科技日報記者 宗詩涵 陳瑜
今年是中國極地考察40周年。第40次南極科學(xué)考察隊已圓滿完成考察任務(wù)并順利返回，目前科研人員正在對此次考察成果進(jìn)行后續(xù)研究。
在此次科考活動中，中國工程院院士、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）校長孫友宏前往冰蓋進(jìn)行鉆探位置踏勘及鉆探裝備檢查?？瓶计陂g，孫友宏團(tuán)隊成員首次成功進(jìn)入麒麟冰下湖區(qū)域，并圓滿完成了多項冰下湖鉆探選址調(diào)查工作。
“上天、入地、下海、登極，一代代鉆探人承古人之創(chuàng)造，開時代之生面，鉆出了中國深度，達(dá)到了中國高度?！睂O友宏日前在接受記者采訪時說，未來3年，中國將采用自主研發(fā)的冰下湖清潔取樣探測裝備開展麒麟冰下湖鉆探工作，此舉有望使中國成為繼美國和俄羅斯之后，第三個成功獲取冰下湖鉆探樣品的國家，進(jìn)一步彰顯中國在極地科考領(lǐng)域的實力。
從圖紙到實物
記者：您能簡單介紹下什么是鉆探以及我國鉆探技術(shù)發(fā)展歷程嗎？
孫友宏：鉆探作為地質(zhì)研究、資源調(diào)查和科學(xué)探測等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，是目前唯一能夠直接獲取地下實物信息的手段。
從手工鑿井到人力沖擊鉆，再到機(jī)械頓鉆，直至自動化鉆探，我國鉆探技術(shù)的發(fā)展跨越了從數(shù)米到超萬米的深度差異。鉆探技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)已拓展到深地深海深空探測、戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源勘探、重要資源能源開發(fā)、重大基礎(chǔ)工程施工、大型地質(zhì)災(zāi)害治理等各個層面。
記者：您是如何與極地鉆探結(jié)緣的？
孫友宏：我的極地鉆探之旅，緣起我的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。大學(xué)時期，我的導(dǎo)師、吉林大學(xué)教授張祖培邀請了他的老師——俄羅斯圣彼得堡礦業(yè)大學(xué)教授庫德里亞紹夫來給我們作報告。庫德里亞紹夫分享的7次南極科考經(jīng)歷以及俄羅斯在南極取得的科研成果，讓我對那片神秘的冰雪大陸產(chǎn)生了濃厚興趣。
從那時起，我便立志投身極地科考，為我國在該領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。多年來，我?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊不斷努力。過去，我們只能在黑板上向?qū)W生展示極地鉆探的理論和設(shè)備圖紙?，F(xiàn)在，我們能夠把這些圖紙變成實物，再把實物帶到極地，進(jìn)行實地鉆探。
記者：去年，您首次前往南極冰蓋進(jìn)行鉆探位置踏勘及鉆探裝備檢查。這次經(jīng)歷讓您有哪些不同的感受和發(fā)現(xiàn)？
孫友宏：2023年11月底到12月初，我有幸隨第40次中國南極科考隊前往中山站。這是我從事南極研究10多年以來，首次踏足這片冰雪世界。
這次南極之行，我們團(tuán)隊肩負(fù)兩項核心任務(wù)。首先，我們與俄羅斯團(tuán)隊共同在南極拉斯曼丘陵實施冰下地質(zhì)鉆探取樣項目，確定了鉆探地點，成功檢驗了團(tuán)隊自主研發(fā)的南極冰下地質(zhì)鉆探裝備，確保其功能與性能符合預(yù)期，并據(jù)此制定了詳細(xì)的鉆探施工方案。其次，我們空中考察了位于南極伊麗莎白公主地區(qū)域的麒麟冰下湖位置，體驗了南極極端惡劣的氣候條件，包括高寒、強(qiáng)風(fēng)暴等。這些經(jīng)歷為我們未來為麒麟湖鉆探進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與裝備研制提供了重要的參考。
記者：與大陸科學(xué)鉆探相比，極地科學(xué)鉆探有什么特殊性？
孫友宏：極地科學(xué)鉆探與大陸科學(xué)鉆探確實存在諸多不同。大陸科學(xué)鉆探主要面對的是高溫、高壓、高地應(yīng)力等環(huán)境挑戰(zhàn)，而極地科學(xué)鉆探則主要應(yīng)對極端的低溫環(huán)境。同時，極地科學(xué)鉆探的地層多為冰層，與堅硬的巖石地層相比，冰層更脆，這對鉆探工藝與裝備提出了不同需求。此外，極地地區(qū)地理條件特殊，帶來極地運(yùn)輸和后勤保障方面的困難，對鉆探裝備的性能和重量提出了新要求。
無論是大陸科學(xué)鉆探還是極地科學(xué)鉆探，取樣難度都非常大，獲得的樣品對于了解地球的形成環(huán)境和演化歷史有極高的科研價值。
記者：此前對冰下湖的研究主要借助冰雷達(dá)等間接手段。您認(rèn)為通過鉆探取樣的方式開展極地科學(xué)研究有什么優(yōu)勢？
孫友宏：冰下湖鉆探是開展冰下湖研究的主要技術(shù)手段，也是獲取冰下湖樣品和原位觀測的唯一技術(shù)手段。目前，我們團(tuán)隊在極地鉆探技術(shù)研發(fā)方面取得了顯著進(jìn)展，研發(fā)出了針對不同目標(biāo)的鉆探裝備。
針對冰層鉆探，我們研發(fā)的裝備能夠精準(zhǔn)采集冰芯。這些冰芯如同地球的“氣候記錄器”，記錄著過去的氣候變遷。通過分析冰芯，我們能夠洞察大氣中二氧化碳濃度的歷史變化，揭示地球氣候演變規(guī)律。同時，冰芯中的塵埃和氣泡內(nèi)的氣體成分，為我們了解火山噴發(fā)、森林大火等歷史事件提供了寶貴線索。
冰下巖石鉆探取樣的意義更加深遠(yuǎn)。巖石樣品是了解南極大陸地質(zhì)構(gòu)造、形成年代及演化過程的珍貴資料。通過分析這些樣品，我們能夠揭開地球古環(huán)境與古氣候的神秘面紗，為地球科學(xué)研究提供新視角。
冰下湖鉆探研究同樣具有不可估量的價值。例如，南極麒麟湖等封閉湖泊可能保存著數(shù)百萬年前的原狀湖水。這些湖水就像“時光膠囊”，封存著湖泊演化的歷史信息。通過研究這些湖水，我們能夠了解湖泊的演化過程，探索生命起源和演化的奧秘。
極地冰下湖研究不僅有助于我們深入了解地球本身，還為探索地球外其他星球是否存在生命提供重要參考。例如，對于那些擁有冰蓋的星球，我們可以通過研究冰下湖來推測其冰下可能存在的生命形式。
從跟跑到領(lǐng)跑
記者：近年來，我國鉆探技術(shù)主要在哪些方面取得了進(jìn)步？
孫友宏：我記得1983年上大學(xué)時，我們使用的鉆探裝備大多是仿照蘇聯(lián)制造的，教科書上的理論知識也主要源自蘇聯(lián)。
從事鉆探行業(yè)40余載，我深感我國鉆探技術(shù)的進(jìn)步是全方位的。無論是鉆探工藝還是裝備，都實現(xiàn)了創(chuàng)新和飛躍。
在鉆探工藝方面，我國經(jīng)歷了從提鉆取心到繩索取心，再到反循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)的變革。提鉆取心需要把整個鉆具全部從鉆孔中提上來才能取得巖心，效率較低。后來，我們引入了繩索取心技術(shù)，顯著提高了取心效率，也大大降低了鉆探的勞動強(qiáng)度?，F(xiàn)在，反循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)的應(yīng)用，使得我們可以在鉆進(jìn)過程中實時傳輸巖屑（心）至地表，實現(xiàn)邊鉆邊取的高效作業(yè)。
在鉆探裝備方面，我國實現(xiàn)了從機(jī)械式、液壓式，到自動化、智能化再到井口無人化的跨越。最初的鉆探裝備操作費(fèi)力，效率低下。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的鉆探裝備不僅操作便捷，而且顯著提升了鉆探作業(yè)的安全性和效率。
記者：您認(rèn)為目前我國的鉆探技術(shù)達(dá)到什么水平？
孫友宏：新中國成立后，經(jīng)過幾代鉆探人的努力，我國鉆探技術(shù)取得了長足進(jìn)步，但要全面達(dá)到國際領(lǐng)先水平還需時日。
在某些特定的研究領(lǐng)域，如南極鉆探領(lǐng)域，我國的技術(shù)與裝備已經(jīng)與國際先進(jìn)水平比肩，冰下湖清潔取樣探測裝備等甚至處于國際領(lǐng)先水平。
以極地鉆探技術(shù)為例。上世紀(jì)80年代，我國在極地鉆探技術(shù)方面還是空白。到了90年代，為了進(jìn)行冰川和冰蓋取樣，我國引進(jìn)了國外的淺層冰鉆裝備。到本世紀(jì)初，我國才開始計劃在南極開展深冰芯鉆探。俄羅斯、美國、丹麥和日本等國家在該領(lǐng)域起步較早，技術(shù)也比較領(lǐng)先。
在科技部、自然資源部、國家外專局、國家自然科學(xué)基金委等部門和單位的支持下，我們積極組建研發(fā)團(tuán)隊，開始了對南極鉆探技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)。
經(jīng)過約15年持續(xù)努力，我們?nèi)〉昧艘恍┏晒?，研發(fā)了系列極地冰鉆裝備，某些鉆探工藝和方法達(dá)到國際先進(jìn)水平。來自德國、丹麥、智利、俄羅斯等國家的研究團(tuán)隊也希望與我們合作，采用我們研發(fā)的設(shè)備進(jìn)行鉆探。
比如，在冰下湖清潔取樣方面，為了確保取樣過程無污染，我們研發(fā)了全新的技術(shù)方法。傳統(tǒng)的鉆探取樣方法需要采用鉆井液來維持孔壁的穩(wěn)定，但這樣會導(dǎo)致湖水樣品被污染，而我們研發(fā)的可回收式自動鉆探取樣探測器（RECAS）相當(dāng)于一個在冰中作業(yè)的機(jī)器人。潛入冰下前，它會先在地面對自身進(jìn)行消毒和凈化，確保無污染物；潛入冰下后，它會自動鉆進(jìn)，鉆開冰層，進(jìn)入湖水取樣，然后自動返回，實現(xiàn)封閉式無污染取樣。
這項技術(shù)是我們的一項重要創(chuàng)新，也標(biāo)志著我國在極地鉆探技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從技術(shù)跟跑到技術(shù)領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。
但在大型熱水鉆技術(shù)等領(lǐng)域，我們?nèi)孕枧ψ汾s。目前我們正在積極研發(fā)，力求在這些領(lǐng)域取得突破。
從深地到深空
記者：我國鉆探技術(shù)目前已經(jīng)在“入地”和“登極”等多個領(lǐng)域取得了顯著成果。未來鉆探技術(shù)的發(fā)展方向是什么呢？
孫友宏：在“入地”方面，2009年，我們開始研發(fā)“地殼一號”萬米大陸科學(xué)鉆機(jī)。2018年，“地殼一號”鉆井深度達(dá)7018米，創(chuàng)造了亞洲國家大陸科學(xué)鉆探新紀(jì)錄。十年磨一“鉆”，我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“地殼一號”攻克了高轉(zhuǎn)速全液壓頂驅(qū)系統(tǒng)、高精度自動送鉆系統(tǒng)和起下鉆自動排管系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。這一成果也標(biāo)志著中國成為繼俄羅斯、德國后，世界上第三個掌握地下萬米鉆探技術(shù)的國家。
在“登極”方面，我們組織研發(fā)了冰下基巖鉆、深冰芯鉆和冰下湖鉆等多套極地科學(xué)鉆探裝備。尤其是針對南極冰下湖清潔鉆探的技術(shù)要求，我們變革性地提出采用底部鉆具熱融鉆進(jìn)、頂部鉆孔凍結(jié)閉合的熱融鉆探方式進(jìn)行無污染探測取樣，解決了南極冰下湖無污染鉆進(jìn)采樣和觀測技術(shù)難題，填補(bǔ)了我國南極冰下湖探測技術(shù)與裝備的空白。
未來科學(xué)鉆探技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)多元化和深度化趨勢。在“上天”方面，我國已經(jīng)開始布局深空探測，在月球、火星等星球鉆探取樣將成為新的研究熱點。而在“下?！狈矫?，隨著“夢想號”鉆探船投入使用，我國在大洋鉆探領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇碌陌l(fā)展機(jī)遇。
記者：在深空鉆探和深海鉆探方面，我們需要解決哪些技術(shù)難題？
孫友宏：深空鉆探的環(huán)境極為特殊，可能面臨溫度變化、真空、低重力以及塵暴等極端條件。在這樣的環(huán)境下，鉆探裝備的可靠性、穩(wěn)定性和遙控操作的精準(zhǔn)性都至關(guān)重要。因此，我們需要研發(fā)出能夠適應(yīng)這些極端環(huán)境的鉆探裝備和技術(shù)，確保在無人操作的情況下順利進(jìn)行鉆探取樣。
深海鉆探則主要面臨海面風(fēng)浪、海中洋流、海底地層復(fù)雜多變等問題。鉆探裝備需要具備強(qiáng)大的抗風(fēng)浪、抗洋流能力以及穩(wěn)定的海底作業(yè)能力。同時，我們還需要保障深海環(huán)境下數(shù)據(jù)的實時傳輸和處理，確保鉆探過程的安全性和有效性。
記者：您曾經(jīng)說過，核心技術(shù)突破需要長時間的積累和努力。您認(rèn)為應(yīng)對“上天、入地、下海、登極”等極致挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是什么？
孫友宏：我認(rèn)為關(guān)鍵是要有明確的研究目標(biāo)、持久的耐力和不畏艱難的精神。首先，我們必須有一個清晰明確的研究目標(biāo)，這樣才能集中精力進(jìn)行有針對性的攻關(guān)。其次，突破核心技術(shù)往往需要長時間的積累和反復(fù)試驗，因此我們要有足夠的耐心和毅力去應(yīng)對各種困難和挫折，乃至失敗。最后，面對未知的挑戰(zhàn)和困難，我們不能退縮或放棄，而是要有勇往直前的勇氣和必勝的決心。只有這樣，我們才能在前進(jìn)的道路上取得更大的突破和進(jìn)展。
致青年科技人才
在這個充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇的時代，我希望你們要有自信，相信自己的能力和潛力，勇敢地探索未知世界、挑戰(zhàn)科學(xué)難題、攀登科技高峰。同時，我也希望你們要能自持，耐得住寂寞，坐得住冷板凳，不要急功近利，要有“十年磨一劍”的精神。此外，希望你們弘揚(yáng)科學(xué)家精神，為科學(xué)、為科研、為理想而奮斗。要有為國家為民族奉獻(xiàn)的情懷，將個人的發(fā)展與國家的前途命運(yùn)緊密結(jié)合起來。最后，我希望你們珍惜這個時代的機(jī)遇，抓住每一次機(jī)會去展示自己的才華和實力。相信在不久的將來，你們一定能夠成為支撐國家科技事業(yè)發(fā)展的棟梁之材。
——孫友宏
