在地球的最南端的南极洲以其极端低温和广袤的冰原而著称。这里厚厚的冰硼，就是从南极大陆延伸到海里的冰盖，蕴藏着珍贵的地球历史信息。

自1992年以来，南极洲已经失去了约2.71万亿吨的冰，这些冰层的融化不仅反映了地球气候变化的趋势，也为科学家们提供了研究古气候的独特机会，通过钻探这些形成于数百万年前的冰层和沉积物，来查找地球气候变化的自然史。

图1 南极洲的融冰

美国南极钻探计划（Antarctic Drilling Project，简称ANDRILL）是一项旨在揭示南极洲及其周围海域地质历史的科研项目。该项目自启动以来，已经在南极洲的麦克默多地区进行了多次钻探作业，包括2006至2007年的麦克默多冰棚钻探（McMurdo Ice Shelf Project）和2007至2008年的麦克默多南部海盆钻探（Southern McMurdo Sound Project）。这些钻探作业获取了长达数千米的沉积物岩芯，为科学家们提供了关于南极洲冰川进退轮回的重要证据。

图2 在南极洲的ANDRILL设施外，可见待上工的钻杆。

麦克默多冰棚钻探平台建立在厚达84米的浮动冰层之上，其钻探深度达到海底以下约1000米。这个平台的设计专门针对南极洲的极端环境，包括-50°C的低温、12级以上强风和动态变化的冰层。钻探过程中，科学家们使用旋转式钻探设备，成功获取了连续的岩芯样本。这些岩芯样本记录了南极洲新生代晚期的古环境演变历史，为古气候研究提供了高分辨率数据。

通过对这些岩芯样本的实验室分析，科学家们不仅能够量化南极洲冰期的变化幅度，还能够评估未来的气候变暖趋势。这对于理解全球气候系统和制定减排政策具有重要意义。此外，岩芯中的有孔虫化石和包裹体气体也为科学家们提供了关于古大气组成的直接证据，有助于验证过去的气候模型。

图3 冰芯亦可用来了解过去的气候变化

除了麦克默多冰棚钻探外，ANDRILL项目还在麦克默多南部海盆进行了海底沉积物钻探作业。这次钻探作业获取了中新世早期（约23百万-16百万年前）的沉积物岩芯。科学家们利用这些岩芯样本和数值模拟，精确重建了南极洲的冰川动力学过程以及冰盖进退的速度、规模和频率。这些定量数据对于预测未来全球海平面变化和评估气候系统敏感性至关重要。

在钻探过程中，ANDRILL项目采用了模块化的深海钻探系统。其中，UDR公司制造的液压旋转钻机是钻探系统的关键设备。这款钻机源自矿产勘探领域，但经过极地适应性改造后，能够稳定运行于南极洲的极端环境。它采用动态定位技术抵消冰棚潮汐形变的影响，并通过300吨级主绞车和柔性海中竖管等子系统，将钻探器具精确定位到目标层位。全断面取芯钻机则负责保持原状采集沉积物样本，确保后续实验室分析的数据可靠性。

图4 岩芯记录了4000万年来冰川消融与结冰的相关信息

岩芯连续记录了4000万年来南极冰盖动态演化的高分辨率信息。通过ANDRILL项目的多学科研究，科学家们确认南极洲西部的冰盖系统在上新世（5.3百万-2.6百万年前）曾经历过冰期－间冰期轮回，那时在全球平均温度比现今高2-3°C的时期，南极洲西部冰盖可能退缩呈现出了边缘海地貌。此外，沉积相分析和生标化合物研究还定量重建了地质历史时期海平面波动幅度以及古大气CO2浓度变化。这些发现为古气候模拟提供了关键边界条件。

图5 实验室中的技术人员将三米长的ANDRILL岩芯切成每段一米

岩芯处理实验室的技术人员将标准3米长的ANDRILL岩芯按研究需求分段处理。ANDRILL项目的研究方法体系还包括海底沉积物粒度分析、树木年轮气候学以及冰芯δ18O同位素测定等多指标手段。这些代用指标相互校准验证，构建了第四纪以来最完整的南极古环境演变序列。

南极洲深部钻探是地球系统科学的前沿领域。ANDRILL项目通过创新性的技术手段和系统的分析工作，不仅解码了南极冰盖－海洋－大气耦合过程，更为预测未来气候变化情景提供了类比分析的地质实例。这些科学认知既深化了对地球气候系统的理解，也为应对气候变化的政策制定提供了基于实证的决策依据。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：陈会忠 中国地震局地震预测研究所研究员

来源: 科普中国创作培育计划

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