冰川下存在水吗

一种实验性的、假设的发现冰下湖在冰原下面Vostok站是在1964年完成的，后来又推断出1968年在下面的冰盖下与液态水进行了直接接触伯德站．

1959年，卡皮察博士利用一种新技术对该地区进行了第一次地震研究，为了解东方站附近冰盖的冰川学进行了非常重要的测量。根据他以前在南极洲地震测深的经验，他发现将检波器放置在冰盖上的雪表面附近，在解释地震图上由于背景噪声而产生的反射信号时，可能会产生错误。为了减少噪音，他将检波器尽可能地放置在冰盖深处，有些深度达40米。一个专门为检波器钻孔的钻机被雪橇和拖拉机运送到Vostok站，这导致了地震记录的显著改善。Kapitsa(1961)在1958年指出，Vostok站的冰盖厚度约为3700米，而不是以前认为的2000米。图3.1是卡皮察博士进行这些测深时的照片。

1963年，在东方站对冰层厚度进行的第二次地震研究中，卡皮察记录了底部区域的两次反射。他把上面的反射解释为3,750米深的冰的下界，把下面的反射解释为冰冻沉积层的下界(Kapitsa, 1968)。

科学界花了30年的时间才知道这两个反射之间的空间是水沃斯托克湖．在此之前，地震记录从未发表过，也从未供其他科学家研究。地震记录在1994年第一届沃斯托克湖研究国际研讨会上被重新解释，上面的反射被确定为冰/水边界，“沉积层”被确定为现在被称为沃斯托克湖的500米水层。这张地震记录和在东方站冰盖下发现厚水层的发现是由卡皮察博士提出的

图3.1。卡皮察博士当时正在重新解释他在沃斯托克站拍摄的地震图。

1994年在罗马召开的南极研究科学委员会(SCAR)会议上。它被代表们以极大的热情接受，并于1996年出版(Kapitsa et al.， 1996)。地震图如图3.2所示。

令我感到惊讶的是，卡皮察博士和我都没有试图将这第二次海底反射与冰下湖的概念联系起来。我们都想过这个问题，当时都绕开了这个话题，但没有继续下去。我们关于东方站下方冰盖底部永久融化的合作工作和讨论，以及冰下湖存在的可能性已经发表。

1963年，卡皮察博士和我提出了一个冰下自主站(SGAS，俄语为PLAS)的项目，用于南极冰盖的渗透，以研究底层水层和可能的冰下湖。该项目以一个小型核电站为基础电厂作为SGAS的密封容器的一部分，它将被降低，其中将包含适当的仪器和设备。核电站必须产生足够的能量将SGAS融化到冰盖底部。不需要洞，因为SGAS会下沉到一个水洞中，因为它下面的冰融化了，产生的融水会在它上面重新冻结。与冰盖表面的通信将通过无线方式保持。该项目由苏联科学院原子能研究所(现在的库尔恰托夫研究所)在一次特别会议上批准，该研究所同意提供一个100千瓦的小型核能反应堆，小到可以安装在SGAS直径0.9米的圆柱形容器中。然而，这个项目从未实现。我们一开始就犯了错误

40米

3 d m

^ VNIVMNI

首先反射冰水界面

第二次反射占据了地板

图3.2。A. P. Kapitsa于1964年在Vostok站拍摄的地震图，1993年由他重新解释，并于1994年提交给SCAR会议(改编自Kapitsa et ai, 1996年)。该图代表了带有两个底部反射的24道地震记录的剖面。1965年，“第一次反射”和“第二次反射”之间的空间被解释为沉积层(Kapitsa, 1968)——这个观点直到1993年才被接受。1994年，这个数字的第一个反映被重新解释为冰水界面(Kapitsa等人，1996年)。该图记录了在垂直线上的运动地震检波器在距离爆炸180米的钻孔中，从49米到2.5米深。这段时间是在39米深的地方引爆5公斤TNT炸药后的1.85-2.9秒。12个地震仪以20米间隔的常规水平分布记录了相同的回声，这些没有显示出来。来自冰盖底部的回声被解释为冰水界面，在大约1.91秒的时候首先到达最深的地震仪(49米)。然后，它沿着地震仪线向上传播到地面，在那里它向下反射，大约50毫秒后通过49米的地震仪。平均速度约为2,200 m s_1，是该地区沼泽顶部50 m处典型的压缩(P)波。在第一波到达约45毫秒后，由于爆炸在39米深处的初始表面反射，第二波列的强度和持续时间相似。在大约2.00到2.63秒之间，当一个较弱的波列以相同的速度上下通过地震仪线时，没有明显的能量返回。这证实了它们是压缩波(P)波，唯一在水中传播的波，而不是横波(PS)波，横波有时被记录在冰架上(Kapitsa et al, 1996)。

计划仍然是一个严格的国家项目，因此是保密的(因为核能反应堆是保密的)。SGAS从未建成。在一个类似的例子中，菲尔伯斯(Philberth, 1974)设计了一个热探测器，在表面有一个能量供应，它向下融化穿过冰层，融化的水在探测器上方重新冻结。阻止这一实验实现的一个因素是核动力装置——这在20世纪60年代引起了关注。此外，我们不知道如何将SGAS回收到冰盖表面。我们不能放弃它，因为南极条约禁止在南极洲处置放射性废物或建造核电站。尽管如此，写提案表明我们正在认真考虑冰盖下是否存在一个湖。这个湖暂时没有被发现。

几年前，人们再次讨论了使用核能穿透冰层的想法。将SGAS带回地面的问题得到了解决，至少在理论上是这样的:SGAS被设计成漂浮在水中——它将倒置，热的一面朝上，这样它就可以在返回地面的过程中融化再冻结的冰(Zotikov, 1993)。

在1993年的第一次剑桥研讨会之后，这个想法在1994年得到了新的讨论，当时沃斯托克站下面确实存在一个巨大的冰下湖。同一个原子能研究所(现在的库尔恰托夫研究所)同意我的建议，设计一个新的、不同的装置。该研究所建议使用一种由核热电厂提供动力的机组，该机组将产生0.5-2兆瓦的热量和10千瓦的电力，并能够在沃斯托克湖这样的环境中持续多年。

然而，对于以发电厂的形式使用核能的普遍态度发生了变化，因此这种类型的发电厂不太可能被接受用于这种应用。另一方面，这个概念可以用来制造SGAS设备，用于研究木卫二(木星的卫星)的冰下海洋，或者火星的冰下湖泊(NASA的冰冻机器人概念)。然而，使用核能穿透木卫二冰层的想法很可能会遭到环保组织的强烈反对，因为用于钻探的核能设备首先需要从地球发射到太空。

回到20世纪60年代中期，1965年，作为美国南极计划的一名俄罗斯交换科学家，我在南极洲的麦克默多站度过了第二次越冬。由于试图让一个自制的钻头在边缘上产生一个洞罗斯冰架在麦克默多附近，我与美国陆军寒冷地区研究与工程实验室的钻井团队有过密切接触。他们有当时世界上最好的钻探设备，打算在伯德站钻到冰盖的底部，收集冰芯并测量温度冰的温度等等。那里的冰盖厚度超过2000米，而该站位于我地图上的底部融化区域上方。我们讨论了这个问题，但我有一种感觉，他们没有认真对待底部融化的建议。

又过了两年，1967年2月2日，伯德站安装了一个87英尺(29米)长的大型电热钻机，开始了它的目标

图3.3。伯德站的美国电钻单元(改编自上田和加菲尔德，1969年)。1968年，伯德站的这个装置穿透了2000米的冰盖，到达底部，遇到了液态水。

终止

测斜仪

计数器

部分

作为pjra lora all EH

电

电动机

离心

泵

Gf基于“增大化现实”技术

REOUCEft

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电动机

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图3.3。伯德站的美国电钻单元(改编自上田和加菲尔德，1969年)。1968年，伯德站的这个装置穿透了2000米的冰盖，到达底部，遇到了液态水。

冰盖的底部——这是南极洲首次尝试到达其中心区域的底部。图3.3给出了这个钻井程序的一些细节。上田和加菲尔德(1969)的一份报告是这样写的:

1968年1月29日，美国CRREL钻井队在钻穿7100英尺(2367米)厚的冰后，在伯德站成功地穿透了南极冰盖。

这些话被自豪地写在了报告的介绍中，报告接着描述了钻井过程中遇到的问题。大部分钻井作业是由CRREL公司于1964年从俄克拉荷马州巴特尔斯维尔的Reda Pump公司购买的电缆悬浮机电旋转取心电钻完成的。它是由公司负责人阿梅斯·阿鲁图诺夫发明的，他是一名石油勘探工程师。经过改进和冰取芯测试后，它于1966年在世纪营被用于穿透格陵兰冰盖(Ueda和Garfield, 1968年，1969年)。经过进一步的修改，它在1966-1967年和1967-1968年的南方夏季在伯德站使用。

值得注意的是，在伯德站的钻井报告中，“钻井的主要目标是:(1)在冰盖上完全凿出一个洞，以便测量温度剖面、冰盖内的冰流以及相对于底层的冰流;(2)为研究冰的物理、结构和地球化学性质提供连续的、不受干扰的岩心;以及(3)允许未来就地提取被困在大气中的气体，如用于测定冰年龄的二氧化碳”(Ueda和Garfield, 1969)。

在主要目标中，没有提到在冰盖底部遇到液态水的可能性(或兴趣或危险)。但是，报告确实提到在基地遇水的事件，报告的原话是:

1968年1月28日，在垂直深度7082英尺(2360.7米)处，第一次记录到亚冰碎片的迹象……在接下来的下入作业中，在7101英尺(2367米)深的地方，功率突然下降，电缆张力随之增加，这表明钻头遇到了材料的突然变化。经过对后续事件的分析，后来得出的结论是，据作者估计，这层水不到一英尺厚。几分钟后，功率增加，钻井持续至7105英尺(2368米)深，含更多岩石和土壤碎屑的7.5英尺(2.5米)岩心被冻结在岩心筒的上部。未发现亚冰芯。

由于设备维修，在几小时后进行了第二次下入作业，发现井眼内的流体已经从距离地面630英尺(210米)上升到313英尺(104.3米)。乙二醇柱从5,743英尺(1,914米)上升到5,557英尺(1852米)。

在这一戏剧性事件发生大约30年后，1977年，我在罗斯冰架416米的地方钻了一个洞。我遇到了一个水位，就在冰下海水几米之前，经历了与伯德站钻井类似的事件(Zotikov, 1979)，这表明已经到达了冰下水，上升的液位意味着水很快就会遇到洞的上部，较冷的部分并冻结。因此，信息很明确——所有的设备都必须在被冻结在洞里，从而损坏，可能无法恢复之前移走。在这个领域工作了30年之后，事后回想起来很容易。在1968年1月的最后几天，在伯德站钻探工程期间，报告中的进一步评论值得重复:

．.．各种钻头表面都出现了生锈的迹象，这是以前从未注意到的现象。这种亚冰物质性质的唯一可见证据是钻头表面的粘土薄膜。

．.．井下水被困在钻段中，在出井过程中冻结，开始产生严重后果。高冻结力对钻头部分的损坏造成了额外的问题和延误。因为害怕……由于钻头丢失，在1968年2月2日停止了获取亚冰样本的尝试。

巧合的是，在1968年初，我完成了我的DSc的草稿。论文(Zotikov, 1968)，南极冰盖中部的永久性底部融化是其主要主题之一。1968年6月11日是我在列宁格勒南极和北极研究所科学理事会的论文答辩日(在俄罗斯我们用这个词代替法国的“考试”)，这对我来说是一个非常重要的日子。在场的许多科学家都不相信南极冰盖中部的底部有温暖的底部冰和液态水，我在这个问题上得到了我国两位著名冰川学家的负面评价，这是论文的主要主题。有人向我提到，北极和南极研究所科学理事会同意我的想法是有问题的。

就在“考试”前夕，我收到了来自美国朋友的一条重要而及时的信息南极钻井团队。他们告诉我，他们在伯德站到达了冰盖的底部，意外地发现了水。

我把这封电报留到辩护当天，在适当的时候，科学委员会的秘书读了它。也许是因为理事会的每个人都一致投票赞成我的论文。出乎意料的是，科学界的不确定性如此之高，以至于苏联最高认证委员会又花了两年时间才批准科学委员会的决定。

关于伯德站的钻井作业，应该提到的是，能回收的钻头很少，因此很难进一步进行实验，因此作业完全停止了。设备制造商没有得到延长合同，因此世界上最好的冰帽钻探项目的经验、技能和动力都失去了。

美国南极计划花了近15年的时间才恢复到国际水平deep-ice钻探。

我很少读到任何提到伯德站下面的冰盖下可能存在液态水的文章;同样，文献中也没有关于防止水进入和上升钻孔所需的必要预防措施的信息。例如，将未冻结的钻井液柱放入井中以补偿山压并防止井眼关闭，增加柱的高度可以防止一系列关闭井眼和钻井设备周围冻结的事件发生。此外，直到20年后，才有人预料到水中存在生物的可能性。

1任何深度的山压是俄罗斯采矿工程师的行话，意思是等于该深度以上岩石柱(在这种情况下是冰柱)的静水压力。

继续阅读:用无线电回声探测发现冰下湖泊

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