General concept of a deep hot water drilling system and drilling strategy to access Subglacial Lake Qilin, East Antarctica

Глубокие подледниковые озера Антарктики представляют собой фактически не исследованную водную среду, изучение которой дает возможность получить уникальную информацию об эволюции микроорганизмов, климате Земли в прошлом и формировании антарктического ледяного покрова. Подледниковое озеро Цилинь, обнаруженное средствами дистанционного зондирования в центральной части Земли Принцессы Елизаветы в Восточной Антарктиде, является одним из идеальных объектов для предстоящих исследований. Длина озера оценивается в 42 км, а площадь — в 370 км², что делает его одним из крупнейших подледниковых озер в Антарктиде. Озеро предположительно является изолированным и покрыто льдом средней толщины около 3600 м. В настоящее время в Китае начаты научно-исследовательские работы по разработке системы глубокого бурения с горячей водой для экологически чистого доступа к этому озеру. Предлагаемая буровая система включает в себя восемь подсистем: (1) первичный контур нагрева горячей воды, (2) вторичный контур нагрева горячей воды, (3) систему механической и биологической очистки горячей воды, (4) спуско-подъемное оборудование, (5) забойное оборудование c гидравлической насадкой, (6) систему рециркуляции воды, (7) электрические генераторы и (8) систему контроля и управления. В статье представлены общая концепция системы экологически чистого глубокого бурения с горячей водой и краткое описание стратегии бурения. Бурение скважины доступа к озеру запланировано на сезон 2026/27 г.

1. Fretwell P., Pritchard H.D., Vaughan D.G., Bamber J.L., Barrand N.E., Bell R., Bianchi C., Bingham R.G., Blankenship D.D., Casassa G., Catania G., Callens D., Conway H., Cook A.J., Corr H.F.J., Damaske D., Damm V., Ferraccioli F., Forsberg R., Fujita S., Gim Y., Gogineni P., Griggs J.A., Hindmarsh R.C.A., Holmlund P., Holt J.W., Jacobel R.W., Jenkins A., Jokat W., Jordan T., King E.C., Kohler J., Krabill W., Riger-Kusk M., Langley K.A., Leitchenkov G., Leuschen C., Luyendyk B.P., Matsuoka K., Mouginot J., Nitsche F.O., Nogi Y., Nost O.A., Popov S.V., Rignot E., Rippin D.M., Rivera A., Roberts J., Ross N., Siegert M.J., Smith A.M., Steinhage D., Studinger M., Sun B., Tinto B.K., Welch B.C., Wilson D., Young D.A., Xiangbin C., Zirizzotti A. Bedmap 2: improved ice bed, surface and thickness datasets for Antarctica. Cryosphere. 2013;7:375–393. doi.org/10.5194/tc-7-375-2013

2. Pattyn F. Antarctic subglacial conditions inferred from a hybrid ice sheet/ice stream model. Earth and Planetary Science Letters. 2010;295:451–461. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2010.04.025

3. Livingstone S.J., Li Y., Rutishauser A., Sanderson R.J., Winter K., Mikucki J.A., Björnsson H., Bowling J.S., Chu W., Dow C.F., Fricker H.A., McMillan M., Ng F.S.L., Ross N., Siegert M.J., Siegfried M., Sole A.J. Subglacial lakes and their changing role in a warming climate. Nature Reviews Earth & Environment. 2022;3:106–124. https://doi.org/10.1038/s43017-021-00246-9

4. Wingham D.J., Siegert M.J., Shepherd A.P., Muir A.S. Rapid discharge connects Antarctic subglacial lakes. Nature. 2006;440:1033–1036. https://doi.org/10.1038/nature04660

5. Pearce D. Antarctic subglacial lake exploration: a new frontier in microbial ecology. ISME Journal. 2009;3:877–880. https://doi.org/10.1038/ismej.2009.53

6. Siegert M.J., Ross N., Le Brocq A.M. Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2016;374(2059):20140306. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0306

7. Doran P.T., Vincent W.F. Environmental protection and stewardship of subglacial aquatic environments. In: Antarctic subglacial aquatic environments. Siegert M.J., Kennicutt II M.C., Bindschadler R.A. (eds.). Washington, D. C.: AGU, Geophysical Monograph Series; 2011;192:149–157. https://doi.org/10.1029/2010GM000947

8. Olesen O.B. A Danish contribution to the family of hot-water glacier drills. In: Rado C., Beaudoing D. (Eds.) Ice Core Drilling. Proceedings of the Third International Workshop on Ice Drilling Technology, Grenoble, France, 10–14 October, 1988. Grenoble: Laboratoire de Glaciologie et Geophysique de l’Environnement; 1989. P. 140–148.

9. Tulaczyk S., Mikucki J.A., Siegfried M.R., Priscu J.C., Barcheck C.G., Beem L.H., Behar A., Burnett J., Christner B.C., Fisher A.F., Fricker H.A., Mankoff K.D., Powell R.D., Rack F., Sampson D., Scherer R.P., Schwartz S.Y., and The Wissard Science Team. WISSARD at Subglacial Lake Whillans, West Antarctica: Scientific operations and initial observation. Annals of Glaciology. 2014;55(65):51–58. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A009

10. Priscu J.C., Kalin J., Winans J., Campbell T., Siegfried M.R., Skidmore M., Dore J.E., Leventer A., Harwood D.M., Duling D., Zook R., Burnett J., Gibson D., Krula E., Mironov A., McManis J., Roberts G., Rosenheim B.E., Christner B.C., Kasic K., Fricker H.A., Lyons W.B., Barker J., Bowling M., Collins B., Davis C., Gagnon A., Gardner C., Gustafson C., Kim O.-S., Li W., MichaudA., Patterson M.O., Tranter M., Venturelli R., Vick-Majors T., Elsworth C., and The SALSA Science Team. Scientific access into Mercer Subglacial Lake: scientific objectives, drilling operations and initial observations. Annals of Glaciology. 2021;62(85–86):340–352. https://doi.org/10.1017/aog.2021.10

11. Siegert M.J., Makinson K., Blake D., Mowlem M., Ross N. An assessment of deep hot-water drilling as a means to undertake direct measurement and sampling of Antarctic subglacial lakes: experience and lessons learned from the Lake Ellsworth field season 2012/13. Annals of Glaciology. 2014;55(65):59–73. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A008

12. Makinson K., Anker P.G.D., Garcés J., Goodger D.J., Polfrey S., Rix J., Silva A., Smith A.M., Uribe J.A., Zamor R. (2021). Development of a clean hot water drill to access Subglacial Lake CECs,West Antarctica. Annals of Glaciology. 2021;62:250–262. https://doi.org/10.1017/aog.2020.88

13. Benson T., Cherwinka J., Duvernois M., Elcheikh A., Feyzi F., Greenler L., Haugen J., Karle A., Mulligan M., Paulos R. IceCube enhanced hot water drill functional description. Annals of Glaciology. 2014;55(68):105–114. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A032

14. Makinson K., Pearce D., Hodgson D.A., Bentley M.J., SmithA.M.,Tranter M., Rose M., Ross N., Mowlem M., Parnell J., Siegert M.J. Clean subglacial access: prospects for future deep hot-water drilling. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2016;374(2059):20140304. https://doi.org/10.1098/rsta.20140304

15. Jamieson S.S.R., Ross N., Greenbaum J.S., Young D.A., Aitken A.R.A., Roberts J.L., Blankenship D.D., Bo S., Siegert M.J. An extensive subglacial lake and canyon system in Princess Elizabeth Land, East Antarctica. Geology. 2016;44(2):87–90. https://doi.org/10.1130/G37220.1

16. Yan S., Blankenship D.D., Greenbaum J.S., Young D.A., Li L., Rutishauser A., Guo J., Roberts J.L., van Ommen T.D., Siegert M.J., Sun B. A newly discovered subglacial lake in East Antarctica likely hosts a valuable sedimentary record of ice and climate change. Geology. 2022;50(8):949–953. https://doi.org/10.1130/G50009.1

17. Wang Y., Hou S. A new interpolation method for Antarctic surface temperature. Progress in Natural Science. 2009;19:1843–1849. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2009.07.012

18. Rack F., Duling D., Blythe D., Burnett J., Gibson D., Roberts G., Carpenter C., Lemery J., Fischbein S. Developing a hot-water drill system for the WISSARD project: 1. Basic drill system components and design. Annals of Glaciology. 2014;55(68):285–297.

19. Anker P., Makinson K., Nicholls K., Smith A. The BEAMISH hot water drill system and its use on the Rutford Ice Stream, Antarctica. Annals of Glaciology. 2021; 62(85-86): 233–249. https://doi.org/10.1017/aog.2020.86

20. Liu G., Talalay P., Wang R., Yang Y., Hong J., Gong D., Liu A., Fan D. Design parameters of hot-water drilling systems. Water. 2019;11(2):289. https://doi.org/10.3390/w11020289

21. Talalay P., Li X., Fan X., Yang Y., Li Y., Wang T., Li X., Liu A., Zhao G. Experimental investigation of water freezing and estimating refreezing time in ice boreholes. Cold Regions Science and Technology. 2019;166:1–6. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102822

22. Greenler L., Benson T., Cherwinka J., Elcheikh A., Feyzi F., Karle A., Paulos R. Modeling hole size, lifetime and fuel consumption in hot-water ice drilling. Annals of Glaciology. 2014; 55(68):115–123. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A033