極地冰層取心

極地冰層取心鑽進實際包括雪層鑽進和冰層鑽進。由於雪層的滲透性很高，沖洗介質（低溫液體和壓縮空氣）會在孔壁和孔底漏失，對鑽孔周圍的環境造成污染，因此最好使用對生態環境完全無害的螺旋取心鑽具。在冰層中鑽進時，為保證沖洗介質的正常循環，必須用套管隔離雪層。冰層鑽進主要用熱力（電熱或蒸汽）或機械（衝擊或迴轉）的方法。

基本介紹

• 中文名：極地冰層取心
• 外文名：Polar ice cores
• 學科：水利工程
• 領域：檢測
• 內容：雪層鑽進和冰層鑽進
• 方法：熱力或機械的方法

簡介

世界許多國家已經將極地研究作為發展戰略之一。無論是對全球氣候變化過程與規律研究，還是對冰蓋結構、冰下地質構造的研究，以及對極地礦產資源的勘探與開發都離不開冰層取心鑽探。為此在極地冰層取心鑽探工作就顯得尤為重要，它是獲取冰心以及冰層下部的基岩樣品的重要手段之一。而這些樣品可以提供沒有污染的遠古年代的氣體，進而獲得準確的古氣候信息，這是研究氣候變化、預測未來氣候變遷、古生物標本、生命起源與進化的重要依據；同時也是獲得極地地質結構、礦產資源儲備與分布的重要依據。開展極地對氣候變化影響的研究內容已列入我國枟國家中長期科學和技術發展規劃綱要。

隨著深度的增加，維持冰層穩定就成為一個突出的問題。相對於常規鑽井而言，南極深部冰層取心鑽進對鑽井液的要求更高，不僅要求鑽井液在超低溫條件下具有良好的流變特性，能起到常規鑽井液沖洗鑽孔和保護孔壁的作用，而且要求其具有安全、環保以及應對所鑽冰層和所取冰心無污染等特性。針對在極地冰層鑽進中已經使用過的鑽井液類型與特點進行研究分析，發現它們都存在各種安全、環保或其它技術問題，不能完全滿足南極科學鑽探的要求。因此，尋找一種新型安全、環保的耐低溫鑽井液是開展極地冰層取心鑽進最緊迫的任務之一。

極地冰層取心鑽進的特點與鑽進方法

南極科學取心鑽探的地層主要包括積雪層鑽進、冰層鑽進和冰下岩層鑽進。南極積雪層厚度一般在100m左右，密度<830kg/m3 。由於積雪層的滲透性非常高，鑽進難度不大，通常採用乾鑽取心，待鑽孔鑽達預定的深度後，下入套管進行隔離。冰是一種具有非線性的流變介質的特殊地層，在上覆岩層壓力的作用下，將產生比較大的側向壓力，在這種側向壓力的作用下，當應力較小時也可使其產生屈服而蠕變，過大的變形將導致鑽孔的縮徑甚至塌孔。同時，隨著鑽孔深度的增加，冰層的溫度逐漸上升，蠕變特性也越明顯。在這種地層鑽進時，國內外多採用孔底馬達取心鑽進的方法，使用特定密度的耐低溫鑽井液平衡冰層壓力，維持孔壁的長期穩定。在南極冰層下，在水的長期作用下，不可避免地存在著風化破碎層，可能導致鑽孔的漏失。在完整的岩層，其可鑽性等級可達9～10級，可採用孔底馬達孕鑲金剛石取心鑽進。

鑽井液在極地冰層鑽進中的主要作用

由於南極地表與所鑽冰層的特點和所採用的鑽進方法，為保證鑽進工作的順利進行，鑽井液的主要作用是：

（1）保證獲取具有高的完整性、代表性和純潔性的冰心（或岩心）；

（2）平穩冰層壓力，保護孔壁穩定；

（3）清洗孔底，冷卻鑽頭；

（4）懸浮和攜帶冰屑等。

極地冰層取心鑽進對鑽井液的要求

根據南極冰層取心鑽進地層的特點及科學鑽探的內容，用於冰層取心鑽進鑽井液應該滿足以下要求：

（1）為保證孔壁的穩定及獲取高質量的冰心樣品，所使用的鑽井液應具有非水溶性；

（2）南極冰層溫度為－30～－60℃，此時冰層的密度應在830～925kg/m³ 。同時由於冰層具有比較強的蠕變性，為維護鑽孔的孔壁穩定，鑽井液密度應該接近於所鑽冰層的密度，且鑽井液的密度可在一定範圍內調整，既維護孔壁穩定，也不會影響鑽具的下放和鑽進效率；

（3）在－60℃時條件下，粘度應在10～15mm²/s，由於採用鎧裝電纜鑽具，因此在保證攜帶冰屑的條件下，過大的粘度不利於鑽具的提升和下放；

（4）鑽井液的凝固點應低於－60℃；

（5）鑽井液對鑽具和電纜組件無腐蝕性；

（6）在儲存、運輸和使用過程中性質穩定，不易燃、易爆；

（7）應對人體無毒副作用，並可生物降解，不污染環境；

（8）鑽井液來源廣泛，價格低廉。

極地冰層取心的目的

極地冰層取心的目的主要是通過了解未被擾動的深部冰層的成分構成、細微物質（隕石微粒、核爆微粒、火山灰、細菌、孢子花粉等）含量、形成年代等，以對古氣候、古大氣成分及古地理環境作出正確推斷。因此要特別注意保持冰心的原始性狀，除了避免融化外還要防止任何外來物質的污染。

格陵蘭冰蓋取心鑽孔最深為3029m，是1992年7月12日鑽成的。1999年1月8-11日中國南極考察隊用蘭州冰川研究所研製的螺旋式取心鑽具在中國長城站以南1000km的冰蓋處進行了迄今為止南極大陸海拔最高（3800m）的冰心鑽探，取得了具有極高科學價值的百米冰心，同時也打破了我國冰層深度的紀錄。