南极冰盖下分布有大量的湖泊、河流和溪流网络。根据最新估计，冰下湖总表面积接近冰盖底部面积的10%，有文献报道的南极冰下湖数量已达675个。冰下湖研究对于阐明湖泊形成的动力机制、分析湖泊演化过程及其对原始生命进化的影响、反演冰盖历史、获取古气候记录和分析冰下水环境对冰盖动态演化影响等具有重大科学意义。冰下水环境的发现在短时间内开辟了一个全新的科学领域。

南极冰下湖分布

冰下湖科学钻探取样是开展南极冰下湖水质理化特性与微生物特征研究的前提条件。为了实现冰下湖无污染钻探，南极研究科学委员会（Scientific Committee for Antarctic Research，SCAR）制定了冰下水环境钻探和研究行为准则。准则指出，钻探中应记录钻井液中的化学和生物污染物，并应尽可能使用清洁钻探和取样技术。根据这一行为准则，在过去十年中已有3个国家进行了4次冰下湖钻探尝试，以穿透上覆冰盖至冰下湖进行湖水原位参数测量或采样。

2012年2月，俄罗斯利用深冰芯钻探技术在3769.3米的深度首次钻入南极最大的冰下湖—Vostok湖。湖水涌入钻孔下部并在孔内发生冻结，随后通过获取冰芯的方式获取了冻结湖水样品^[7，8]。遗憾的是，孔内钻井液与进入钻孔的冰下湖水混合，导致冰下湖水样受到污染，使与其相关的科学研究变得毫无意义。2013年1月28日，美国WISSARD（Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling，WISSARD）项目团队利用清洁热水钻探技术钻入西南极Whillans冰下湖，获得了冰下湖水和沉积物样品，这是世界上首次成功获取清洁的南极冰下湖水样品，并进行了大量古气候和微生物研究。随后，美国SALSA（Subglacial Antarctic Lakes Scientific Access，SALSA）项目团队于2018年使用同一热水钻系统，钻入西南极Mercer冰下湖。2012年，英国南极调查局试图采用清洁热水钻对西南极Ellsworth冰下湖进行湖水和沉积物取样，但最终以失败告终。英国南极调查局和智利科学研究中心目前正计划对西南极CECs冰下湖进行科学钻探。

尽管清洁热水钻探方法可以在很大程度上避免冰下湖污染，但由于冰下湖水和钻孔中热水之间的物质交换，仍然存在污染冰下湖的风险。为了实现冰下湖无污染钻进和取样，P.G. Talalay等人于2014年提出了RECAS的概念，其最大的特征在于可以通过安装于探测器内部的电缆收放装置实现探测器向下钻进和向上返回，原理如同蜘蛛利用吐丝和收丝实现下降和爬升一样。在向下钻进过程中，内部绞车放缆，下热融钻头发热以融冰钻进，探测器后方的孔内融水则将重新冻结并封闭钻孔，从而隔绝了冰下湖与外界环境，切断冰下湖污染来源。当探测器钻入冰下湖后，携带的多参数传感器可对湖水理化参数进行测量，并进行湖水采样。随后启动内部绞车收缆模式和上热融钻头，探测器携带样品沿被冻结在孔内的电缆向上融冰钻进，直至返回地表。

RECAS系统总体概念图

       相比于深冰芯钻探和清洁热水钻探技术，采用RECAS探测冰下湖具有设备小、自动化程度高、外源污染极少且方便部署等优势。因此，在中国科技部的经费支持下，吉林大学牵头对RECAS样机进行了研发和试验。探测器单件长度最长为2.5 m。不同部件之间采用径向螺钉同轴连接。探测器材料尽可能使用经过防腐处理的7075铝合金，以减轻探测器整体重量。外径为60mm的双曲线螺旋槽滚筒由不锈钢制成，最大电缆缠绕层为五层。每个热融钻头共安装有20个单头加热棒，并两两串联以将其最大工作电压增加到800 V。但为了确保探测器长期工作的可靠性，其额定工作电压设置为650 V，在该电压下，其加热功率足以满足在-30℃的冰层中以1.5 m/h的速度钻进需求。探测器内部部件之间通过Subcon水密缆进行电气连接。

RECAS原理样机结构示意图

 第38次中国南极考察期间，RECAS样机被运至南极并进行了极地现场试验。试钻地点最终选择在Dålk冰川侧翼的蓝冰区域。2018/2019南极考察季期间，吉林大学曾在该区域成功实施了冰下基岩钻探。

钻探正式开始于2022年1月12日，四人组成的钻探小组在30天内共完成了3个钻孔，深度分别为200.3米、183.2米和133.5米，并成功在每个钻孔收集了约600ml孔内融水样品。整个钻进过程中探测器的地面输入功率约为9.96kW，其中热融钻头为6.32kW、侧壁加热为2.50kW、电缆损耗为1.09kW、测控系统功率为0.05kW。向下钻进期间，最大单日累计进尺量为54.4 m，向上返回期间为77.6 m。三个钻孔的平均向下钻速为2.11 m/h，平均向上钻速为3.6 m/h。在现场测试期间，RECAS探测器的所有系统均在预期范围内工作。

RECAS探测器在东南极达尔克冰川进行测试

该项目由中国科技部资助（项目编码为2016YFC1400302）