview of the deep ice‑core drilling projects

主导国家	地 点	钻探点坐标	时间	孔深/m	钻具	冰厚/m	海拔/m	地表平均气温/℃	降雪积累率/（m·a-1）	钻井液
丹麦	Dye3站[57-58]	65.18°N，43.82°W	1979—1981	2037	ISTUK	2037	2490	-20	0.56	Jet A-1+全氯乙烯
	GRIP[58-59]	72.58°N，37.63°W	1989—1992	3029		3029	3238	-32	0.23	Exxsol™ D60+CFC 113
	NGRIP[56,58]	75.10°N，42.32°W	1996—1997	1310		3091	2917	-32	0.19	Exxsol™ D60+HCFC 141b
			1998—2003	3085
	NEEM[60]	77.45°N，51.60°W	2007—2012	2540	Hans Tausen	2540	2450	-29	0.22	ESTISOL™240+COASOL™
	EGRIP[61-63]	75.63°N,36.00°W	2016—2023	2664		2664	2708	-30	0.11
美国	Byrd站[2,64]	80.02°S，119.52°W	1966—1968	2164	CREEL	2164	1530	-28	0.14	DF-A+三氯乙烯
	GISP2[2,58,65]	72.60°N，38.50°W	1989—1993	3035	PICO-5.2”	3053	3200	-32	0.22	乙酸丁酯
	WAIS Divide[66-67]	79.47°S，112.09°W	2006—2012	3405	DISC	3455	1766	-30	0.22	Isopar K+HCFC 141b
	South Pole[42,68]	89.99°S，98.16°W	2014—2016	1751	IDD	2700	2835	-49	0.08	ESTISOL™140
欧盟	Dome C[44,69]	75.10°S，123.35°E	1999—2004	3260	Hans Tausen	3275	3233	-54	0.036	Exxsol™ D30+HCFC 141b
	Kohnen[70-71]	75°S，0°E	2000—2006	2774		2774	2892	-44	0.064	Exxsol™ D40+HCFC 141b
前苏联/俄罗斯	Vostok[18,72-73]	78.47°S，106.87°E	1980—1986	2202（3G）	TELGA-14M、TBZS-152M、TBS-112VCh、KEMS-112/132/135	3769	3488	-55	0.022	TS-1+CFC 11、TS-1+HCFC 141b
			1986—1989	2546（4G）
			1990—2012	3769（5G）
日本	Dome F[49,55,74]	77.32°S，39.70°E	1993—1996	2504	JARE	3035	3810	-58	0.03	乙酸丁酯
			2003—2007	3035
意大利	Talos Dome[75-77]	72.78°S，159.07°E	2005-2007	1620	Hans Tausen	1795	2318	-41	0.08	ExxsolTM D40+HCFC 141b

从图4可以看出，从20世纪60年代开始，深冰芯钻探工程逐渐变得越来越活跃。在本世纪的前2个10年里，各有4个深冰芯钻孔完成施工，这表明深冰芯钻探项目在极地科学研究中得到了越来越多的重视。深冰芯钻探工程旨在获取古老的冰芯样品，所以其钻探工程施工地点多处于南极内陆地区（图1）。这些地区普遍具有冰盖厚、气温低、海拔高和降雪积累率低的特点。以Vostok站为例，其冰盖厚度达到了3769 m，年平均气温低至-55 ℃，海拔高达3488 m，降雪积累率只有0.022 m/a^［18］。

除Vostok深冰芯钻探工程中部分井段使用了热融取芯钻具外，所有的深冰芯钻探项目均采用铠装电缆悬吊的电动机械钻具。常见的电动机械钻具包括ISTUK、PICO-5.2”、CREEL、Hans Tausen、DISC、KEMS和JARE钻具^［11，50］。其中，ISTUK、PICO-5.2”、CREEL钻具已经不再使用。Hans Tausen钻具是目前使用最多的电动机械钻具，共完成了丹麦和欧盟的4个深冰芯钻探项目^［51］。South Pole项目由于钻探深度相对较浅，使用美国研发的中深冰芯钻具IDD^［52］。深冰芯钻探均需使用钻井液，常用的钻井液包括乙酸丁酯、Jet A-1、Exxsol™ D60、Exxsol™ D40、Exxsol™ D30、DF-A、ESTISOL™240+COASOL™、Isopar K、TS-1、ESTISOL™140等，并辅以一定比例的加重剂^［53-54］。

值得一提的是，深冰芯钻探工程施工具有较大的卡钻风险。在目前已经完成的14个深冰芯钻探工程中，Dome C、Dome Fuji、Vostok和NorthGRIP等4个项目均发生过因卡钻而不得不放弃钻孔的现象。Dome C的第一个钻孔在钻至783 m时发生卡钻，不得不从地表开始重新钻进^［44］。日本在Dome F钻探第一个孔时，因钻井液不足，导致钻具在大约2300 m处发生卡钻事故^［55］。Vostok站的3G钻孔和4G钻孔分别在2202 m和2546 m发生卡钻事故^［15］。NorthGRIP项目则在1310 m处发生卡钻事故，导致不得不在附近开始钻探第二个钻孔^［56］。

1.3 极地中深冰芯和深冰芯钻探项目现状综合分析

美国是世界上最早开展中深冰芯和深冰芯钻探项目的国家，其在极地共完成11项中深冰芯和深冰芯钻探项目。前苏联/俄罗斯完成的中深冰芯和深冰芯钻探项目也达到了9项之多，但前苏联/俄罗斯的钻探项目多集中在20世界70年代，使用的钻探设备和钻探工艺较陈旧，且许多中深冰芯钻探项目均未透底。因此，综合来看，美国在极地中深冰芯和深冰芯钻探领域处于领先地位。丹麦作为格陵兰岛的所有国，其在极地共完成中深冰芯和深冰芯钻探项目7项，走在世界前列，尤其是在深冰芯钻探领域，其掌握了先进的技术、积累了丰富的工作经验。欧盟各国一般联合在一起开展深冰芯钻探项目，而且深度介入丹麦在格陵兰岛的各项钻探工程。英国在极地主要开展中深层冰芯的钻取。相比于欧、美、日等国家，我国在极地中深及深冰芯钻探领域起步晚，实施钻探工程少，钻探经验相对匮乏。

中深冰芯和深冰芯钻探工程多在极地偏远地区实施，一般均需较强的后勤保障支撑。因此，世界各国的钻探项目主要依靠其科考站进行，这导致各国的冰芯钻探工程呈现出明显的地域性特点。美国、英国和新西兰在南极的科考站主要集中在西南极地区，故其冰芯钻探项目也主要分布在西南极；前苏联/俄罗斯、欧盟、日本、澳大利亚和中国的冰芯钻探项目则主要集中在东南极；丹麦所有的中深冰芯和深冰芯钻探项目全部位于格陵兰岛。

与中深冰芯钻探项目相比，深冰芯钻探项目一般位于极地内陆地区，其冰盖厚度更大、自然环境更恶劣、后勤保障更困难。这就导致深冰芯钻探工程的钻探时间一般长达3~8年，Vostok站5G钻孔的钻探时间甚至长达12年，远超中深冰芯钻探项目1~3年的钻探周期。这也导致深冰芯钻探工程资金投入很大，为此，一些深冰芯钻探工程并不由单个国家独自开展，而是通过广泛的国际合作来获取资金和技术支持。例如，丹麦主导的EGRIP项目，就包括了来自美国、英国、中国、加拿大、法国、德国、冰岛、意大利、日本、挪威、韩国、瑞典、瑞士等13个国家的合作伙伴。

2 极地深冰芯钻探项目最新进展

深冰芯钻探工程因其资金投入大、钻探技术难度高、科学价值突出、社会影响力大等因素，受到极地科学界的广泛关注。虽然目前已经在极地完成了诸多深冰芯钻探项目，但仍有5项深冰芯钻探项目正在实施过程中（见表3），且俄罗斯也在规划一项新的深冰芯钻探项目。以下将对这些项目逐一进行介绍。

表3  尚未完成的深冰芯钻探项目

Table 3  Deep ice‑core drilling projects in progress

主导国家	地 点	钻探点坐标	时间	当下孔深/m	钻具	冰厚/m	海拔/m	地表平均气温/℃	降雪积累率/（m·a-1）	钻井液
中国	Dome A[78,81]	80.42°S，77.12°E	2012至今	803.7	JARE	3090	4092	-58	0.025	乙酸丁酯
欧盟	Little Dome C[82-86]	75.30°S,122.45°E	2021至今	1836.18	AWI	2760	3233	-55	0.019	ESTISOL™140
澳大利亚	Little Dome C[82-86]	75.34°S,122.52°E	2023至今	无	—	2760	3233	-55	0.019	—
日本	Dome Fuji[87-88]	77.31°S,39.70°E	2023至今	—	JARE	3028	3810	-58	0.03	乙酸丁酯
美国	Hercules Dome[89-90]	~85.8°S,102.9°W	预计2026—2030	无	Foro 3000	~1600	~2618	-41	0.13	Isopar K或ESTISOL™140

2.1 中国Dome A深冰芯钻探项目

Dome A深冰芯钻探工程由我国主导实施，项目于2012年第28次中国南极考察期间开始施工，当年即钻探至120.79 m的深度^［78］。Dome A为南极冰盖最高点，是开展深冰芯钻探的理想地点^［79］。初步预计，该地区的冰芯年龄可能达到60~70万年^［80］。截止2018年，Dome A深冰芯钻孔的深度达到了803.7 m（见图5），这也是我国目前在极地冰层完成的最深钻孔^［81］。2018年以后，因多方面原因，Dome A深冰芯钻探工程处于停滞状态，没有开展进一步的钻探作业。

图5  Dome A深冰芯钻探项目突破800 m^[81]

Fig.5  Breakthrough of 800m in Dome A deep ice‑core drilling project

2.2 欧盟Beyond EPICA深冰芯钻探项目

欧盟在完成EPICA项目后，只找到了冰龄为80万年的冰芯。为了找到冰龄超过150万年的古老冰芯，欧盟启动了Beyond EPICA项目（见图6）。该项目通过前期大量的冰雷达勘探作业，结合冰川运动模式，将深冰芯钻探区域锁定在Little Dome C 区域。该区域距离Dome C深冰芯钻探点仅34 km^［82-83］。Beyond EPICA项目的参与国家包括德国、意大利、英国、法国、荷兰、瑞典、瑞士、法国、挪威、丹麦、比利时等国。该项目于2019年开始筹划，2021年12月4日正式进行钻探施工。2022年钻探深度达到130 m，2023年钻探深度达到804.65 m，到2024年钻孔深度已经突破了1836.18 m。整个钻探工程预计在2026年结束^［84］。

图6  Beyond EPICA项目钻探营地^[84]

Fig.6  Drilling camp of Beyond EPICA project

2.3 澳大利亚MYIC深冰芯钻探项目

澳大利亚在2016年首次提出在东南极开展深冰芯钻探项目MYIC（Million Year Ice Core），以寻找冰龄超过百万年的古老冰芯^［85］。2021年将钻探地点确定为Little Dome C区域，其距离Beyond EPICA项目钻探点仅5 km。2022—2024年，澳大利亚科研人员通过内陆车队运输抵达钻探点，开展了物资运输、浅冰芯钻探及营地建设等前期准备工作，但目前尚未完成钻探前的所有准备工作（见图7）。MYIC项目整个钻探过程大概需要4~5年，投资约4500万澳元。MYIC项目和Beyond EPICA项目的钻探点相距很近，获取的冰芯将独立开展研究，从而为古气候研究提供切实可靠的证据^［86］。

图7  澳大利亚科研人员抵达MYIC项目钻探点^[86]

Fig.7  Australian researchers arrived at the drilling site of MYIC project

2.4 日本Dome Fuji第三次深冰芯钻探项目

从2016年开始，日本和美国、德国、挪威合作连续多年在Dome Fuji及其周边区域开展了一系列冰川学调查，如冰雷达探测以及浅冰芯钻探等，为在该地区开展深冰芯钻探工程进行选址^［87，91］。2023年，日本正式在Dome Fuji区域启动第三次深冰芯钻探工程^［88，92］。这是日本国立极地研究所在Dome Fuji区域实施的第三口深冰芯钻孔，钻探所使用的装备与工艺与之前两次深冰芯钻探项目基本相同。

2.5 美国Hercules Dome深冰芯钻探项目

Hercules Dome位于西南极Horlick山和Thiel 山之间，距离南极点约400 km^［89］。美国计划于2026年在Hercules Dome开展深冰芯钻探工程，旨在获取该地区末次间冰期以来的古气候记录，揭示12.5万年前西南极冰盖是否发生过大的崩解事件。该钻探项目获得美国自然科学基金委约300万美元的资助，预计于2030年钻穿约1600 m厚的冰盖^［90］。Hercules Dome深冰芯钻探项目将采用美国最新研发的Foro3000钻具，该钻具的最大钻探能力可达3000 m^［93］。

2.6 俄罗斯深冰芯钻探计划

目前俄罗斯也在积极筹划在南极Dome B区域开展深冰芯钻探工程。Dome B（79.02°S，93.69°E）位于东南极Vostok站和我国昆仑站之间，距Vostok站约300 km。2020年，俄罗斯科考队抵达Dome B地区，对该地区开展了初步的冰川学调查，钻取了一根20.5 m长的浅冰芯^［94］。调查结果显示，该地区冰盖厚度约2500 m，海拔约3807 m，年平均气温低至-58.1 ℃，降雪积累率只有0.0228 m/a，满足深冰芯钻探的初步条件。未来，俄罗斯计划在Dome B地区开展进一步的冰川和地球物理调查。

3 极地中深及深冰芯钻探项目对我国的启示

从20世纪60年代开始，世界各国已经在极地开展了诸多中深及深冰芯钻探项目。目前，极地深冰芯钻探工程仍在如火如荼的开展。相较于欧、美、日和俄罗斯等发达国家，我国在中深及深冰芯钻探领域还有较大的差距。为此，我国应积极吸取国外中深及深冰芯钻探项目的经验教训，在项目规划实施及关键技术突破方面加快发展步伐。

3.1 推进中深及深冰芯钻探项目规划实施

在项目规划实施方面，我国应基于已有后勤保障条件积极开展中深冰芯钻探，同时加快推进实施深冰芯钻探工程，并开展古老蓝冰搜寻及相关钻探项目。

3.1.1 基于已有后勤保障条件开展中深冰芯钻探

吉林大学研发的IBED钻具采用移动式钻探舱，其钻探能力达到1500 m，可在冰盖上实现灵活快速移动^［95-96］。第40次中国南极科学考察期间，IBED钻具顺利钻穿了545 m厚的冰盖，证明其具备完成中深冰层钻探取芯的能力。目前，我国主要在东南极中山站至昆仑站沿线开展内陆考察，且已具备较好的后勤支撑保障条件。因此，我国可基于现有后勤保障能力，在中山站至昆仑站沿线寻找具有科学研究价值的钻探点，实施更多的中深冰芯钻探工程。

3.1.2 深冰芯钻探项目应积极开展国际合作

极地深冰芯钻探是一项工期长、资金投入大、科研产业链长的大科学工程，对项目主导方有很高的要求。为此，很多深冰芯钻探工程并不是由一个国家单独来承担的，而是由多方共同出资、共同参与的，从而实现资金、技术和人力的共享，达到科研成果最大程度的产出。例如，EGRIP项目和Beyond EPICA项目就由数十个国家共同完成。我国在后续开展深冰芯钻探项目时，如果在资金、技术和人力方面存在困难，亦可采用这种发展模式，最大程度推动科研成果的产出，提高我国在冰芯科学研究领域的影响力。

3.1.3 加快实施Dome A深冰芯钻探工程

深冰芯钻探仍然是当下极地科学研究的前沿领域，美国、欧盟、澳大利亚、俄罗斯、日本等发达国家均在积极开展深冰芯钻探项目。我国主导的Dome A深冰芯钻探项目目前已经钻至803 m的深度，有望在冰盖底部发现古老冰芯，从而为Dome A地区的古气候演化提供重要依据。继续实施Dome A深冰芯钻探工程，不仅能够促进我国深冰芯钻探技术的进步，培养相关专业人才，而且能够提高我国冰芯科学研究水平，增强在南极相关事务上的话语权。因此，我国应做好规划，加快实施Dome A深冰芯钻探工程。

3.1.4 开展古老蓝冰搜寻及相关钻探项目

深冰芯钻探项目大多都为寻找最古老的冰芯。但近年来的研究表明，极地的蓝冰区域能获取比深冰芯钻探项目更古老的冰芯样品。为此，美国已经在南极Allan山开展了多次蓝冰搜寻项目，并专门研发了大直径蓝冰钻具BID（Blue Ice Drill）用于蓝冰样品的钻取^［97-98］。2021年，美国启动了COLDEX（Center for Oldest Ice Exploration）项目，该项目旨在通过各种技术手段，获取冰龄达150万年的连续冰芯样品和更古老的蓝冰样品^［99］。因此，作为深冰芯钻探项目的有益补充，我国也应该研发相应的蓝冰钻具，在我国极地考察活动区域内开展蓝冰钻探项目。

3.2 加快中深及深冰芯钻探关键技术研发

在中深及深冰芯钻探技术方面，我国应研发具有自主知识产权的深冰芯电动机械钻具及冰层快速钻探技术，同时突破定向取芯钻探、脆冰层和暖冰层钻探等关键技术。

3.2.1 研发具有自主知识产权的深冰芯电动机械钻具

极地中深及深冰芯的钻取既可以采用热融取芯钻具，也可采用电动机械钻具。热融取心钻具因功率消耗大、冰芯质量差、含灰尘冰层钻进困难等原因，在20世纪90年代之后，已经逐渐被电动机械钻具取代，目前已经很少有国家利用热融取芯钻具开展中深及深冰芯钻探工程了。有鉴于此，我国在发展冰芯钻探技术时，应以电动机械钻具为主。目前，中国科学院西北生态资源研究院已经研发出高效的BZXJ系列浅冰芯钻具^［100］，吉林大学则研发了钻探能力达到1500 m的IBED钻具，其可完成中深层冰芯钻取任务。但我国在Dome A开展深冰芯钻探工程施工时只能使用日本的JARE钻具，尚没有自主研发的深冰芯钻具。为此，我国有必要在已有浅冰芯和中深冰芯电动机械钻具研发经验的基础上，研发具有自主知识产权的深冰芯电动机械钻具。

3.2.2 研发冰层快速钻探技术

深冰芯钻探工程投入大、成本高，且不一定能够钻获古老的冰芯样品，具有较大的风险性。但是如果能在开展深冰芯钻探工程之前，先在目标钻探点快速钻穿冰盖，确认冰层年龄，那么就能够极大地减少深冰芯钻探项目的风险。为此，美国的RAID钻具^［101］、法国的SUBGLACIOR钻具^［102］、英国的BAS RAID钻具^［103］、瑞士的RADIX钻具^［104］应运而生。这些钻具在钻探方法和钻具结构等方面各有特点，但它们均具备较快的钻探速度，从而能够大大减少钻探至冰层底部所需的时间。虽然目前这些钻具均处于测试阶段，尚未应用于实际深冰芯钻探工程，但其显示出的应用潜力巨大，我国也应该及早布局相关技术领域的发展。

3.2.3 突破冰层钻探领域的关键技术

深冰芯样品因难以获取和稀少而十分宝贵。若能够在深冰芯钻孔孔壁上开展定向取芯钻探作业，那么就能获取较多的冰芯样品。但目前，仅美国和俄罗斯掌握了冰层中的定向取芯钻探技术。美国在冰层侧壁取芯时，采用动力机构实现主动造斜，其研发的定向取芯钻具在WAIS Divide项目中先后完成5次侧壁取芯，获取冰芯样品285 m^［67，105］。俄罗斯则利用造斜器和钻具在重力下的自然纠偏完成了诸多分支孔的钻探^［15，48］。为此，我国也有必要开展这方面的技术研发，为深冰芯钻探工程做好技术储备。此外，在中深及深冰芯钻探中，我国还应突破脆冰层和暖冰层钻进等技术难题^［106］。

4 结语

中深及深冰芯钻探工程对极地冰芯科学的发展具有重要意义。在过去约60年的时间里，世界各国已经在南极和格陵兰冰盖完成了26个中深冰芯钻探工程和14个深冰芯钻探工程，获取了大量的古气候、古环境信息，有力促进了冰芯科学的发展和进步。总的来看，中深及深冰芯钻探项目方兴未艾，目前仍有多个深冰芯钻探项目正在实施和规划中。目前，美、欧、日和俄罗斯等国在中深及深冰芯钻探领域位居世界前列。相比之下，我国在中深和深冰芯钻探技术领域施工经验少，装备自主化程度低，技术水平落后。有鉴于此，我国应通过合理规划和开展国际合作等方式突破冰层快速钻探和定向取芯钻探等关键技术，研发具有自主知识产权的深冰芯钻具，加快实施Dome A深冰芯钻探工程，开展中深冰芯钻探及古老蓝冰钻探项目，从而促进我国极地冰芯科学的研究水平，提高在极地事务的话语权。