Isborrning

ACFEL-isborren visar en iskärna som trycks upp i kärnborttagningstrumman.

Isborrning gör det möjligt för forskare som studerar glaciärer och inlandsisar att få tillgång till det som finns under isen, att göra mätningar längs isens inre och att hämta prover. Instrument kan placeras i de borrade hålen för att registrera temperatur, tryck, hastighet, rörelseriktning och för annan vetenskaplig forskning, såsom neutrino- detektering.

Många olika metoder har använts sedan 1840, då den första vetenskapliga isborrexpeditionen försökte borra genom Unteraargletscher i Alperna . Två tidiga metoder var slagverk, där isen spricker och pulveriseras, och rotationsborrning, en metod som ofta används vid mineralprospektering för bergborrning. På 1940-talet började man använda termiska borrar; dessa borrar smälter isen genom att värma borren. Borrar som använder strålar av hett vatten eller ånga för att borra genom isen följde snart. Ett växande intresse för iskärnor , som används för paleoklimatologisk forskning, ledde till att iskärnborrar utvecklades på 1950- och 1960-talen, och det finns nu många olika kärnborrmaskiner i bruk. För att få iskärnor från djupa hål använder de flesta utredare kabelupphängda elektromekaniska borrar, som använder en pansarkabel för att föra elektrisk kraft till en mekanisk borr i botten av borrhålet.

1966 borrade ett amerikanskt team framgångsrikt genom Grönlands inlandsis vid Camp Century , på ett djup av 1 387 meter (4 551 fot). Sedan dess har många andra grupper lyckats nå berggrunden genom de två största inlandsisarna, på Grönland och Antarktis . De senaste projekten har fokuserat på att hitta borrplatser som kommer att ge forskare tillgång till mycket gammal ostörd is i botten av borrhålet, eftersom det krävs en ostörd stratigrafisk sekvens för att korrekt datera informationen från isen.

Mål för isborrning

De första vetenskapliga isborrningsexpeditionerna, ledda av Louis Agassiz från 1840 till 1842, hade tre mål: att bevisa att glaciärer flödade, att mäta en glaciärs inre temperatur på olika djup och att mäta tjockleken på en glaciär. Bevis på glaciärens rörelse uppnåddes genom att placera pålar i hål borrade i en glaciär och spåra deras rörelse från det omgivande berget. Att borra genom glaciärer för att bestämma deras tjocklek och för att testa teorier om glaciärens rörelse och struktur, fortsatte att vara intressant under en tid, men glaciärtjockleken har mätts med seismografiska tekniker sedan 1920-talet. Även om det inte längre är nödvändigt att borra genom en glaciär för att bestämma dess tjocklek, borrar forskare fortfarande skotthål i is för dessa seismiska studier. Temperaturmätningar fortsätter än i dag: modellering av glaciärers beteende kräver förståelse för deras inre temperatur, och i inlandsisar kan borrhålstemperaturen på olika djup ge information om tidigare klimat . Andra instrument kan sänkas ner i borrhålet, såsom piezometrar , för att mäta trycket i isen, eller kameror, för att möjliggöra en visuell granskning av stratigrafin. IceCube , ett stort astrofysiskt projekt, krävde att många optiska sensorer skulle placeras i hål 2,5 km djupa, borrade på Sydpolen.

Borrhålets lutning, och förändringen i lutningen över tiden, kan mätas i ett fodralt hål, ett hål i vilket ett ihåligt rör har placerats som en " liner " för att hålla hålet öppet. Detta gör det möjligt att kartlägga borrhålets tredimensionella position med jämna mellanrum, vilket avslöjar glaciärens rörelse, inte bara vid ytan utan genom hela dess tjocklek. För att förstå om en glaciär krymper eller växer måste dess massbalans mätas: detta är nettoeffekten av vinster från nysnö, minus förluster från smältning och sublimering. Ett enkelt sätt att fastställa dessa effekter över en glaciärs yta är att plantera pålar (så kallade ablationspålar) i hål som borrats i glaciärens yta och övervaka dem över tid för att se om mer snö samlas, begraver pålen, eller om mer och mer av pålen syns när snön runt omkring försvinner. Upptäckten av lager av vattenhaltigt vatten och flera hundra kartlagda subglaciala sjöar , under det antarktiska inlandsisen , ledde till spekulationer om existensen av unika mikrobiella miljöer som hade isolerats från resten av biosfären, potentiellt i miljontals år. Dessa miljöer kan undersökas genom borrning.

En del av GISP2- iskärnan från 1837 till 1838 meters djup, i vilken årliga lager är synliga. Kärnan borrades i början av 1990-talet, och denna bild täcker cirka 38 år av ackumulerad is, som härstammar från cirka 16 250 år sedan. (originalfoto av NSF-Ice Core Facility)

Iskärnor är en av de viktigaste motiven för att borra i is. Eftersom iskärnor behåller miljöinformation om den tid då isen i dem föll som snö, är de användbara för att rekonstruera tidigare klimat, och iskärnanalys inkluderar studier av isotopsammansättning, mekaniska egenskaper, lösta föroreningar och damm, fångade atmosfäriska prover och spår av radionuklider . Data från iskärnor kan användas för att bestämma tidigare variationer i solaktivitet, och är viktiga vid konstruktionen av marina isotopstadier, ett av de viktigaste paleoklimatiska dateringsverktygen. Iskärnor kan också ge information om glaciärens flöde och ackumuleringshastigheter . IPICS (International Partnership in Ice Core Sciences) upprätthåller en lista över nyckelmål för iskärnforskning. För närvarande ska dessa erhålla en 1,5 miljoner år gammal kärna; få en fullständig uppteckning över den senaste mellanistidperioden ; använda iskärnor för att hjälpa till med förståelsen av klimatförändringar över långa tidsskalor ; erhålla en detaljerad rumslig uppsättning av klimatdata för iskärnan för de senaste 2 000 åren; och fortsätta utvecklingen av avancerad iskärnborrningsteknik.

Överväganden vid borrkonstruktion

Begränsningarna för isborrkonstruktioner kan delas in i följande breda kategorier.

Isborttagningsmetod och projektlogistik

Isen måste skäras igenom, brytas upp eller smältas. Verktyg kan skjutas direkt in i snö och firn (snö som är komprimerad, men ännu inte förvandlats till is, vilket vanligtvis sker på ett djup av 60 meter (200 fot) till 120 meter (390 fot)); denna metod är inte effektiv i is, men den är helt tillräcklig för att ta prover från de översta lagren. För is är två alternativ slagborrning och rotationsborrning. Slagborrning använder ett vasst verktyg som en mejsel, som slår mot isen för att spricka och splittra den. Vanligare är roterande skärverktyg, som har ett roterande blad eller en uppsättning blad i botten av borrhålet för att skära bort isen. För små verktyg kan rotationen utföras för hand, med hjälp av ett T-handtag eller en snickarstag . Vissa verktyg kan också ställas in för att använda vanliga hushållsborrmaskiner, eller så kan de inkludera en motor för att driva rotationen. Om vridmomentet tillförs från ytan, måste hela borrsträngen vara styv så att den kan roteras; men det är också möjligt att placera en motor strax ovanför borrsträngens botten och låta den leverera ström direkt till borrkronan .

Om isen ska smältas istället för att skäras så måste värme alstras. En elektrisk värmare inbyggd i borrsträngen kan värma isen direkt, eller så kan den värma materialet den är inbäddad i, vilket i sin tur värmer upp isen. Värme kan också skickas ner i borrsträngen; hett vatten eller ånga som pumpas ner från ytan kan användas för att värma ett metallborrhuvud, eller så kan vattnet eller ångan tillåtas komma ut från borrhuvudet och smälta isen direkt. I åtminstone ett fall experimenterade ett borrprojekt med att värma upp borrhuvudet på ytan och sedan sänka det i hålet.

Många isborrplatser är mycket svåra att komma åt och borrmaskiner måste utformas så att de kan transporteras till borrplatsen. Utrustningen ska vara så lätt och bärbar som möjligt. Det är till hjälp om utrustningen kan brytas ner så att de enskilda komponenterna kan bäras separat, vilket minskar bördan för handbärning, om så krävs. Bränsle, för ång- eller varmvattenborrmaskiner, eller för att en generator ska ge ström, måste också transporteras, och denna vikt måste också beaktas.

Sticklingar och smältvatten

Mekanisk isborr, som visar skärande tänder, spiralformade flygningar som används för att transportera isskär bort från skärområdet och ett centralt hålrum för själva kärnan.

Mekanisk borrning producerar isbitar, antingen som sticklingar eller som granulära fragment, som måste avlägsnas från botten av hålet för att förhindra dem från att störa borrens skärande eller slagverkan. En skruv som används som skärverktyg kommer naturligtvis att flytta isspån uppför sina spiralformade gångar. Om borrens verkan lämnar isflisen ovanpå borren, kan de tas bort genom att helt enkelt höja borren till ytan med jämna mellanrum. Om inte, kan de föras upp till ytan genom att sänka ett verktyg för att ösa upp dem, eller så kan hålet hållas fullt med vatten, i vilket fall sticklingen naturligt kommer att flyta till toppen av hålet. Om spånen inte tas bort måste de packas in i borrhålets väggar och in i kärnan om en kärna hämtas.

Borrspån kan också flyttas till ytan genom att cirkulera tryckluft genom hålet, antingen genom att pumpa luften genom borrröret och ut vid borrhuvudet, tvinga upp spånen i utrymmet mellan borrsträngen och borrhålsväggen, eller genom att luften vänds upp. cirkulation, där luften strömmar upp genom borrsträngen. Tryckluft kommer att värmas upp av kompressionen och den måste kylas innan den pumpas ner i hålet, annars kommer den att orsaka smältning av borrhålsväggarna och kärnan. Om luften cirkuleras genom att skapa ett vakuum, snarare än att pumpa in luft, bär den omgivande luften sticklingen, så ingen kylning behövs.

En vätska kan användas för att cirkulera sticklingen bort från borrkronan, eller så kan vätskan lösa upp sticklingen. Roterande mineralborrning (genom berg) cirkulerar vanligtvis vätska genom hela hålet och separerar fasta ämnen från vätskan vid ytan innan vätskan pumpas ner igen. Vid djupisborrning är det vanligt att cirkulera vätskan endast vid botten av hålet, och samlar upp spån i en kammare som är en del av borrhålsanordningen. För en kärnborr kan skärkammaren tömmas varje gång borren förs till ytan för att hämta en kärna.

Termiska borrar kommer att producera vatten, så det finns inga sticklingar att slänga, men borren måste kunna arbeta medan den är nedsänkt i vatten, annars måste borren ha en metod för att ta bort och lagra smältvattnet under borrning.

Borrsträngslogistik

Borrmekanismen måste vara ansluten till ytan, och det måste finnas en metod för att höja och sänka borren. Om borrsträngen består av rör eller stavar som måste skruvas ihop, eller på annat sätt sättas ihop, när hålet blir djupare och borrsträngen förlängs, så måste det finnas ett sätt att hålla borrsträngen på plats då varje längd av stav resp. rör läggs till eller tas bort. Om hålet bara är några meter djupt kan ingen mekanisk hjälp behövas, men borrsträngar kan bli mycket tunga för djupa hål och en vinsch eller annat lyftsystem måste finnas på plats som kan lyfta och sänka det.

En "tripp" vid borrning avser uppgiften att dra en borrsträng helt ut ur hålet (trippa ut) och sedan föra in den igen i hålet (trippa in). Utlösningstid är den tid det tar att snubbla in och ut ur hålet; Det är viktigt för en borrkonstruktion att minimera utlösningstiden, särskilt för kärnborr, eftersom de måste genomföra en resa för varje kärna.

Borrhålsstabilitet och permeabilitet

Överbelastningstrycket i ett djupt hål från vikten av isen ovan kommer att göra att ett borrhål långsamt sluter sig, om inte något görs för att motverka det , så djupa hål fylls med en borrvätska som har ungefär samma densitet som den omgivande isen , såsom flygbränsle eller fotogen. Vätskan måste ha låg viskositet för att minska utlösningstiden . Eftersom hämtning av varje segment av kärnan kräver en resa, kan en långsammare färdhastighet genom borrvätskan lägga betydande tid på ett projekt - ett år eller mer för ett djupt hål. Vätskan måste förorena isen så lite som möjligt; det måste ha låg toxicitet för säkerheten och för att minimera miljöpåverkan; den måste vara tillgänglig till en rimlig kostnad; och det måste vara relativt lätt att transportera. Djupet vid vilket borrhålsförslutning förhindrar torrborrning är starkt beroende av temperaturen på isen; i en tempererad glaciär kan det maximala djupet vara 100 meter (330 fot), men i en mycket kall miljö som delar av östra Antarktis kan torrborrning till 1 000 meter (3300 fot) vara möjlig.

Snö och firn är genomträngliga för luft, vatten och borrvätskor, så varje borrmetod som kräver vätska eller tryckluft i hålet måste förhindra dem från att fly in i ytskikten av snö och firn. Om vätskan endast används i den nedre delen av hålet är permeabiliteten inget problem. Alternativt kan hålet föras ner förbi den punkt där firnen förvandlas till is. Om vatten används som borrvätska, i tillräckligt kalla temperaturer, kommer det att förvandlas till is i den omgivande snön och bränna och täta hålet.

Effekt, vridmoment, antimoment och värme

Verktyg kan utformas för att roteras för hand, via ett stag eller T-handtag, eller en vevväxel, eller fästas på en handborr. Borrar med driven rotation kräver en elektrisk motor på riggplatsen, som i allmänhet måste ha bränsle, även om i åtminstone ett fall ett borrprojekt sattes upp tillräckligt nära en permanent forskningsstation för att dra en kabel till forskningsbyggnaden för kraft. Rotationen kan appliceras på ytan, av ett roterande bord , med hjälp av en kelly , eller av en motor i borrhuvudet, för kabelupphängda borrar; i det senare fallet måste kabeln föra ström till borrhuvudet samt bära dess vikt. För roterande borrar krävs utväxling för att reducera motorns rotation till ett lämpligt varvtal för borrning.

Om vridmoment tillförs vid botten av hålet, kommer motorn som matar det till borrkronan under det att ha en tendens att rotera runt sin egen axel, snarare än att ge rotationen till borrkronan. Detta beror på att borrkronan kommer att ha ett starkt motstånd mot rotation eftersom den skär is. För att förhindra detta måste en anti-momentmekanism av något slag tillhandahållas, typiskt genom att ge motorn ett visst grepp mot borrhålets väggar.

En termoborr som använder el för att värma upp borrhuvudet så att det smälter isen måste föra ner kraft i hålet, precis som med roterande borrar. Om borrhuvudet värms upp genom att pumpa vatten eller ånga ner till botten av hålet, behövs ingen ström i borrhålet, utan en pump vid ytan krävs för varmvatten. Vattnet eller ångan kan värmas upp vid ytan av en bränsledriven panna. Solenergi kan också användas.

Riktningsstyrning

Vissa borrar som är utformade för att vila på sin spets när de borrar kommer att luta åt sidan i borrhålet, och hålet de borrar kommer gradvis att driva mot horisontalplanet om inte någon metod för att motverka denna tendens tillhandahålls. För andra övningar kan riktningsstyrning vara användbar för att starta ytterligare hål på djupet, till exempel för att hämta ytterligare iskärnor.

Temperatur

Många glaciärer är tempererade, vilket betyder att de innehåller "varm is": is som har smälttemperatur (0 °C) hela tiden. Smältvatten i borrhål i varm is kommer inte att återfrysa, men för kallare is kommer smältvatten sannolikt att orsaka problem och kan frysa borren på plats, så termiska borrar som arbetar nedsänkt i smältvattnet de producerar, och alla borrmetoder som resulterar i vatten i borrhålet, är svåra att använda under sådana förhållanden. Borrvätskor, eller frysskyddstillsatser till smältvatten, måste väljas för att hålla vätskan flytande vid de temperaturer som finns i borrhålet. I varm is tenderar is att bildas på fräsar och borrhuvudet och att packas in i utrymmen längst ner i hålet, vilket saktar ner borrningen.

Kärnhämtning

För att hämta en kärna måste en ring av is avlägsnas från den cylindriska kärnan. Kärnan bör vara obruten, vilket innebär att vibrationer och mekaniska stötar måste hållas till ett minimum, och temperaturförändringar som kan orsaka termisk stöt på kärnan måste också undvikas. Kärnan måste hållas från smältning orsakad av värme som genereras antingen mekaniskt från borrningsprocessen, från värmen från tryckluft om luft används som borrvätska, eller från en termisk borr, och får inte förorenas av borrvätskan. När kärnan är på väg att hämtas är den fortfarande ansluten till isen under den, så någon metod för att bryta den i den nedre änden måste tillhandahållas och att gripa den så att den inte faller från kärnan när den förs till ytan, vilket måste göras så snabbt och säkert som möjligt.

De flesta kärnborrmaskiner är utformade för att hämta kärnor som inte är längre än 6 meter (20 fot), så borrningen måste stoppas varje gång håldjupet förlängs med den mängden, så att kärnan kan hämtas. En borrsträng som måste monteras och demonteras i segment, till exempel rörsektioner som ska skruvas ihop, tar lång tid att snubbla in och ut; en kabel som kan vinschas upp kontinuerligt, eller en borrsträng som är tillräckligt flexibel för att lindas upp, minskar utlösningstiden avsevärt. Wireline-borrar har en mekanism som gör att kärncylindern kan lossas från borrhuvudet och vinschas direkt till ytan utan att behöva snubbla ut borrsträngen. När kärnan har tagits bort, sänks kärnan till botten av hålet och sätts fast på borren igen.

Skör is

Över ett djupområde som kallas den spröda iszonen, fångas luftbubblor i isen under stort tryck. När en kärna förs upp till ytan kan bubblorna utöva en spänning som överstiger isens draghållfasthet, vilket resulterar i sprickor och sprickor . På större djup ändras iskristallstrukturen från hexagonal till kubisk, och luftmolekylerna rör sig inuti kristallerna, i en struktur som kallas klatrat . Bubblorna försvinner, och isen blir stabil igen.

Den spröda iszonen ger vanligtvis prover av sämre kvalitet än för resten av kärnan. Vissa åtgärder kan vidtas för att lindra problemet. Liners kan placeras inuti borrtrumman för att omsluta kärnan innan den förs upp till ytan, men detta gör det svårt att rensa bort borrvätskan. Vid mineralborrning kan specialmaskiner föra kärnprover till ytan vid bottenhålstryck, men detta är för dyrt för de otillgängliga platserna på de flesta borrplatser. Att hålla bearbetningsanläggningarna vid mycket låga temperaturer begränsar termiska chocker. Kärnor är mest spröda vid ytan, så ett annat tillvägagångssätt är att bryta dem i 1 m längder i hålet. Att extrudera kärnan från borrtrumman till ett nät hjälper till att hålla ihop den om den splittras. Spröda kärnor får också ofta vila i lager på borrplatsen en tid, upp till ett helt år mellan borrsäsongerna, för att isen gradvis ska slappna av. Kärnkvaliteten i den spröda iszonen förbättras mycket när en borrvätska används, till skillnad från torrhålsborrning.

Slagverksövningar

En slagborr penetrerar is genom att slå den upprepade gånger för att spricka och splittra den. Skärverktyget är monterat i botten av borrsträngen (vanligtvis anslutna metallstänger), och några medel för att ge det kinetisk energi måste tillhandahållas. Ett stativ som sätts upp över hålet gör att en remskiva kan sättas upp, och en kabel kan sedan användas för att upprepade gånger höja och släppa verktyget. Denna metod är känd som kabelverktygsborrning . En vikt som tappas upprepade gånger på en stel borrsträng kan också användas för att ge den nödvändiga drivkraften. Den pulveriserade isen samlas i botten av borrhålet och måste avlägsnas. Den kan samlas upp med ett verktyg som kan ösa upp den från botten av hålet, eller så kan hålet hållas fullt med vatten, så att isen flyter till toppen av hålet, även om detta fördröjer momentumet för borren som slår mot is, vilket minskar dess effektivitet. Ett slagborrverktyg som inte är mekaniskt drivet kräver någon metod för att höja borren så att den kan släppas, för att falla på isen. För att göra detta effektivt med manuellt arbete är det vanligt att sätta upp ett stativ eller annan stödjande ställning och en remskiva för att tillåta att borrsträngen höjs med ett rep. Detta arrangemang, känt som en kabelverktygsrigg, kan också användas för mekanisk borrning, med en motor som höjer borrsträngen och låter den falla. Ett alternativt tillvägagångssätt är att lämna borrsträngen i botten av borrhålet och höja och släppa en hammarvikt på borrsträngen.

Den tidigaste vetenskapliga isborrningsexpeditionen använde slagborrning; Louis Agassiz använde järnstänger för att borra hål i Unteraargletscher , i Alperna , sommaren 1840. Kabelverktygsriggar har använts för isborrning på senare tid; Sovjetiska expeditioner på 1960-talet borrade med kabelverktygsriggar i Kaukasus och Tien Shan -området, och amerikanska projekt har borrat på Blue Glacier i Washington mellan 1969 och 1976 och på Black Rapids Glacier i Alaska 2002.

Två andra slagverksmetoder har prövats. Pneumatiska borrar har använts för att borra grunda hål i is för att sätta sprängladdningar, och roterande slagborrar, en typ av borrverktyg som en gång var vanligt förekommande i gruvindustrin, har också använts för att borra spränghål, men inget av tillvägagångssätten har använts för vetenskapliga undersökningar av is. Slagborrning används nu sällan för vetenskaplig isborrning, efter att ha blivit omkörd av effektivare tekniker för både is- och mineralborrning.

Handmanövrerade mekaniska borrar

Skedborrar

En jordprovtagningsskruv innehåller ett par blad i botten av en sluten cylinder; den kan drivas och roteras för hand för att plocka upp mjuk jord. En liknande design, kallad skedborr, har använts för isborrning, även om den inte är effektiv i hård is. En version som användes av Erich von Drygalski 1902 hade två halvmåne skärblad inställda i basen av cylindern på ett sådant sätt att isspånen kunde samlas i cylindern, ovanför bladen.

Skruv utan kärnor

Isborr med förskjutet staghandtag

Borrar har länge använts för att borra genom is för isfiske . Skruvarna kan roteras för hand, med hjälp av en mekanism som ett T-handtag eller en stagbit, eller genom att fästa dem på motordrivna handborrar. Vetenskapliga användningar för skruvar utan kärnor inkluderar sensorinstallation och bestämning av istjocklek. Skruvarna har ett spiralformigt skruvblad runt den huvudsakliga borraxeln; detta blad, som kallas "flighting", bär isskären upp från botten av hålet. För borrning av djupare hål kan förlängningar läggas till skruven, men när skruven blir längre blir den svårare att rotera. Med en plattform som en trappstege kan en längre skruv vridas högre upp från marken.

Kommersiellt tillgängliga isskruvar för vinterfiske, drivna av bensin, propan eller batteri, finns tillgängliga för håldiametrar från 4,5 tum till 10 tum. För hål som är djupare än 2 ma kan stativ användas för att vinscha skruven från hålet. Ett hopfällbart staghandtag med offset design är vanligt; detta gör att båda händerna kan bidra till vridmomentet.

Urborrningsskruvar

Urborrning av isborr utan tunna. Sådana mönster visade sig vara svåra att göra tillräckligt styva.

Skruvar som kan hämta iskärnor liknar skruvar som inte borrar, förutom att skruvarna är placerade runt en tunna med ihålig kärna. Man har tagit fram skruvar som består av de spiralformade skärbladen och ett utrymme för en kärna, utan den centrala stödcylindern, men de är svåra att göra tillräckligt styva. Urborrskruvar producerar normalt kärnor med diametrar i intervallet 75–100 mm och med längder upp till 1 m. Urborrningsskruvar designades ursprungligen för att roteras manuellt, men med tiden har de anpassats för användning med handhållna borrmaskiner eller små motorer.

Precis som med skruvar utan kärnor, kan förlängningar läggas till för att borra djupare. Att borra djupare än 6 m kräver mer än en person på grund av borrsträngens vikt. En klämma placerad vid ytan är användbar för att stödja snöret, och ett stativ och block och tackel kan också användas för stöd och för att öka vikten på snöret som kan hanteras. När borrsträngen blir längre tar det längre tid att genomföra en resa för att extrahera en kärna, eftersom varje förlängningsstång måste separeras från borrsträngen när den löser ut och sättas fast igen när den löser ut.

Borrning med stativ eller annan metod för att hantera en lång borrsträng förlänger avsevärt djupgränsen för användning av en borrskruv. Det djupaste hålet som borrades för hand med en skruv var 55 m, i Ward Hunt Ice Shelf på Ellesmere Island , 1960. Vanligtvis borras ett hål djupare än 30 m med andra metoder, på grund av vikten av borrsträngen och lång restid krävs.

Moderna kärnborrskruvar har förändrats lite på decennier: en isborrskruv som patenterades i USA 1932 påminner mycket om kärnborrskruvar som används åttio år senare. Den amerikanska militärens Frost Effects Laboratory (FEL) utvecklade ett testkit för ismekanik som inkluderade en borrskruv i slutet av 1940-talet; The Snow, Ice and Permafrost Research Establishment (SIPRE), en efterträdande organisation, förfinade designen i början av 1950-talet, och den resulterande skruven, känd som SIPRE-skruven, är fortfarande i stor användning. Den modifierades något av Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL), en annan efterföljande organisation, på 1960-talet, och är ibland känd som CRREL-skruven av den anledningen. En skruv som utvecklades på 1970-talet av Polar Ice Core Office (PICO), då baserad i Lincoln, Nebraska , används också fortfarande i stor utsträckning. En borrskruv designad vid Köpenhamns universitet på 1980-talet användes för första gången på Camp Century och har sedan dess använts flitigt på Grönland. 2009 började den amerikanska Ice Drilling Design and Operations-gruppen (IDDO) arbetet med en förbättrad handskruvdesign och en version testades framgångsrikt i fält under fältsäsongen 2012–2013 på WAIS Divide . Från och med 2017 har IDDO versioner av både 3-tum och 4-tums diameter av den nya skruven för användning av amerikanska isborrningsforskningsprogram, och dessa är nu de mest efterfrågade handskruvarna från IDDO.

Prairie Dog-skruven, designad 2007, lägger till en yttre cylinder till den grundläggande kärnborrskruvens design. Sticklingar fångas upp mellan skruvarna och den yttre cylindern, som har en anti-momentsektion för att förhindra att den roterar i hålet. Målet med den yttre pipan är att öka effektiviteten i spånuppsamlingen, eftersom det är vanligt att se spån från en handborrkörning falla tillbaka i hålet från skruvens gängor, vilket innebär att nästa körning måste borra om genom dessa skär. Den yttre pipan gör också att skruven är effektiv i varm is, vilket lätt kan orsaka att en borr utan yttre pipa fastnar. Den utvändiga pipan på Prairie Dog är densamma som diametern på PICO-skruven och eftersom Prairie Dogs antimomentblad inte fungerar bra i mjuk snö och firn är det vanligt att man gör ett hål med PICO-skruven och sedan fortsätt med präriehunden när tät firn nås. Präriehunden är relativt tung och kan kräva två borrare för att hantera den när den tas bort från hålet. IDDO upprätthåller en präriehundsövning för användning av amerikanska isborrningsforskningsprogram.

IDDO tillhandahåller också ett lyftsystem för användning med handskruvar, känd som Sidewinder. Den drivs av en elektrisk handborr, som kan drivas av en generator eller av solceller. Sidewinder lindar ett rep runt handskruven när den sänks ner i hålet och hjälper till att lyfta upp skruven ur hålet. Detta utökar det maximala praktiska djupet för handborrning till ca 40 m. Sidewinders har visat sig populära bland forskare.

Kolvborrar

En kolvborr består av en platt skiva i botten av en lång stång, med tre eller fyra radiella slitsar i skivan, som var och en har en skäregg. Stången roteras för hand med hjälp av ett staghandtag; isen kommer genom slitsarna och hopar sig på toppen av skivan. Att dra ut borren ur borrhålet för upp skäret på skivan. På 1940-talet lämnades en del patent för kolvborrkonstruktioner in i Sverige och USA, men dessa borrar används nu sällan. De är mindre effektiva än skruvborrar, eftersom borren med jämna mellanrum måste tas bort från hålet för att bli av med skäret.

Handkärnborrar och miniborrar

Vissa handborrar har konstruerats för att hämta kärnor utan att använda skruvar för att transportera skäret upp i hålet. Dessa borrar har vanligtvis en kärna med tänder i den nedre änden och roteras av ett stag eller T-handtag, eller av en liten motor. Själva pipan kan utelämnas, så att borren endast består av en ring med en skärslits för att skära ringen runt kärnan, och en vertikal stång för att fästa ringen på ytan. Ett par små handhållna borrar, eller miniborrar, har designats för att snabbt samla kärnprover upp till 50 cm långa. En svårighet med alla dessa konstruktioner är att så snart som borrspån genereras, om de inte tas bort kommer de att störa borrens skärverkan, vilket gör dessa verktyg långsamma och ineffektiva i användning. En mycket liten borr, känd som Chipmunk Drill, designades av IDDO för att användas av ett projekt på Västgrönland 2003 och 2004, och användes därefter på Sydpolen 2013 .

Roterande riggar med borrrör

Roterande riggar som används vid mineralborrning använder en sträng av borrrör ansluten till en borrkrona i botten av hålet och till en roterande mekanism i toppen av hålet, såsom en toppdrivning eller roterande bord och kelly. När borrhålet fördjupas pausas borrningen med jämna mellanrum för att lägga till en ny längd av borrröret i toppen av borrsträngen. Dessa projekt har vanligtvis genomförts med kommersiellt tillgängliga roterande riggar som ursprungligen konstruerats för mineralborrning, med anpassningar för att passa de speciella behoven för isborrning.

Torrborrning

När man borrar i is kan hålet borras torrt, utan någon mekanism för att göra sig av med sticklingarna. I snö och firn betyder detta att sticklingen helt enkelt packas in i borrhålets väggar; och i kärnborrmaskiner packar de också in i kärnan. I is ackumuleras skäret i utrymmet mellan borrröret och borrhålsväggen och börjar så småningom täppa till borrkronan, vanligtvis efter högst 1 meters framsteg. Detta ökar vridmomentet som behövs för att borra, saktar ner förloppet och kan orsaka förlust av borren. Torr kärnborrning ger i allmänhet en kärna av dålig kvalitet som bryts i bitar.

1950 borrade den franska expeditionen Polaires Françaises (EPF) två torra hål på Grönland med hjälp av en roterande rigg, vid Camp VI, på västkusten, och Station Centrale, inåt landet, och nådde 126 m och 151 m. Några grunda hål borrades också den sommaren på Baffin Island med hjälp av en kärnborr, och i Antarktis borrade Norwegian–British–Swedish Antarctic Expedition (NBSAE) flera hål mellan april 1950 och följande år, och nådde så småningom 100 m i ett. hål. Den sista expeditionen som provade torrborrning i is var den 2:a sovjetiska antarktiska expeditionen (SAE), som borrade tre hål mellan juli 1957 och januari 1958. Sedan dess har torrborrning övergetts eftersom andra borrmetoder har visat sig vara mer effektiva.

Luftcirkulation

Flera hål har borrats i is med hjälp av direkt luftcirkulation, där tryckluft pumpas ner i borrröret, för att komma ut genom hål i borrkronan och återföra det ringformiga utrymmet mellan borrkronan och borrhålet, bärande skäret med sig. Tekniken prövades först av den 1:a sovjetiska antarktiska expeditionen i oktober 1956. Det var problem med dålig borttagning av sticklingar och isbildning i borrhålet, men borren lyckades nå ett djup av 86,5 m. Ytterligare försök gjordes att använda luftcirkulation med roterande riggar av amerikanska, sovjetiska och belgiska expeditioner, med ett maximalt håldjup på 411 m som nåddes av ett amerikanskt team på plats 2 på Grönland 1957. Förra gången ett projekt använde en konventionell roterande rigg med luftcirkulation var 1961.

Vätskecirkulation

Inom mineralprospektering är den vanligaste borrmetoden en roterande rigg med vätska som cirkulerar ner i borrröret och backar upp mellan borrröret och borrhålsväggen. Vätskan transporterar sticklingen till ytan, där sticklingen avlägsnas och den återvunna vätskan, känd som lera, återförs till hålet. Det första isborrningsprojektet för att prova detta tillvägagångssätt var en American Geographical Society- expedition till Taku-glaciären 1950. Färskvatten, hämtat från glaciären, användes som borrvätska och tre hål borrades till ett maximalt djup av 89 m . Kärnor hämtades, men i dåligt skick. Havsvatten har också prövats som borrvätska. Första gången en annan vätska än vatten användes med en konventionell roterande rigg var i slutet av 1958, vid Little America V, där dieselbränsle användes för de sista metrarna av ett 254 m hål.

Wireline

En wirelineborr använder luft- eller vätskecirkulation, men har också ett verktyg som kan sänkas ner i borrröret för att hämta en kärna utan att ta bort borrsträngen. Verktyget, som kallas ett överskott, låses fast i kärnan och drar upp det till ytan. När kärnan tas bort sänks kärnan tillbaka i borrhålet och fästs på borren igen. Ett kärnborrningsprojekt med trådkabel planerades på 1970-talet för International Antarctic Glaciological Project, men slutfördes aldrig, och det första kabelisborrningsprojektet ägde rum 1976, som en del av Ross Ice Shelf Project (RISP). Ett hål startades i november samma år med en wirelineborr, troligen med hjälp av luftcirkulation, men problem med överskottet tvingade projektet att gå över till termisk borrning när hålet var 103 m djupt. RISP-projektet nådde över 170 m med ytterligare en trådborr säsongen därpå, och flera sovjetiska expeditioner från 1980-talet använde också trådborrar efter att ha startat hålen med en borrskruv och tätat hålen. Den Agile Sub-Ice Geological (ASIG) borren, designad av IDDO för att samla in sub-glaciala kärnor, är ett nytt trådsystem; den användes först i fält under säsongen 2016–2017, i Västantarktis.

bedömning

Det finns många nackdelar med att använda konventionella roterande riggar för isborrning. När en konventionell roterande rigg används för kärnborrning måste hela borrsträngen hissas ut ur borrhålet varje gång kärnan hämtas; varje rörlängd i sin tur måste skruvas loss och ställas in. När hålet blir djupare blir detta mycket tidskrävande. Konventionella riggar är mycket tunga, och eftersom många isborrningsplatser inte är lättillgängliga lägger dessa riggar en stor logistisk börda på ett isborrningsprojekt. För djupa hål krävs en borrvätska för att upprätthålla trycket i borrhålet och förhindra att hålet stängs på grund av trycket som isen är under; en borrvätska kräver ytterligare tung utrustning för att cirkulera och lagra vätskan och för att separera det cirkulerade materialet. Varje cirkulationssystem kräver också att den övre delen av hålet, genom snön och firnen, är hölje, eftersom cirkulerad luft eller vätska skulle strömma ut genom något mer genomsläppligt än is. Kommersiella roterande riggar är inte konstruerade för extremt kalla temperaturer, och förutom problem med komponenter som hydraulik och vätskehanteringssystem är de designade för att fungera utomhus, vilket är opraktiskt i extrema miljöer som borrning i Antarktis.

Kommersiella roterande riggar kan vara effektiva för hål med stor diameter och kan också användas för subglacial borrning i berg. De har också använts med viss framgång för stenglaciärer, som är utmanande att borra eftersom de innehåller en heterogen blandning av is och sten.

Flexibla borrstamriggar

Flexibla borrstamriggar använder en borrsträng som är kontinuerlig, så att den inte behöver monteras eller demonteras, stång för stav eller rör för rör, när den snubblar in eller ut. Borrsträngen är också flexibel, så att den när den är ute ur borrhålet kan lagras på en rulle. Borrsträngen kan vara en förstärkt slang, eller det kan vara stål- eller kompositrör, i vilket fall det är känt som en spiralrörsborr. Riggar designade enligt dessa linjer började dyka upp på 1960- och 1970-talen vid mineralborrning och blev kommersiellt gångbara på 1990-talet.

Endast en sådan rigg, det snabba luftrörelsesystemet (RAM) som utvecklats vid University of Wisconsin-Madison av Ice Coring and Drilling Services (ICDS), har använts för isborrning. RAM-borren utvecklades i början av 2000-talet och designades ursprungligen för att borra skotthål för seismisk utforskning. Borrskaftet är en slang genom vilken luft pumpas; luften driver en turbin som driver en roterande borrkrona. Isskär tas bort av frånluften och fontänen ur hålet. Kompressorn ökar temperaturen på luften med cirka 50°, och den kyls igen innan den pumpas ner i hålet, med en sluttemperatur som är cirka 10° varmare än den omgivande luften. Det betyder att den inte kan användas i omgivningstemperaturer som är varmare än -10 °C. För att undvika isbildning i slangen tillsätts etanol i tryckluften. Systemet, som inkluderar en vinsch för 100 m slang, samt två luftkompressorer, är monterat på en släde. Den har framgångsrikt borrat hundratals hål i Västantarktis och kunde enkelt borra till 90 m på bara 25 minuter, vilket gör den till den snabbaste isborren. Den användes också av Askaryan Radio Array-projektet 2010–2011 på Sydpolen, men kunde inte borra under 63 m där på grund av variationer i de lokala egenskaperna hos isen och firnen. Den kan inte användas i ett vätskefyllt hål, vilket begränsar det maximala håldjupet för denna design. Huvudproblemet med RAM-borren är en förlust av luftcirkulation i firn och snö, vilket kan åtgärdas genom att använda omvänd luftcirkulation, via en vakuumpump som drar luft upp genom slangen. Från och med 2017 planerar IDDO en reviderad design för RAM-borren för att minska vikten på borren, som för närvarande är 10,3 ton.

Andra flexibla borrstamkonstruktioner har övervägts och i vissa fall testats, men från och med 2016 hade ingen framgångsrikt använts på fältet. En design föreslog att man skulle använda hett vatten för att borra via en slang och att ersätta borrhuvudet med en mekanisk borr för kärnborrning när djupet av intresse nåtts, och att använda det heta vattnet både för att hydrauliskt driva hålmotorn och för att smälta de resulterande isspånen . En annan design, RADIX-borren, ger ett mycket smalt hål (20 mm) och är avsedd för snabb borrning av åtkomsthål; den använder en liten hydraulmotor på en smal slang. Den testades 2015 men visade sig ha svårt att transportera sticklingar, troligen på grund av det mycket smala utrymmet mellan slangen och borrhålsväggen.

Konstruktioner med lindade rör har aldrig framgångsrikt använts för isborrning. Urborrningsoperationer skulle vara särskilt svåra, eftersom en kärnborr måste lösas ut och in för varje kärna, vilket skulle leda till utmattning ; slangen är vanligtvis klassad för en livstid på endast 100 till 200 turer.

Kabelupphängda elektromekaniska borrar

Schematisk bild av kabelupphängt iskärnborrsystem

En kabelupphängd borr har ett hålsystem, känt som en sond, för att borra hålet. Sonden är ansluten till ytan med en armerad kabel, som ger ström och gör att borren kan vinschas in och ut ur hålet. Elektromekaniska (EM) kabelupphängda borrar har ett skärhuvud, med blad som rakar isen när de roterar, som ett snickarplan. Skärets penetrationsdjup justeras av en anordning som kallas en sko, som är en del av skärhuvudet. Isskäret förvaras i en kammare i sonden, antingen i kärnan, ovanför kärnan, eller i en separat kammare längre upp i borren.

Sticklingen kan transporteras med skruvar eller genom vätskecirkulation. Borrar som förlitar sig på skruvar och som inte är konstruerade för att arbeta i ett vätskefyllt hål är begränsade till djup där förslutning av borrhål inte är ett problem, så dessa är kända som grunda borrar. Djupare hål måste borras med borrvätska, men medan cirkulation i en roterande borr tar vätskan hela vägen ner och sedan upp i borrhålet, behöver kabelupphängda borrar bara cirkulera vätskan från borrhuvudet upp till skärkammaren. Detta är känt som bottenhålscirkulation.

Den övre delen av sonden har ett vridmomentsystem, som oftast består av tre eller fyra bladfjädrar som trycker ut mot borrhålets väggar. Skarpa kanter på bladfjädrarna hakar fast i väggarna och ger det nödvändiga motståndet för att förhindra att denna del av borren roterar. Vid den punkt där kabeln ansluts till sonden inkluderar de flesta borrar en släpring för att tillåta borren att rotera oberoende av kabeln. Detta för att förhindra vridmomentskador på kabeln om anti-momentsystemet misslyckas. Kärnborrar kan också ha en vikt som kan användas som en hammare för att hjälpa till att bryta kärnan, och en kammare för eventuell instrumentering eller sensorer som behövs.

Längst ner på sonden finns skärhuvudet, och ovanför detta är kärncylindern, med skruvar runt den på grunda borrar, och vanligtvis en yttre cylinder runt det, vanligtvis med invändiga vertikala ribbor eller något annat sätt att ge ytterligare impulser till de uppåtriktade sticklingarna på flygningarna. Om det finns en separat spånkammare kommer den att vara ovanför kärncylindern. Motorn, med lämplig utväxling, är också ovanför kärncylindern.

Grunda borrar kan hämta kärnor på upp till 300–350 m djup, men kärnkvaliteten förbättras avsevärt om borrvätska finns närvarande, så vissa grunda borrar har designats för att arbeta i våta hål. Tester som rapporterades 2014 visade att våtborrning, med toppen av borrvätskan inte djupare än 250 m, skulle bibehålla god kärnkvalitet.

Borrvätskor är nödvändiga för att borra djupa hål, så de kabelupphängda borrarna som används för dessa projekt använder en pump för att ge vätskecirkulation, för att ta bort skäret från borrkronan. Ett fåtal borrar avsedda för användning med borrvätska har också skruvar på innerröret. Som med grunda borrar förvaras sticklingen i en kammare ovanför kärnan. Cirkulationen kan ske i båda riktningarna: ner på insidan av borrsträngen och upp mellan kärncylindern och borrhålsväggen, eller i omvänd riktning, vilket har blivit det föredragna tillvägagångssättet i borrdesign eftersom det ger bättre borttagning av sticklingar för en lägre flödeshastighet. Borrar som kan nå djup över 1500 m är kända som djupborrsystem; de har generellt liknande konstruktioner som de mellanliggande systemen som kan borra från 400 m till 1500 m, men måste ha tyngre och mer robusta system som vinschar, och ha längre borrar och större borrskydd. Kärndiametrarna för dessa borrar har varierat från 50 mm till 132 mm, och kärnlängden från så kort som 0,35 m upp till 6 m. Ett vanligt kännetecken för dessa djupa borrar är att de kan tippas mot horisontalplanet för att göra det lättare att ta bort kärnan och skären. Detta minskar den erforderliga höjden på masten, men kräver att en djup slits skärs in i isen för att göra plats för sonden att svänga upp.

Den första kabelupphängda elektromekaniska borren uppfanns av Armais Arutunoff för användning vid mineralborrning; den testades 1947 i Oklahoma, men fungerade inte bra. CRREL förvärvade en renoverad Arutunoff-borr 1963, modifierade den för att borra i is och använde den 1966 för att förlänga ett hål vid Camp Century på Grönland till basen av inlandsisen, på 1387 m, och 4 m längre in i berggrunden.

Många andra borrar har sedan dess baserats på denna grundläggande design. En ny variant av den grundläggande EM-borrdesignen är Rapid Access Isotope Drill, designad av British Antarctic Survey för att borra torra hål till 600 m. Denna borr samlar inte en fullständig iskärna; istället samlar den issticklingar med hjälp av ett skärhuvud som liknar en skedborrare. Det resulterande åtkomsthålet kommer att användas för temperaturprofilering, och tillsammans med isotopresultaten som kommer att indikera isens ålder kommer data att användas för att modellera isprofilen ner till berggrunden för att bestämma den bästa platsen att borra för att erhålla äldsta möjliga ostörda basalis. Borren förväntas nå 600 m under 7 dagars borrning, snarare än de 2 månader som skulle behövas för att borra en kärna; hastigheten beror på att skärarna kan vara mer aggressiva eftersom kärnkvaliteten inte är ett problem, och för att borrhålet är smalt vilket minskar kraftbehovet för vinschen.

Termiska borrar

Termiska borrar fungerar genom att applicera värme på isen i botten av borrhålet för att smälta den. Termiska borrar i allmänhet kan borra framgångsrikt i tempererad is, där en elektromekanisk borr riskerar att fastna på grund av isbildning i borrhålet. Vid användning i kallare is kommer sannolikt någon form av frostskyddsmedel att införas i borrhålet för att förhindra att smältvattnet fryser i borren.

Varmvatten och ångborrar

Schematisk beskrivning av en varmvattenborr

Varmvatten kan användas för att borra i is genom att pumpa ner det i en slang med ett munstycke i änden; strålen av varmt vatten kommer snabbt att producera ett hål. Om du låter slangen dingla fritt skapas ett rakt hål; när hålet blir djupare gör slangens vikt detta svårt att hantera manuellt, och på ett djup av cirka 100 m blir det nödvändigt att dra slangen över en remskiva och anlita någon metod för att hjälpa till att sänka och höja slangen, vanligtvis bestående av en slangvinda, kapstan eller någon typ av slanghjälp. Eftersom trycket i slangen är proportionellt mot flödets kvadrat är slangdiametern en av de begränsande faktorerna för en varmvattenborr. För att öka flödeshastigheten utöver en viss punkt måste slangdiametern ökas, men detta kommer att kräva betydande kapacitetsökningar på andra ställen i borrkonstruktionen. Slangar som lindas runt en trumma innan de sätts under tryck kommer att utöva en sammandragande kraft på trumman, så trummorna måste vara av robust design. Slangarna måste lindas snyggt när de spolas upp för att undvika skador; detta kan göras manuellt för mindre system, men för mycket stora borrmaskiner måste ett system med jämnvind implementeras. Slangen bör helst ha en draghållfasthet för att bära sin vikt när den rullas in i hålet, men för mycket djupa hål kan en stödkabel behöva användas för att stödja slangen.

Ånga kan också användas i stället för varmvatten och behöver inte pumpas. En handhållen ångborr kan snabbt borra korta hål, till exempel för ablationspålar, och både ång- och varmvattenborrar kan göras tillräckligt lätta för att bäras för hand. Ett styrrör kan användas för att hålla borrhålet rakt.

I kall is kommer ett borrhål borrat med varmt vatten att stängas när vattnet fryser. För att undvika detta kan borren köras tillbaka ner i hålet och värma vattnet och därmed den omgivande isen. Detta är en form av brotschning . Upprepade brotschningar kommer att höja temperaturen på den omgivande isen till en punkt där borrhålet kommer att vara öppet under längre perioder. Men om målet är att mäta temperatur i borrhålet är det bättre att tillföra så lite tillskottsvärme som möjligt till den omgivande isen, vilket gör att en högre energiborr med hög vattenflödeshastighet är önskvärd eftersom detta blir mer effektiv. Om det finns risk för att borren fryser in kan en "bakborr" ingå i designen. Detta är en mekanism som omdirigerar varmvattenstrålen uppåt om borren stöter på motstånd vid utlösning. En separat varmvattenbrottsch kan också användas som sprutar hett vatten i sidled på borrhålets väggar när det passerar.

Borrhål som borrats med varmvatten är ganska oregelbundna, vilket gör dem olämpliga för vissa typer av undersökningar, som till exempel borrhålsförslutningshastighet eller lutningsmätningar. Det varma vattnet från munstycket kommer att fortsätta att smälta borrhålsväggarna när det stiger, och detta kommer att tendera att göra hålet konformat - om hålet borras på en plats utan ytsnö eller firna, till exempel en ablationszon i en glaciär kommer denna effekt att kvarstå till toppen av borrhålet.

Vattenförsörjningen för en varmvattenborr kan komma från vatten vid ytan, om det finns tillgängligt, eller smält snö. Smältvattnet i borrhålet kan återanvändas, men det kan bara göras när hålet tränger in under firnen till det ogenomträngliga islagret, eftersom smältvattnet kommer ut över denna nivå. Pumpen för att föra tillbaka smältvattnet till ytan måste placeras under denna nivå, och dessutom, om det finns en chans att borrhålet tränger ner till isens bas, måste borrprojektet planera för sannolikheten att detta kommer att förändras. vattennivån i hålet och se till att pumpen är under den lägsta sannolika nivån. Värmesystem är vanligtvis anpassade från de värmare som används inom högtryckstvättindustrin.

Schematisk över en ångborr

När någon termisk borrmetod används i smutsig is, kommer skräpet att samlas i botten av borrhålet och börja hindra borrningen; tillräckligt med skräp, i form av sand, småsten eller en stor sten, kunde helt stoppa framstegen. Ett sätt att undvika detta är att ha ett munstycke vinklat i 45°; genom att använda detta munstycke skapas en sidokanal som hindren går in i. Vertikal borrning kan sedan påbörjas igen och kringgå skräpet. Ett annat tillvägagångssätt är att återcirkulera vattnet i botten av hålet, med en elektrisk värmare inbäddad i borrhuvudet och filter i cirkulationen. Detta kan ta bort det mesta av de små skräp som hindrar borrhuvudet.

Ett annat problem med oren is kommer från föroreningar som tas in av projektet, såsom kläder och träfibrer, damm och grus. Att använda snö från campingplatsen för att förse borren med vatten är ofta nödvändigt i början av borrningen, eftersom hålet ännu inte har nått den ogenomträngliga isen, så att vatten inte kan pumpas tillbaka upp från botten av hålet; skottning av denna snö i borrmaskinens vatten kommer att passera dessa föroreningar genom borrmekanismen och kan skada pumparna och ventilerna. Ett fint filter krävs för att undvika dessa problem.

En tidig expedition med varma vattenborrar var 1955, till Mer de Glace ; Électricité de France använde varmt vatten för att nå basen av glaciären och använde även utrustning som sprutade flera jetstrålar samtidigt för att skapa en tunnel under isen. Mer utvecklingsarbete gjordes på 1970-talet. Varmvattenborrar kan nu borra mycket djupa hål och kan göra ren åtkomst för subglaciala sjöar: till exempel, mellan 2012 och 2019 på WISSARD/SALSA-projektet, WISSARD-borren, en medelstor varmvattenborr, borrad ren tillgång upp till 1 km vid Lake Mercer i Antarktis; och mellan 2004 och 2011 användes en stor varmvattenborr vid sydpolen för att borra 86 hål till ett djup av 2,5 km för att sätta in strängar av sensorer i borrhålen, för IceCube- projektet . Varmvattenborrborrar har också utvecklats men är känsliga för skräp som stoppar rörelsen framåt i smutsig is.

En tidig ångborr utvecklades av F. Howorka i början av 1960-talet för arbete i Alperna. Ångborrar används inte för hål djupare än 30 m, eftersom de är ganska ineffektiva på grund av termiska förluster längs slangen och tryckförluster med ökande djup under vatten. De används främst för att snabbt borra grunda hål.

Hotpoints

Istället för att använda en stråle av hetvatten eller ånga, kan termiska borrar också konstrueras för att ge värme till ett hållbart borrhuvud, till exempel genom att pumpa hett vatten ner och tillbaka upp igen inuti borrsträngen, och använda det för att smälta isen. Moderna termiska borrar använder elektrisk kraft för att värma upp borrhuvudet istället.

Det är möjligt att borra med en hotpoint som består av ett elektriskt värmeelement, direkt exponerat för isen; det betyder att elementet måste kunna fungera under vatten. Vissa borrar bäddar istället in värmeelementet i ett material som silver eller koppar som leder värmen snabbt till hotpointytan; dessa kan konstrueras så att de elektriska anslutningarna inte utsätts för vatten. Elektrotermiska borrar kräver en kabel för att få strömmen ner i hålet; kretsen kan slutföras via borrröret om ett sådant finns. En transformator behövs i borraggregatet eftersom kabeln måste ha hög spänning för att undvika strömförlust. Det är svårare att ordna el på en avlägsen plats än att generera värme via en gaspanna, så hotpointborrar används bara för borrhål upp till några hundra meters djup.

Det tidigaste försöket att använda värme för att borra i is var 1904, när C. Bernard, som borrade vid Tête Rousse-glaciären , försökte använda uppvärmda järnstänger att borra med. Stängernas ändar värmdes tills de glödde och sänktes ner i borrhålet. Den första riktiga hotpointen användes av Mario Calciati 1942 på Hosandglaciären. Calciati pumpade hett vatten från ytan ner genom borrstammen och backade upp efter att det hade passerat genom borrhuvudet. Andra hotpointdesigner har använt elektrisk uppvärmning för att värma borrhuvudet; detta gjordes 1948 av en brittisk expedition till Jungfraujoch, och av många andra borrkonstruktioner sedan dess. Hotpoints producerar inte kärnor, så de används främst för att skapa åtkomsthål.

Elektrotermiska kärnborr

Tre termiska borrkonstruktioner

Utvecklingen på 1960-talet av termiska kärnborr för mellandjupa hål föranleddes av problemen med roterande kärnborr, som var för kostsamma att använda för polära iskärnor på grund av de logistiska problem som orsakades av deras vikt. Komponenterna i en termisk borr är i allmänhet desamma som för en kabelupphängd EM-borr: båda har en mast och vinsch och en pansarkabel för att ge kraft nere i hålet till en sond, som inkluderar en kärncylinder. Inget antimomentsystem behövs för en termisk borr, och istället för en motor som ger vridmoment används kraften för att generera värme i skärhuvudet, som är ringformat för att smälta en ring av is runt kärnan. Vissa borrar kan också ha en centraliserare för att hålla sonden i mitten av borrhålet.

Sonden på en elektrotermisk borr konstruerad för att köras nedsänkt i smältvatten kan nästan helt bestå av kärnan plus det uppvärmda skärhuvudet (diagram (a) i figuren till höger). Alternativa konstruktioner för användning i kallare is (se diagram (b) till höger) kan ha ett fack ovanför kärncylindern och rör som löper ner till precis ovanför skärhuvudet; en vakuumpump suger upp smältvattnet. I dessa borrar måste smältvattnet tömmas vid ytan i slutet av varje kärnborrning.

Ett annat tillvägagångssätt (se (c) till höger) är att använda en borrvätska som är en blandning av etanol och vatten, med de exakta proportionerna som bestäms av istemperaturen. I dessa borrar finns en kolv ovanför kärncylindern och i början av en körning är kolven i botten av sonden, och utrymmet ovanför är fyllt med borrvätska. När borrarna skär nedåt trycker kärnan upp kolven och pumpar vätskan ner och ut runt skärhuvudet, där den blandas med smältvattnet och förhindrar att den fryser. Kolven är den enda rörliga delen, vilket förenklar designen; och kärncylindern kan ta upp mycket av sondens längd, medan borrar som suger ut smältvattnet för att borra i ett torrt hål måste offra en stor del av sonden för lagring av smältvatten.

Termiska övningar designade för tempererad is är lätta och enkla att använda, vilket gör dem lämpliga för användning på glaciärer på hög höjd, även om detta även kräver att borren kan demonteras till komponenter för människodriven transport till de mest otillgängliga platserna, eftersom helikoptrar kanske inte kan nå de högsta glaciärerna.

Elektrotermiska borrkonstruktioner går tillbaka till 1940-talet. En elektrotermisk borr patenterades i Schweiz i maj 1946 av René Koechlin och användes i Schweiz, och 1948 borrade en brittisk expedition till Jungfraujoch till glaciärens bädd med en elektrotermisk design. Tjugo elektrotermiska kärnborrmaskiner designades mellan 1964 och 2005, även om många konstruktioner övergavs på grund av den högre prestandan hos EM-kärnborr.

Autonoma sonder

Cryobot-design för NASA Martian iskappsond, delvis byggd 2001

Om målet är att få instrumentavläsningar inifrån isen, och det inte finns något behov av att hämta vare sig isen eller borrsystemet, kan en sond som innehåller en lång kabelspole och en varmpunkt användas. Hotpointen gör att sonden smälter sig igenom isen och rullar upp kabeln bakom den. Smältvattnet kommer att återfrysa, så sonden kan inte återvinnas, men den kan fortsätta att penetrera isen tills den når gränsen för kabeln den bär, och skicka instrumentavläsningar tillbaka upp genom kabeln till ytan. Kända som Philberth-sonder, dessa enheter designades av Karl och Bernhard Philberth på 1960-talet som ett sätt att lagra kärnavfall i Antarktis, men användes aldrig för det ändamålet. Istället anpassades de för att användas för glaciologisk forskning, nådde ett djup av 1005 meter och skickade temperaturinformation tillbaka till ytan när de testades 1968 som en del av Expédition Glaciologique Internationale au Groenland (EGIG).

Eftersom termiska sonder stödjer sin tyngd på isen i botten av borrhålet lutar de något ut ur vertikalen, vilket innebär att de har en naturlig tendens att avvika från ett vertikalt borrhål mot horisontalen. Olika metoder har föreslagits för att komma till rätta med detta. En konformad spets, med ett lager av kvicksilver ovanför spetsen, kommer att orsaka ytterligare värmeöverföring till undersidan av ett lutande borrhål, vilket ökar smälthastigheten på den sidan och återför borrhålet till det vertikala. Alternativt kan sonden konstrueras för att stödjas av is ovanför dess tyngdpunkt, genom att tillhandahålla två värmeringar, varav en är mot toppen av sonden, och har en större diameter än resten av sonden. Genom att ge denna övre ring en något lägre värmeeffekt kommer sonden att få mer lagertryck på den övre ringen, vilket ger den en naturlig tendens att svänga tillbaka till vertikalt om borrhålet börjar avvika. Effekten kallas pendelstyrning, analogt med en pendels tendens att alltid svänga tillbaka mot ett vertikalt läge.

På 1990-talet kombinerade NASA Philberth-sondens design med idéer hämtade från hetvattensövningar för att designa en cryobot -sond som hade hetvattenstrålar förutom en hotpoint-näsa. När sonden väl var nedsänkt i ett tunt lager av smältvatten, drogs vattnet in och värmdes upp igen och kom fram vid nosen som en stråle. Denna design var avsedd att hjälpa till att flytta partiklar bort från näsan, som en varmvattenborr brukar göra. En version utan analysverktyg ombord byggdes och fälttestades på Svalbard , Norge, 2001. Den trängde ner till 23 m och passerade framgångsrikt genom lager av partiklar.

Cryobots förblir i god termisk kontakt med den omgivande isen under hela sin nedstigning, och i mycket kall is kan detta tömma en betydande del av deras energibudget, vilket är ändligt eftersom de måste bära sin kraftkälla med sig. Detta gör dem olämpliga för att undersöka polarisen på Mars . Istället lade NASA till en pump till kryobotdesignen för att höja smältvatten till ytan, så att sonden, känd som SIPR (för Subsurface Ice Probe) går ner i ett torrt hål. Den lägre gravitationen på Mars gör att överbelastningstrycket på inlandsisen är mycket mindre, och ett öppet borrhål förväntas vara stabilt till ett djup av 3 km, det förväntade djupet på inlandsisen. Smältvattnet kan sedan analyseras vid ytan. Pumpning genom ett vertikalt rör kommer att orsaka blandning, så för att säkerställa diskreta prover för analys på ytan, används ett stort och ett litet rör; det lilla röret används för provtagning, och sedan får dess innehåll återvända till sonden och pumpas tillbaka upp i det stora röret för användning i experiment som inte är beroende av stratigrafi, såsom sökningar efter levande organismer. Att lämna analysinstrumenten på ytan minskar den nödvändiga storleken på sonden, vilket hjälper till att göra denna design mer effektiv.

Tillsammans med vattentransportrören ser en uppvärmd tråd till att vattnet förblir flytande ända upp till ytan, och kraft och telemetri förs också från ytan. För att hålla hålet vertikalt kan sonden känna av när den avviker, och varmvattenstrålarna justeras för att kompensera. Borren förväntas använda solenergi i drift, vilket innebär att den måste kunna fungera på mindre än 100 W i solljus. En färdigbyggd version av sonden testades framgångsrikt på Grönland 2006, med borrning till ett djup av 50 meter. NASA har föreslagit en liknande design för borrning i isen på Europa , en måne av Jupiter. Varje sådan sond skulle behöva överleva temperaturer på 500 °C medan den steriliseras för att undvika biologisk kontaminering av målmiljön.

Andra borrtyper

Snöprovtagare

Snöprover tas för att mäta snöpackningens djup och täthet i ett givet område. Mätningar av djup och densitet kan omvandlas till ett snövattenekvivalenttal (SWE), vilket är det vattendjup som skulle bli resultatet av att omvandla snön till vatten. Snöprovtagare är vanligtvis ihåliga cylindrar, med tandade ändar för att hjälpa dem att penetrera snöpaketet; de används genom att trycka ner dem i snön och sedan dra ut dem tillsammans med snön i cylindern. Att väga cylindern full med snö och subtrahera vikten på den tomma cylindern ger snövikten; provtagare har vanligtvis längsgående slitsar så att snödjupet också kan registreras, även om en provtagare av transparent material gör detta onödigt.

Provtagaren måste greppa snön tillräckligt bra för att hålla snön inne i cylindern när den tas bort från snön, vilket är lättare att åstadkomma med en cylinder med mindre diameter; större diametrar ger dock mer exakta avläsningar. Proverna måste undvika att komprimera snön, så de har släta inre ytor (vanligtvis av anodiserad aluminiumlegering , och ibland vaxad dessutom) för att förhindra att snön griper tag i cylinderns sidor när den trycks in. En provtagare kan penetrera lätt snö under sin egen vikt; tätare snöpackning, firn eller is, kan kräva att användaren roterar provtagaren försiktigt så att skärtänderna griper in. Att trycka för hårt utan att lyckas skära ett tätt lager kan få provet att trycka ner lagret; denna situation kan identifieras eftersom snönivån inuti provtagaren kommer att vara lägre än den omgivande snön. Flera avläsningar görs vanligtvis på varje plats av intresse, och resultaten beräknas i genomsnitt. Snöprovtagare är vanligtvis exakta inom cirka 5–10 %.

Den första snöprovtagaren utvecklades av JE Church vintern 1908/1909, och den vanligaste moderna snöprovtagaren, känd som Federal snöprovtagaren, är baserad på Churchs design, med vissa modifieringar av George D. Clyde och US Soil Naturvårdsverket på 1930-talet. Den kan användas för provtagning av snö upp till 9 m djup.

Penetrationsprovare

Penetrationsprovning innebär att man för in en sond i snö för att bestämma snöns mekaniska egenskaper. Erfarna snömätare kan använda en vanlig skidstav för att testa snöhårdheten genom att trycka ner den i snön; resultaten registreras baserat på förändringen i motståndet som känns när stolpen sätts in. Ett mer vetenskapligt verktyg, uppfann på 1930-talet men fortfarande i utbredd användning, är en rampenetrometer . Detta tar formen av en stav med en kon i den nedre änden. Den övre änden av stången passerar genom en vikt som används som hammare; vikten lyfts och släpps och träffar ett städ – en avsats runt stången som den inte kan passera – som driver spöet i snön. För att ta en mätning läggs spöet på snön och hammaren tappas en eller flera gånger; det resulterande penetrationsdjupet registreras. I mjuk snö kan en lättare hammare användas för att få mer exakta resultat; hammarvikter sträcker sig från 2 kg ner till 0,1 kg. Även med lättare hammare har rampenetrometrar svårt att urskilja tunna lager av snö, vilket begränsar deras användbarhet med hänsyn till lavinstudier, eftersom tunna och mjuka lager ofta är involverade i lavinbildningen.

Två lättviktsverktyg används ofta som är känsligare än rampenetrometrar. En snömikro-penetrometer använder en motor för att driva en stav i snö, och mäter den kraft som krävs; den är känslig för 0,01–0,05 newton, beroende på snöstyrkan. En SABRE-sond består av en stav som förs in manuellt i snö; accelerometeravläsningar används sedan för att bestämma penetreringskraften som behövs på varje djup och lagras elektroniskt.

För att testa tät polarsnö används ett konpenetrometertest (CPT), baserat på motsvarande anordningar som används för jordtestning . CPT-mätningar kan användas i hård snö och firn till djup av 5–10 m.

Roterande skruvriggar

24-tumsskruv som användes av den amerikanska flottan för att testa polarkonstruktionsutrustning 1967

Kommersiellt tillgängliga roterande riggar har använts med stora skruvar för att borra i is, vanligtvis för konstruktion eller för hål för att komma åt under isen. Även om de inte kan producera kärnor, har de periodvis använts av amerikanska och sovjetiska vetenskapliga expeditioner i Antarktis. 2012 använde en British Antarctic Survey- expedition för att borra ner till Lake Ellsworth , två miles under ytan av Antarktis is, en australisk jordborr som drivs av en lastbilsmonterad toppdrev för att hjälpa till att borra två 300 m hål som en del av projektet , även om projektet skulle bli försenat.

Motorskruvar utformade för att borra stora hål genom isen för vinterfiske kan monteras på ett snöfordon, en traktor eller släde; håldiametrar kan vara så höga som 350 mm. Dessa riggar har tillverkats kommersiellt i både USA och Sovjetunionen, men är inte längre i vanligt bruk.

Flame-jet borrar

En flame-jet borr, mer vanligtvis använd för att borra genom kristallina stenar, användes för att borra genom is på Ross Ice Shelf , på 1970-talet. Borren förbränner eldningsolja och kan köras under vatten så länge det finns tillräckligt med tryckluft. Den borrar snabbt, men producerar ett oregelbundet hål som är förorenat av sot och eldningsolja.

Vibrerande borrar

En sovjetdesignad borr använde en motor för att ge vertikal vibration till borrcylindern vid 50 Hz; borren hade en ytterdiameter på 0,4 m, och i tester vid Vostok Station i Antarktis borrades ett 6,5 m hål, med en 1,2 m borrning som tog mellan 1 och 5 minuter att slutföra. Borrens stålkanter pressade in snö i kärnan, vilket hjälpte den att fastna på insidan av pipan när borren vinschades ut ur hålet.

Borrsystemkomponenter

Skärare

Geometriska parametrar för fräsar

Mekaniska borrar har vanligtvis tre fräsar, jämnt fördelade runt borrhuvudet. Två fräsar leder till vibrationer och sämre kvalitet på iskärnorna, och tester av borrhuvuden med fyra fräsar har gett otillfredsställande prestanda. Geometrisk design varierar, men reliefvinkeln, α, varierar från 5–15°, med 8–10° det vanligaste området i kall is, och skärvinkeln, δ , varierar från 45° (den vanligaste i kall is) upp till 90°. Säkerhetsvinkeln mellan skärbladets undersida och isen kan vara så låg som 0,8° i framgångsrika borrkonstruktioner. Olika former för änden av bladet har prövats: platt (den vanligaste designen), spetsig, rundad och skovelformad.

Fräsar måste vara gjorda av extremt starka material och måste vanligtvis slipas efter varje 10–20 ms borrning. Verktygsstål som innehåller kol är inte idealiska eftersom kolet gör stålet sprött vid temperaturer under -20 °C. Sintrad volframkarbid har föreslagits för användning i fräsar, eftersom det är extremt hårt, men de bästa verktygsstålen är mer kostnadseffektiva: hårdmetallskärare fästs vid skärverktygets kropp genom kallpressning eller mässingslödning, och kan inte enkelt demonteras och skärpt i fält.

Skärdjupet styrs genom att montera skor på botten av borrhuvudet; dessa åker på isytan och begränsar därmed hur djupt fräsen kan penetrera i varje varv av borren. De är oftast monterade precis bakom knivarna, men denna position kan leda till att is samlas i springan mellan kniven och skon. Hittills har det inte visat sig möjligt att korrigera detta genom att modifiera skodesignen.

Borrvätskor

Borrvätskor är nödvändiga för borrhålsstabilitet i djupa kärnor och kan även användas för att cirkulera borrspån bort från borrkronan. Vätskor som används inkluderar blandningar av vatten, etanol /vatten och vatten/ etylenglykol , petroleumbränslen , icke-aromatiska kolväten och n-butylacetat .

• Vatten är det billigaste och renaste alternativet; den kan finnas på glaciärytan eller kan skapas genom termisk borrning. I kall is krävs någon form av frostskyddsmedel, eller så måste värmen återföras genom att brotscha hålet med jämna mellanrum.
• Etanol och vatten . Etanol fungerar som ett frostskyddsmedel i vatten; vid tillräckliga koncentrationer kan den reducera frystemperaturen för blandningen till långt under alla temperaturer som sannolikt kan påträffas vid isborrning. Koncentrationen måste väljas för att förhindra att vätskan fryser och även för att hålla borrhålet mot istrycket. Eftersom blandningens densitet minskar med lägre temperaturer kommer vertikal konvektion att utvecklas i borrhål där temperaturen minskar med djupet, när den lättare blandningen stiger. Detta gör att slask bildas i borrhålet, även om framgångsrik borrning fortfarande är möjlig. Etanol är ett av de billigaste alternativen för en borrvätska och kräver mindre lagringsutrymme än andra alternativ eftersom det vid användning späds ut med vatten. En sovjetisk expedition lämnade ett 800 m borrhål i Antarktis fyllt med etanol och vatten vid en istemperatur på -53 °C; efter 11 månader förblev borrhålet öppet och borrningen återupptogs utan problem. Ett problem med detta alternativ är att blandningen kommer att penetrera kärnor som har sprickor.
• Etylenglykol och vatten användes vid Camp Century 1966 i den nedre delen av hålet för att lösa upp sticklingen.
• Petroleumbränslen . Detta inkluderar diesel, flygbränsle och fotogen. De är billiga och lättillgängliga och var en gång i vanligt bruk; Nackdelarna inkluderar brandfarlighet och de aromater de innehåller, vilket är en hälsorisk.
• Icke-aromatiska kolväten . Från och med 2009 hade dessa blivit de mest använda borrvätskorna; eliminering av aromater löste hälsoproblemen med dessa vätskor. De är betydligt dyrare än obehandlade petroleumbränslen.
• n-butylacetat . Ett mycket använt bränsle på 1990-talet, eftersom det är en nära match för isens täthet, är detta nu impopulärt eftersom det löser upp många material, vilket förhindrar att de används i borrutrustningen det kommer i kontakt med. Det är också brandfarligt och frätande, och skyddskläder och i vissa fall masker kan vara nödvändiga för personer som utsätts för det.
• ESTISOL-baserade vätskor . ESTISOL är en ester, som n-butylacetat, men den har inga hälsoproblem.

Förtätare används i borrvätskor för att justera vätskans densitet för att matcha den omgivande isen. Perkloretylen och trikloretylen användes ofta i tidiga borrprogram, i kombination med petroleumbränslen. Dessa har fasats ut av hälsoskäl. Freon var en tillfällig ersättning, men har förbjudits enligt Montrealprotokollet , liksom HCFC-141b , en hydroklorfluorkolväteförtätare som användes när Freon övergavs. Framtida alternativ för borrvätskor inkluderar estrar med låg molekylvikt, såsom etylbutyrat , n-propylpropionat , n-butylbutyrat , n-amylbutyrat och hexylacetat ; blandningar av olika typer av ESTISOL; och dimetylsiloxanoljor .

Anti-vridmoment

Bladfjädrar och gångjärnsförsedda friktionsblad på CRREL-borr som användes för att borra på Byrd Station i Antarktis från 1966 till 1968

De två huvudkraven för ett anti-vridmomentsystem är att det ska förhindra rotation av sonden, och det ska tillåta enkel rörelse av borren upp och ner i borrhålet. Försök har gjorts att utforma borrar med motroterande komponenter så att det totala vridmomentet minimeras, men dessa har haft begränsad framgång. Fem typer av anti-momentsystem har utformats för användning med kabelupphängda EM-borrar, även om inte alla är i nuvarande användning, och vissa borrar har använt en kombination av mer än en design. Den första borren som krävde ett vridmomentsystem användes vid Camp Century av CRREL 1966; borren inkorporerade en uppsättning gångjärnsförsedda friktionsblad som svängde ut från sonden när borrmotorn startades. Dessa visade sig ha mycket svag friktion mot borrhålsväggen och var ineffektiva; borren måste kontrolleras noggrant för att förhindra att kabeln vrids. Inga andra övningar har försökt använda detta tillvägagångssätt.

För nästa utplacering av borren installerades bladfjädrar, och detta har visat sig vara en mer hållbar design. Dessa monteras vertikalt, med en kurva utåt så att de lätt trycks ihop av borrhålsväggen, och kan glida upp och ner med borrens rörelse. De passerar lätt genom alla områden med oregelbundenheter i borrhålet, men fjädrarnas kanter skär in i borrhålsväggen och förhindrar rotation. Bladfjädrar är mycket enkla mekaniskt, med den extra fördelen att de är lätta att justera genom att ändra avståndet mellan ändpunkterna. De kan placeras var som helst på borren som inte roterar, så de ger inte längd till sonden. Formen är vanligtvis en fjärde ordningens parabel, eftersom denna har fastställts för att ge den jämnaste belastningen mot borrhålsväggen. Bladfjädrar har visat sig vara så effektiva att de kan förhindra rotation även i tunga borrar som körs med full effekt.

Skate antimomentsystem har blad fästa på vertikala stänger som trycks mot borrhålsväggen; bladen gräver sig in i väggen och ger anti-momentet. Skridskor kan byggas med fjädrar som gör att de kan hålla bladen pressade mot väggen i ett oregelbundet borrhål och för att förhindra problem i smalare delar av borrhålet. Även om skridskor är en populär design för anti-moment och har använts med framgång, har de svårt att förhindra rotation i firn och vid gränser mellan lager med olika densiteter, och kan orsaka problem vid borrning med högt vridmoment. När de misslyckas fungerar de som brotschar och tar bort spån från väggen som kan falla ner på borrkronan och störa borrningen.

Fem olika anti-moment enheter

På 1970-talet designade den japanska Antarctic Research Expeditionsgruppen (JARE) flera borrar med sidfräsar. Dessa är kugghjul som drivs från rotationen av huvudborrmotorn via 45° spiralväxlar ; deras rotationsaxel är horisontell, och de är placerade så att tänderna skär fyra vertikala slitsar i borrhålsväggen. Styr fenor högre på sonden i dessa slitsar och ger antivridmomentet. Konstruktionen var effektiv för att förhindra rotation av sonden, men det visade sig vara nästan omöjligt att justera styrfenorna med de befintliga slitsarna vid utlösning. Felinriktning ökade risken för att borren skulle fastna i borrhålet; och det fanns också risk för att isskär från kvarnskärarna skulle fastna mellan borren och borrhålsväggen, vilket gjorde att borren fastnade. Systemet användes igen i en borr som utvecklades i Kina på 1980- och 1990-talen, men problemen med konstruktionen anses nu vara oöverstigliga och används inte längre.

Den senaste designen av anti-momentsystem är användningen av U-formade blad, gjorda av stål och fästa vertikalt på sidorna av sonden. Initiala implementeringar stötte på problem med tunna blad som böjdes för lätt och tjocka blad som ger för mycket motstånd mot vertikala rörelser av sonden, men den slutliga designen kan generera starkt motstånd mot vridmoment i både firn och is.

Borrar kan utformas med mer än ett antimomentsystem för att dra fördel av de olika konstruktionernas olika prestanda i olika typer av snö och is. En borrmaskin kan till exempel ha skridskor som ska användas i hård firn eller is, men också ha ett bladfjädersystem, vilket blir mer effektivt i mjuk firn.

Bryta och hålla kvar kärnor

Kärnhund i oengagerad och engagerad position

Vid iskärnborrning, när en ring har borrats runt kärnan som ska hämtas, är kärnan fortfarande fäst vid inlandsisen vid dess nedre ände, och denna förbindelse måste brytas innan kärnan kan hämtas. Ett alternativ är att använda en hylsa, som är en avsmalnande ring inuti skärhuvudet. När borren dras upp trycker spännhylsan ihop kärnan och håller fast den, med lösa isflis inkilade i den som ökar kompressionen. Detta bryter kärnan och håller den i pipan när den väl har gått sönder. Spännhylsor är effektiva i firn men mindre så i is, så kärnhundar, även kända som kärnfångare, används ofta för iskärnor.

En typisk isborrkärna har en hundbensform och kommer att byggas in i borrhuvudet med förmågan att rotera och med en fjäder som ger ett visst tryck mot kärnan. När borren lyfts, griper den vassa spetsen på kärnan och roterar runt, vilket gör att kärnan går sönder. Vissa kärnhundar har en axel för att hindra dem från att överrotera. De flesta borrhuvuden har tre kärnan, även om det är möjligt att ha endast två kärnan; den asymmetriska skjuvkraften hjälper till att bryta kärnan. Vinkeln, δ , mellan kärnan och kärnan, har varit föremål för en del undersökningar; en studie 1984 drog slutsatsen att den optimala vinkeln var 55°, och en senare studie drog slutsatsen att vinkeln borde vara närmare 80°. Kärnfångare är gjorda av härdat stål och måste vara så vassa som möjligt. Kraften som krävs för att bryta kärnan varierar med temperatur och djup, och i varm is kan kärnans hundar sticka upp spår i kärnan innan de fångar och den går sönder. Vissa borrar kan också innehålla en vikt som kan användas som en hammare, för att ge en stöt som hjälper till att bryta kärnan.

För snö och firn, där kärnmaterialet riskerar att falla ur botten av kärnan, är en korgfångare ett bättre val. Dessa fångar består av fjädertrådar eller tunna bitar av plåt, placerade radiellt runt botten av kärnan och pressas mot sidan av pipan av kärnan när borren går ner runt den. När borren lyfts kommer ändarna av fångaren i ingrepp med kärnan och bryter den från basen och fungerar som en korg för att hålla den på plats medan den förs till ytan.

Hölje

Hölje, eller fodring av ett hål med ett rör, är nödvändigt närhelst borrningsoperationer kräver att borrhålet isoleras från omgivande permeabla snö och firna. Okapslade hål kan borras med vätska genom att använda en slang nedsänkt i hålet, men detta kommer sannolikt att leda till ökad borrvätskeförbrukning och miljöförorening från läckor. Stålhölje användes på 1970-talet, men rost från höljet orsakade skador på borrarna, och höljet var inte tätat, vilket ledde till vätskeläckage. Det fanns också problem med att höljesrören inte centrerades, vilket orsakade skador på borrkronan när den sänktes ner genom höljet. Glasfiber- och HDPE- hölje har blivit vanligare, med kopplingar tätade med PTFE-tejp , men läckor är vanliga. Värmesvetsning för HDPE-hölje är en möjlig lösning. För att täta botten av höljet kan vatten pumpas till botten av hålet när höljet är satt, eller ett termiskt huvud kan användas för att smälta is runt höljeskon, vilket skapar en tätning när vattnet fryser igen. Ett annat tillvägagångssätt är att använda en varmpunktsborr, som mättar snön och bränner med smält vatten, som sedan fryser och tätar borrhålet.

PVC- slang med låg temperatur är inte lämplig för permanent hölje, eftersom den inte kan tätas i botten, men den kan användas för att passera borrvätska genom den permeabla zonen. Dess fördel är att den inte kräver några anslutningar eftersom den kan rullas upp på en rulle för utplacering.

Se även

• Historia om isborrning

Anteckningar

Den här artikeln skickades till WikiJournal of Science för extern akademisk referentgranskning 2018 ( granskarrapporter ) . Det uppdaterade innehållet återintegrerades på Wikipedia-sidan under en CC-BY-SA-3.0- licens (). Den granskade versionen av rekordet är:    Mike Christie; et al. (12 april 2019). "Isborrningsmetoder" (PDF) . WikiJournal of Science . 2 (1): 2. doi : 10.15347/WJS/2019.002 . ISSN 2470-6345 . Wikidata Q63133851 .

Källor

• Aamot, Haldor VM (juli 1967). Pendelstyrning för termiska sonder i glaciärer (Rapport). Hanover, New Hampshire: Cold Regions Research and Engineering Laboratory.
• Aamot, Haldor VM (1968). "Instrument och metoder: instrumenterade sonder för djupa glaciala undersökningar" ( PDF) . Journal of Glaciology . 7 (50): 321–328. doi : 10.3189/s0022143000031087 .
•   Alley, Richard B. (2000). Two Mile Time Machine . Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 0-691-10296-1 .
• Anonym (30 juni 2017). Long Range Drilling Technology Plan (Rapport). Madison, Wisconsin: Ice Drilling Design and Operations.
•   Barry, Roger; Gan, Thian Yew (2011). Den globala kryosfären: förflutna, nutid och framtid . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-76981-5 .
•   Benson, T.; Cherwinka, J.; Duvernois, M.; Elcheikh, A.; Feyzi, F.; Greenler, L.; Haugen, J.; Karle, A.; Mulligan, M.; Paulos, R. (2014). "IceCube Enhanced Hot Water Drill funktionsbeskrivning" (PDF) . Annals of Glaciology . 55 (68): 105–114. Bibcode : 2014AnGla..55..105B . doi : 10.3189/2014AoG68A032 . S2CID 129980432 .
•   Bentley, Charles R.; Koci, Bruce R.; Augustin, Laurent J.-M.; Bolsey, Robin J.; Green, James A.; Kyne, Jay D.; Lebar, Donald A.; Mason, William P.; Shturmakov, Alexander J.; Engelhardt, Hermann F.; Harrison, William D.; Hecht, Michael H.; Zagorodnov, Victor (2009). "Isborrning och kärnborrning". I Bar-Cohen, Kris; Zacny, Kris (red.). Borrning i extrema miljöer . Weinheim, Tyskland: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40852-8 .
•   Bird, Ian G. (1976). "Termisk isborrning: australiensisk utveckling och erfarenhet". I Splettstoesser, John F. (red.). Iskärnborrning . Lincoln, Nebraska: University of Nebraska Press. s. 1–18. ISBN 0-8032-5843-7 .
• Blake, Erik W.; Wake, Cameron P.; Gerasimoff, Michael D. (1998). "ECLIPSE-borren: en fältbärbar isborrning med medeldjup" (PDF) . Journal of Glaciology . 44 (146): 175–178. Bibcode : 1998JGlac..44..175B . doi : 10.3189/S0022143000002471 .
• Blümcke, Adolf; Hess, Hans (1899). Untersuchungen Am Hinterreisferner (på tyska). München: Deutschen und Österreichischen Alpenvereins.
• Blümcke, Adolf; Hess, Hans (1910). "Tiefbohrungen am Hinterisgletscher 1909" . I Brückner, Eduard (red.). Zeitschrift für Gletscherkunde, für Eiszeitforschung und Geschichte des Klimas (på tyska). Vol. IV. Grenoble, Frankrike: Gebrüder Borntraeger. s. 66–70.
•   Bradley, Raymond S. (2015). Paleoklimatologi: Rekonstruktion av klimatet i kvartären . Amsterdam: Academic Press. ISBN 978-0-12-386913-5 .
• Cao, Pinlu; Chen, Baoyi; Liu, Chunpeng; Talalay, Pavel; Yang, Cheng (2015). "Experimentell undersökning av skärtemperatur vid isborrning". Kalla regioner vetenskap och teknik . 116 (116): 78–85. doi : 10.1016/j.coldregions.2015.04.008 . \
• Cardell, G.; Hecht, MH; Carsey, FD; Engelhardt, H.; Fisher, D.; Terrell, C.; Thompson, J. (2004). Den underjordiska issonden (SIPR): en termisk sond med låg effekt för Mars polära skiktade avlagringar ( PDF) . Lunar and Planetary Science XXXV (Rapport). Lunar and Planetary Institute . Hämtad 16 mars 2018 .
• Clarke, Garry KC (1987). "En kort historia av vetenskapliga undersökningar på glaciärer" . Journal of Glaciology . Specialnummer (S1): 4–24. Bibcode : 1987JGlac..33S...4C . doi : 10.3189/s0022143000215785 .
• Desor, Pierre (1845) [1844]. Nouvelles excursions et séjours dans les glaciers et les hautes régions des Alpes, de M. Agassiz et de ses compagnons de voyage ( på franska). Paris: L. Maison.
•    Gerrard, JAF; et al. (22 juli 1952). "Mätning av hastighetsfördelningen längs en vertikal linje genom en glaciär". Proceedings of the Royal Society of London . 213 (1115): 546–558. Bibcode : 1952RSPSA.213..546G . doi : 10.1098/rspa.1952.0144 . JSTOR 72546791 . S2CID 129112214 .
• Gillet, F. (1975). "Instrument och metoder: ånga, varmvatten och elektriska termiska övningar för tempererade glaciärer" ( PDF) . Journal of Glaciology . 14 (70): 171–179. doi : 10.3189/s0022143000013484 .
• Goetz, JJ; Shturmakov, AJ (2013). "Design av en ny IDDO handskruv". 7:e internationella workshopen om isborrningsteknik . Madison, Wisconsin: University of Wisconsin. sid. 66.
• Hansen, B. Lyle (1994). "Djup kärnborrning i is" . Memoirs of National Institute of Polar Research . 49 (Special): 5–8.
•   Hay, William W. (2015). Experimentera på en liten planet . Berlin: Springer. ISBN 978-3-319-27402-7 .
• Howorka, F. (1965). "Instrument och metoder: en ångdriven borr för installation av ablationspålar på glaciärer" ( PDF) . Journal of Glaciology . 5 (41): 749–750. doi : 10.3189/s002214300001875x .
•   Hubbard, Bryn; Glasser, Neil (2005). Fälttekniker i glaciologi och glacial geomorfologi . Chichester, Storbritannien: Wiley. ISBN 978-0-470-84427-4 .
• Iken, A.; Röthlisberger, H.; Hutter, K. (1976). "Djupborrning med varmvattenstråle". Zeitschrift für Gletscherkunde und Glazialgeologie . 12 (2): 143–156.
•   Kasser, P. (1960). "Ein leichter thermischer Eisbohrer als Hilfsgerät zur Installation von Ablationsstangen auf Gletschern". Ren och tillämpad geofysik (på tyska). 45 (1): 97–114. Bibcode : 1960GeoPA..45...97K . doi : 10.1007/bf01996577 . S2CID 129372044 .
•   Knight, Peter (1999). Glaciärer . Cheltenham, Storbritannien: Stanley Thornes. ISBN 0-7487-4000-7 .
• Koci, Bruce R. (2002). "En genomgång av höghöjdsborrning" . Memoirs of National Institute of Polar Research . 56 (Special): 1–4.
• Koechlin, René: Patent CH240634 (A) – Procédé pour sonder les glaciers et installation pour sa mise en oeuvre. Europeiska patentverket, 1 maj 1946
• Kyne, Jay; McConnell, Joe (2007). "The PrairieDog: en kärnborr med dubbla fat för "handborrning" . Annals of Glaciology . 47 (1): 99–100. Bibcode : 2007AnGla..47...99K . doi : 10.3189/172756407786857703 .
• Langway, CC (maj 1967). Stratigrafisk analys av en djup iskärna från Grönland (Rapport). Hanover, New Hampshire: Cold Regions Research and Engineering Laboratory.
• Linell, Kenneth (1954). "Isborrnings- och kärnborrningsutrustning". Proceedings of Eastern Snow Conference . 2 :4–6.
•   Mellor, Malcolm; Sellmann, Paul V. (1976). "Allmänna överväganden för utformning av borrsystem". I Splettstoesser, John F. (red.). Iskärnborrning . Lincoln, Nebraska: University of Nebraska Press. s. 77–111. ISBN 0-8032-5843-7 .
• Mercanton, P.-L. (1905). "Forages glaciaires" . Archives des Sciences Physiques et Naturelles (på franska). 19 : 367–379, 451–471.
• Morev, VA; Zagorodnov, VS (1992). Borrning av borrhål med stor diameter i snö och firn (Rapport). Fairbanks, Alaska: Polar Ice Coring Office.
•   Nationalakademiernas nationella forskningsråd (2007). Utforskning av antarktiska subglaciala vattenmiljöer: miljömässigt och vetenskapligt förvaltarskap . Washington DC: National Academies Press. ISBN 978-0-309-10635-1 .
• Nizery, A. (februari 1951). "Elektrotermisk rigg för borrning av glaciärer". Transaktioner, American Geophysical Union . 32 (1): 66–72. Bibcode : 1951TrAGU..32...66N . doi : 10.1029/TR032i001p00066 .
•   Paterson, WSB (1981). The Physics of Glaciers (2nd ed.). Oxford: Pergamon Press. ISBN 0-08-024004-6 .
• Philberth, K. (oktober 1972). Stabilisera kursen för en termisk sond (rapport). Hanover, New Hampshire: Cold Regions Research and Engineering Laboratory. Originalpublikation som Philberth, K. (februari 1966). "Sur la stabilization de la course d'une sonde thermique". Comptes rendus de l'Académie des sciences (på franska). 262 (6): 456–459. Översatt av US Joint Publications Research Service.
•   Philberth, Karl (1976). "Djupborrningsmetoden för termisk sond av EGIG 1968 vid Station Jarl-Joset, centrala Grönland". I Splettstoesser, John F. (red.). Iskärnborrning . Lincoln, Nebraska: University of Nebraska Press. s. 117–132. ISBN 0-8032-5843-7 .
• Ract-Madoux, M .; Reynaud, L. (1951). "L'exploration des glaciers en profondeur" (PDF) . La Houille Blanche (på franska). 37 (Special): 299–308. doi : 10.1051/lhb/1951009 .
• Rado, Claude; Girard, Claude; Perrin, Jacky (1987). "Instrument och metoder: en självspolande varmvattensborrningsapparat för glaciärer med skräp" ( PDF) . Journal of Glaciology . 33 (114): 236–238. doi : 10.3189/s0022143000008741 .
• Reeh, N. (1984). "Antitorque leaf springs: a design guide for ice-drill antitorque leaf springs" . I Holdsworth, G.; Kuivinen, KC; Rand, JH (red.). Isborrningsteknik . Hanover, New Hampshire: Cold Regions Research and Engineering Laboratory. s. 69–72.
• Remenieras, G.; Terrier, M. (1951). "La sonde électrothermique EDF pour le forage des glaciers" (PDF) . Assemblée Générales de Bruxelles: Tome I (på franska). Bryssel: L'Association Internationale D'Hydrologie Scientifique. s. 254–260.
• Renaud, A.; Mercanton, PL (1948) Les Sondages Sismiques de la Commission Helvétique des Glaciers . Publications du Bureau Central Seismologique International, Travaux Scientifique, Serie A. Fascicule 17, Communications presentées à la conférence de Union Geodesique et Geophysique International d'Oslo, augusti 1948.
• Reynaud, L.; Courdouan, P. (1962). "Reconnaissance du thalweg sous-glaciaire de la Mer de Glace en vue de l'etablissement d'une prize d'eau" ( PDF) . La Houille Blanche . 48 (Special): 808–816. doi : 10.1051/lhb/1962014 .
• Sharp, Robert P. (1951). "Termisk regim för firn på Upper Seward Glacier, Yukon Territory, Kanada" . Journal of Glaciology . 1 (9): 476–487. Bibcode : 1951JGlac...1..476S . doi : 10.1017/S0022143000026460 .
• Sharp, Robert P. (1953). "Deformation av ett vertikalt borrhål i en Piemonte-glaciär" (PDF) . Journal of Glaciology . 2 (13): 182–184. Bibcode : 1953JGlac...2..182S . doi : 10.1017/S0022143000025685 .
•   Sheldon, Simon G.; et al. (2014). "Lovande nya borrhålsvätskor för iskärnborrning på den östra Antarktiska högplatån" ( PDF) . Annals of Glaciology . 55 (68): 260–270. Bibcode : 2014AnGla..55..260S . doi : 10.3189/2014AoG68A043 . S2CID 130184013 .
• Skomakare, Brian (23 oktober 2002). "Intervju av Herb Ueda". Byrd Polar Research Centers arkivprogram . hdl : 1811/44677 .
• Shreve, RL (1962). "Teorin om prestanda för isotermiska solid-nos hotpoints tråkiga i tempererad is" ( PDF) . Journal of Glaciology . 4 (32): 151–160. Bibcode : 1962JGlac...4..151S . doi : 10.1017/S0022143000027362 .
•   Siegert, Martin J.; Makinson, Keith; Blake, David; Mowlem, Matt; Ross, Neil (2014). "En bedömning av djupt hetvattensborrning som ett sätt att genomföra direkta mätningar och provtagning av antarktiska subglaciala sjöar: erfarenhet och lärdomar från Lake Ellsworth-fältsäsongen 2012/13" (PDF ) . Annals of Glaciology . 55 (65): 59–73. Bibcode : 2014AnGla..55...59S . doi : 10.3189/2014AoG65A008 . S2CID 131514388 .
• Souney, Joseph M.; Twickler, Mark S.; Hargreaves, Geoffrey M.; Bencivengo, Brian M.; Kippenhan, Matthew J.; Johnson, Jay A.; Cravens, Eric D.; Neff, Peter D.; Nunn, Richard M.; Orsi, Anais J.; Popp, Trevor J.; Rhoades, John F.; Vaughn, Bruce H.; Voigt, Donald E.; Wong, Gifford J.; Taylor, Kendrick C. (31 december 2014). "Kärnhantering och bearbetning för WAIS Divide iskärnprojekt" . Annals of Glaciology . 55 (68): 15–26. Bibcode : 2014AnGla..55...15S . doi : 10.3189/2014AoG68A008 .
• Süsstrunk, A. (1951). "Sondage du Glacier par la méthode sismique" (PDF) . La Houille Blanche . 37 (Special): 309–318. doi : 10.1051/lhb/1951010 .
• Talalay, Pavel G. (april 2012). Borrhuvuden för de elektromekaniska djupisborrarna ( Rapport). Jilin University, Kina: Polar Research Center.
•   Talalay, Pavel G. (2014). "Perspektiv för utveckling av iskärnborrningsteknik: en diskussion" ( PDF) . Annals of Glaciology . 55 (68): 339–350. Bibcode : 2014AnGla..55..339T . doi : 10.3189/2014AoG68A007 . S2CID 131606358 .
•   Talalay, Pavel G. (2016). Mekanisk isborrningsteknik . Springer (Singapore) och Geological Publishing House (Peking)). ISBN 978-981-10-0559-6 .
• Talalay, Pavel G.; Fan, Xiaopeng; Zheng, Zhichuan; Xue, Jun; Cao, Pinlu; Zhang, Nan; Wang, Rusheng; Yu, Dahui; Yu, Chengfeng; Zhang, Yunlong; Zhang, Qi; Su, Kai; Zhan, Dongdong; Zhan, Jiewei (2014). "Anti-moment system av elektromekaniska kabelupphängda borrar och testresultat" . Annals of Glaciology . 55 (68): 207–218. Bibcode : 2014AnGla..55..207T . doi : 10.3189/2014AoG68A025 .
• Uchida, Tsutomu; Duval, P.; Lipenkov, V.Ya.; Hondoh, T.; Mae, S.; Shoji, H. (1994). "Spröd zon och lufthydratbildning i polarisar" . Memoirs of National Institute of Polar Research . 49 : 298-305.
• Ueda, Herbert T. (2002). "Några tankar om design av djupa kärnborrsystem" . Memoirs of National Institute of Polar Research . 56 (Special): 126–135.
• Vallot, J. (1898). "Exploration des moulins de la mer de glace: Forage de M. Émile Vallot" . I Steinheil, G. (red.). Annales de l'Observatoire météorologique physique et glaciaire du Mont-Blanc (på franska). Vol. 3. Paris. s. 190–193.
• von Drygalski, Erich (1904). Deutsche Südpolar-Expedition (på tyska). Berlin: Georg Reimer.
• Ward, WH (1961). "Erfarenheter av elektrotermiska isborrar på Austerdalsbre 1956–59" ( PDF) . Assemblée Générales de Helsinki: Commission des Neiges et Glaces . Gentbrugge, Belgien: L'Association Internationale D'Hydrologie Scientifique. s. 532–542.
• Wehrle, E. (1985). "En grund kärnsamlande mekanisk isborr". I Jacka, TH (red.). ANARE Research Notes 28 . Kingston, Tasmanien: Australian National Antarctic Research Expeditions. s. 196–201.
• Zagorodnov, V.; Kelly, JJ; Koci, B.; Stanford, KL; Collins, J. (maj 1992). Riktningsborrning (Rapport). Fairbanks, Alaska: Polar Ice Coring Office.
• Zagorodnov, V.; Thompson, LG (2014). "Termiska elektriska iskärnborrar: historia och nya designalternativ för borrning på mellandjup" . Annals of Glaciology . 55 (68): 322–330. Bibcode : 2014AnGla..55..322Z . doi : 10.3189/2014AoG68A012 .
• Zagorodnov, V.; Thompson, LG; Kelly, JJ; Koci, B.; Mikhalenko, V. (1998). "Antifreeze termisk iskärnborrning: ett effektivt tillvägagångssätt för förvärv av iskärnor". Kalla regioner vetenskap och teknik . 116 (28): 189–202. doi : 10.1016/s0165-232x(98)00019-6 .