《Journal of Marine Science and Engineering》：A Review of Chinese Attempts in Ice Drilling Technology
自20世纪70年代以来，中国在冰钻技术方面投入了大量努力；然而，仍缺乏对其成就的全面综述。本文综述了中国过去五十年在冰钻技术方面的进展。首先，总结第三极和极地地区的钻探项目。在第三极地区，已钻探超过120个钻孔，其中最深达324 m，最高位于珠穆朗玛峰峰顶。在南极，中国钻探活动主要集中在长城站附近以及中山站至冰穹A（Dome A）的断面沿线。关键成就包括冰穹A深度>800 m的冰芯钻孔、麒麟冰下湖（Qilin Subglacial Lake, QSL）3413 m热水钻孔，以及两支冰下基岩岩芯的获取。其次，综述中国研发的机械冰钻和热力冰钻。2010年代之前，中国仅有浅层钻探系统。此后，已研发一系列具备深部钻探能力的冰钻。未来钻探优先事项包括恢复冰穹A深部取芯、勘探QSL、在甘布尔采夫冰下山脉（Gamburtsev Subglacial Mountains, GSMs）进行冰下基岩采样，以及将活动扩展至西南极。同时，仍处于实验室或早期现场测试阶段的现有钻具需要进一步改进和验证，并应积极推进新型钻具的研发，如深冰芯钻、热力冰芯钻和柔性管空气反循环钻。
1. Introduction
冰川冰主要分布于山地冰川、冰帽和冰盖，覆盖地球陆地表面10%以上并含约75%淡水。冰钻是冰川调查的主要直接手段，分为机械冰钻和热力冰钻（thermal ice drills）。机械钻用于获取冰芯和冰下样品；热力钻曾用于取芯，现主要用于成孔、安装仪器和进入冰下湖。国际已钻成多个深度>2000 m冰孔，最深在Vostok湖达3769 m；冰下基岩钻和热水钻技术持续发展。中国自20世纪70年代发展冰钻技术，2010年代后研制冰下基岩钻、深热水钻和可回收自主探测器（RECoverable Autonomous Sonde, RECAS）等。本文为叙述性综述，检索Cambridge Core、Copernicus、ScienceDirect、MDPI及项目页面等，纳入中国主导钻探活动或中国研发冰钻系统，排除重复、无关和缺乏技术细节记录。
2. Drilling Projects
2.1. The Third Pole Region
自1980年代，中国在第三极（Third Pole）开展82个钻探项目，至少120个冰孔，覆盖青藏高原多数冰川。多数孔海拔5000–7000 m，部分>7000 m；珠穆朗玛峰峰顶近8848 m处据报钻至基岩，但孔深和芯长未报。少数位于3500–5000 m。高海拔低温，Muztag Ata冰川10 m深最低冰温?26 °C。Guliya冰帽钻至基岩309.7 m；Puruogangri冰帽2024年钻324 m，据称中低纬最深。第三极孔深一般<250 m，几乎均用于古气候和古环境研究，多用浅冰芯钻或手摇钻，不加钻井液；部分为国际合作。
2.2. Polar Regions
中国南极钻探始于1980年代末，初期在长城站附近Nelson和Collins冰帽取芯，深度<100 m。1992年后转向东南极，沿中山站至冰穹A（Dome A）断面取芯。2010年前Dome A最深冰芯孔133.71 m。2012年实施Dome A深冰芯项目，2017年达800.8 m，2018/2019南极季达803.54 m，后因资金和后勤暂停；使用日本JARE深冰芯钻。近十年自主研发南极冰下钻具（Antarctic Subglacial Drilling Rig, ASDR）、RECAS、多工艺钻探系统（Multi-Process Drilling System, MPDS）和深极地快速访问钻（Deep Polar Rapid Access Drill, DeepRAD）。2023/2024南极季ASDR钻541.12 m至基岩，获0.48 m基岩芯；2025/2026南极季DeepRAD在麒麟冰下湖（QSL）区域钻3413 m热水孔。极地钻探集中于研究站附近，南极孔少于第三极，仅两孔到基岩。
3. Mechanical Ice Drills
3.1. Portable Drills
3.1.1. Hand Core Auger
手摇冰芯钻（Hand Core Auger, HCA）最简单，用于<20 m浅取芯。中国南极考察多次使用PICO手摇钻；2014年吉林大学学生设计HCA。
3.1.2. Power-Driven Core Augers
动力驱动冰芯钻包括电池驱动冰芯钻（Battery-Driven Core Auger, BDCA）和汽油驱动冰芯钻（Gasoline-Driven Core Auger, GDCA）。BDCA多次用于中国南极考察，2025/2026南极季2 h钻10 m孔。GDCA可配桅杆，无桅杆约10 m，有桅杆名义最大50 m；因质量大，野外仅用无桅杆型。
3.2. Cable-Suspended Electromechanical Drills
电缆悬挂式机电钻是中国最广泛使用的冰芯钻探系统。中国已自主研发浅至中深系统，国产最大潜在钻深1400 m，但尚无自主深冰芯钻探系统。
3.2.1. Shallow Ice-Core Drills
浅冰芯钻一般<400 m。1989年CAREERI研制BZXJ-I A，后升级BZXJ-I B，在Collins冰帽取25支冰芯，总长>704 m。便携BZXJ-I C在青藏高原、北极和南极钻>24支冰芯，总长>440 m，去绞车和桅杆名义钻深20 m。BZXJ-II系列经改进，BZXJ-II B南极完成5孔，累计>220 m，单芯最大102 m；整个系列最大约300 m。吉林大学2015年研制浅层机电螺旋钻（Shallow Electromechanical Auger, SEMA），可取更大冰芯，但质量加倍；Kuokuosele冰川试验钻22 m，发现钻头和绞车电缆问题，改进后未再用。
3.2.2. Intermediate-Depth Ice-Core Drills
中深冰芯钻钻深>400 m且<1500 m。1995年曾设计目标500 m系统，但性能不佳，1998年测试最深略>50 m。为在东南极甘布尔采夫冰下山脉（Gamburtsev Subglacial Mountains, GSMs）取基岩，吉林大学2018年研制ASDR，名义深度1400 m，约55 t，含电缆悬挂式冰和基岩机电钻（Ice and Bedrock Electromechanical Drill, IBED），模块化，可取冰芯和最大2 m基岩芯。2018/2019南极季在D?lk冰川钻198 m孔，获约6 cm基岩芯；后在异常点钻至541.12 m，获0.48 m基岩芯。因后勤和资金限制，尚未在GSMs取芯。
3.3. Subglacial Bedrock Drills
中国设计MPDS，目标在1000 m厚冰下取10 m基岩芯。MPDS由钻机、钻杆模块、空气系统、钻井液循环系统和发电机组成，不取冰芯；用压缩空气和钻井液反循环排屑，标准绳索取芯钻取44 mm基岩样。系统可装入20英尺集装箱，可拆分为<4 t子系统。空气供气10 Nm
3·min
?1，压力1.5 MPa，冷却至≤?5 °C，露点?40 °C；钻井液流量100 L·min
?1，压力2 MPa，冷却至≤?2 °C。2024/2025南极季试验钻110 m孔，未获基岩样；现场深度远低于设计，基本验证总体设计和操作可行性，但需重大改进，目前问题已解决并准备南极测试。
3.4. Air Reverse-Circulation Drill
空气反循环钻拟用于600 m内1.5天快速冰钻，采用双壁钻杆，内管连续输送岩屑和冰芯。冰钻需空气处理装置冷却和干燥压缩空气，已开展钻头设计、冰芯输送和注气参数研究，但无物理钻具。2025年将无取芯空气反循环系统纳入MPDS，现场性能差；2023年提出柔性管系统，尚未建造。
3.5. Mechanical Drill for Sidewall Ice Coring
侧壁机械复制器（Sidewall Mechanical Replicator, SWMR）用旋转切割从现有孔获取复制冰芯，设计冰芯直径80 mm，钻速4.7–14.89 m·h
?1。系统含上下热头防卡，经铠装电缆下放，支撑架锚定，扩孔后取芯。冰井实验室试验验证可行性，但稳健性、钻井液适应性和现场验证仍需努力。
4. Thermal Ice Drills
4.1. Steam Ice Drill
蒸汽冰钻用于安装温度传感器或标志杆，不取冰芯，因软管热损失钻深仅数十米。中国自1976年研制QZ1–QZ4，主体LF6铝合金，工作压力0.98 MPa。1977年QZ1钻15 m孔，钻速前5 m为27.2 m·h
?1，15 m仅3 m·h
?1；1978年QZ2钻最大18 m孔，平均18 m·h
?1；QZ4在Batura冰川钻>30孔；软管热损失>30%，有时50–70%。
4.2. Hot-Water Drills
热水钻钻速最快，用于冰架下海洋腔观测、冰下沉积物取样、内部结构调查和冰下湖清洁访问。浅热水钻一般<400 m，深热水钻>1500 m。
4.2.1. Shallow Hot-Water Drills
1982年CAREERI研制Glacier I，在乌鲁木齐河源1号冰川钻109.91 m至基岩。Glacier II提高水温、流量和压力，1994年在海螺沟冰川钻5孔，4孔至基岩，深122、147、125和106 m。2018年吉林大学设计浅热水钻（Shallow Hot-Water Drill, SHWD）I，名义100 m；2021/2022南极季在D?lk冰川钻90 m孔，平均约30 m·h
?1。2023年升级SHWD II，最大200 m；2025年在老虎沟12号冰川钻6孔，总深663 m，最大单孔141 m，平均20–25 m·h
?1。
4.2.2. Deep Hot-Water Drill
中国极地研究中心设计深热水钻（Deep Hot-Water Drill, DHWD）用于Amery冰架下海洋腔，计划钻10–12孔至2100 m。设备装于20英尺集装箱，为中国首套深热水钻；冰井测试钻4个9 m孔，钻速38 m·h
?1，孔径0.40–0.46 m；因资金和后勤取消现场部署。近期研制DeepRAD，用于QSL清洁钻探，配UV和过滤，热水经板式热交换器加热，设计流量210 L·min
?1、约85 °C，孔径≥300 mm。2025/2026南极季在QSL区域钻3413 m冰孔，为热水系统最深冰孔；计划2026/2027完成QSL勘探。
4.2.3. Hot-Water Coring Drills
中国设计常规和带容积式马达（Positive Displacement Motor, PDM）的热水取芯钻。常规型与DHWD集成，核心管内径96 mm，冰井试验最佳水温50 °C、流量42–55 L·min
?1，冰芯直径40–59 mm，钻速15.6–27.7 m·h
?1，但冰芯融化严重。PDM型用热水驱动PDM切冰并融化冰屑，冰井试验最佳水温仅5 °C，流量96 L·min
?1时最大冰芯直径84 mm。两者均未现场试验，需优化和验证。
4.2.4. Ice Drill with Near-Bottom Hot-Water Circulation
近底热水循环冰钻在孔底直接加热水射流，省去长软管和地表泵，主要用于冰下湖或外星冰下海洋。2021年吉林大学设计5.5 kW原型，实验室最高钻速2.5–3.1 m·h
?1；单孔口3 mm喷嘴和35°前角九喷嘴钻速最高，后向孔喷嘴利于平滑钻进和扩大孔径。
4.3. Hot-Point Drills
4.3.1. Shallow Hot-Point Drills
浅热针钻（Shallow Hot-Point Drill, SHPD）用于安装消融杆、测冰厚、定位冰内/冰下溪流和测温，可在雪-粒雪中融出直径34 mm孔至30 m，质量约30 kg，一人可操作。2018/2019南极季沿中山站–Dome A断面钻16孔，深10–21 m，总约244 m，平均约10 m·h
?1。
4.3.2. Recoverable Autonomous Sonde
RECAS概念2014年提出，两端双热头、内置绞车，可双向穿透；向下钻时融水重冻结隔离钻孔，可清洁采样冰下水。初始目标3500 m、4–5月返回。吉林大学2016年起研制原型，最终最大钻深500 m，长约7.3 m，质量>330 kg。2021/2022南极季在D?lk冰川钻3孔，深200.3、183.2和133.5 m，加热功率9.96 kW时向下2.11 m·h
?1、向上3.6 m·h
?1。提出可转向热头避障，但最大理论偏差仅0.67°，未现场验证。
4.4. Thermal Drill for Sidewall Ice Coring
热力侧壁冰芯取芯器（Thermal Sidewall Ice Corer, TSIC）用于现有钻孔侧壁水平采样，冰芯直径19–26 mm、最大0.5 m，加热功率600 W时钻速2 m·h
?1，仍为实验室原型。侧壁热复制器（Sidewall Thermal Replicator, SWTR）结构类似SWMR，900–2100 W时垂直融化速率1.63–3.07 m·h
?1，冰芯直径57–64 mm；仅实验室测试。
4.5. Laser Ice Drill
中国近年才开始激光冰钻研究，尚无实际激光冰钻。研究集中于实验室可行性，实冰实验表明最佳功率90–120 W时最大钻速4.5 mm·s
?1，能耗较低。
5. Summary and Outlook
中国已提出和研制数十种冰钻，但与国际先进水平仍有差距。未来应改进现有钻具、开发新钻并在实际工程部署。第三极继续冰芯钻探并更多使用浅热水钻和浅热针钻；极地计划2026/2027用DeepRAD勘探QSL，建议恢复Dome A深冰芯钻探以获取>100万年冰，改善后勤后开展GSMs基岩采样，沿中山–Dome A断面和秦岭站附近扩大钻探。机械钻方面，急需400 m超轻浅冰钻，缺乏自主深冰芯钻；改进MPDS并重视空气反循环钻，长期目标3000 m。热力钻方面，中国较成熟，应设计中等深度热水钻、增强RECAS能力、开发近底热水循环钻和常热冰芯钻；激光冰钻应聚焦外星应用。
6. Conclusions
(1) 第三极至少120个冰孔，Puruogangri 324 m最深，珠峰峰顶最高；多数用浅机电冰钻取芯。
(2) 极地冰孔集中于长城站附近和中山站至Dome A断面；Dome A冰芯孔>800 m，QSL热水孔3413 m，获两支基岩样（6 cm和0.48 m）。
(3) 2010年代前以浅钻为主，后研制ASDR、RECAS、MPDS、DHWD、DeepRAD，并提出空气反循环钻、侧壁取芯钻、热水冰芯钻、近底热水循环和激光冰钻等。
(4) 部分新钻现场表现不佳或仍处实验室阶段，未来需改进和现场测试；拟研制深冰芯钻、热力冰芯钻和柔性管空气反循环钻。
(5) 未来继续第三极冰芯钻探，极地完成QSL、Dome A深冰芯和GSMs基岩采样，并沿中山–Dome A断面和秦岭站附近钻探。
