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我國提出破解南極科考鉆探污染難題方案

4月8日,執(zhí)行中國第40次南極考察任務(wù)的極地科考破冰船“雪龍2”號抵達香港,展開為期五天的訪問行程。

“此次南極科考期間,我國已成功完成進出麒麟冰下湖的實地探路,初步選定進出路線,并開展了多項冰下湖鉆探選址調(diào)查工作?!敝袊刭|(zhì)大學(北京)校長、中國第40次南極科學考察隊隊員、中國工程院院士孫友宏4月9日告訴科技日報記者,麒麟冰下湖鉆探設(shè)備測試和正式鉆探作業(yè)將在2025—2027年的南極工作季展開,計劃采用熱水鉆與熱融探測器聯(lián)合作業(yè)的方式,以實現(xiàn)清潔鉆探目標。

麒麟冰下湖隱藏在東南極內(nèi)陸冰蓋伊麗莎白公主地區(qū)域,因形似“麒麟靜臥”而得名。作為迄今發(fā)現(xiàn)的南極洲第二大埋深湖,其上覆冰蓋厚度約3600米,已與外界隔絕至少300萬年,面積達370平方千米,最大水深200米,沉積物最大厚度超過300米。

冰下湖在極地環(huán)境中獨特且重要。截至2022年,全球已發(fā)現(xiàn)的冰下湖總數(shù)達到773個,其中675個位于南極洲。這些湖泊或是被封存的遠古水體,或是現(xiàn)代冰層基底融水,蘊藏著豐富的科學信息。

孫友宏說,冰下湖具有高壓、低溫、黑暗、寡營養(yǎng)等極端環(huán)境特征,與地球冰期及一些地外天體的環(huán)境相似,研究其微生物群落生態(tài)特征及其參與的生源要素地球化學循環(huán)過程對揭示地球生命演化和探索地外生命具有重要意義。

盡管俄羅斯和美國已經(jīng)成功獲取了南極冰下湖湖水樣品,但如何確保鉆探過程的無污染,一直困擾著科研人員。

吉林大學極地科學與工程研究院院長帕維爾·達拉拉伊指出,此前,俄羅斯主要采用深冰芯鉆探技術(shù),但如果要獲取冰下湖湖水樣品,其鉆進效率較低,且所使用的鉆井液極易污染冰下湖湖水樣品,這大大降低了其科學研究價值。美國采用的清潔熱水鉆雖然避免使用鉆井液,但鉆進過程中冰面與冰下湖通過熱水鉆孔連通,如果鉆進工藝控制不好,孔內(nèi)熱水易涌入冰下湖,導致冰下湖引入污染源,破壞封閉冰下湖原有的生態(tài)平衡。

與俄羅斯和美國采用單一鉆探技術(shù)不同,我國提出了創(chuàng)新的解決方案——采用熱水鉆與熱融探測器聯(lián)合作業(yè)的方式,進行麒麟冰下湖鉆探。

鉆探過程中,先利用清潔熱水鉆透冰下湖上方約3000—3400米厚的冰層,并嚴格監(jiān)控鉆進過程中的微生物污染問題,確保鉆進用水清潔;當鉆至預定位置后,停止向下鉆進并向上回收熱水鉆,再下放消毒后的中繼艙和可回收式冰層熱融探測器至熱水鉆孔底部;隨后啟用探測器熱融鉆進剩余幾百米冰層。在這過程中,探測器上方熱融鉆孔閉合,以隔離熱水鉆孔與冰下湖,直至探測器完全進入冰下湖完成取樣及觀測。最后,探測器向上鉆進返回熱水鉆孔,進而返回冰面。

孫友宏表示,這種聯(lián)合作業(yè)方式不僅提高了鉆探效率,還減少了污染風險。清潔熱水鉆的快速鉆探為后續(xù)熱融探測器提供了便捷的清潔通道,而熱融鉆孔的閉合有效隔離了熱水鉆孔和冰下湖,從而避免熱水鉆用水對冰下湖湖水的潛在污染。

目前,我國雖然已經(jīng)掌握了冰下湖清潔鉆探取樣的部分關(guān)鍵技術(shù),但麒麟冰下湖科學鉆探工程仍面臨諸多挑戰(zhàn)。孫友宏強調(diào),一個南極工作季,麒麟冰下湖鉆探工程的有效工作時間僅為40—50天,對無污染取樣要求又極為嚴格,加上相關(guān)技術(shù)和裝備多為國際上首次在南極大深度冰蓋鉆探中使用,如遇上南極環(huán)境惡劣,將使得鉆探作業(yè)難上加難。

為攻克相關(guān)技術(shù)難題,中國地質(zhì)大學(北京)極地鉆探技術(shù)研究團隊正與吉林大學、中國極地研究中心、杭州電子科技大學、中國科學院南京天文光學技術(shù)研究所等積極研發(fā)和測試清潔熱水鉆、潔凈可回收式熱融探測器、過程污染監(jiān)控和現(xiàn)場測試分析等技術(shù)與裝備,為今后揭開南極麒麟冰下湖的生命奧秘提供堅實支撐。

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