探地雷達在通州城市副中心考古勘探中的應用

李遠強，魏 然，吳 彬，馬志飛，李曉瑋

（1.北京市地質研究所，北京100120；2.北京市文物研究所，北京 100009）

探地雷達在通州城市副中心考古勘探中的應用

李遠強1，魏 然2，吳 彬1，馬志飛1，李曉瑋1

（1.北京市地質研究所，北京100120；2.北京市文物研究所，北京 100009）

隨著城市建設快速發展，考古勘探的工作量增大，而且時間周期變短，傳統的考古勘探難以適宜城市快速建設發展的需要，同時洛陽鏟對文物也會造成輕微損害。本文以北京市通州城市副中心工程建設項目為例，論述了探地雷達法通過電磁波的反射波原理，提取地下地層介質的物理性質信息，經綜合分析，劃分出異常區和非異常區。在異常區可能存在古墓、遺址等，通過進行洛陽鏟驗證，確定是否為古墓、遺址等；非異常區為自然沉積地層，不存在古墓、遺址，通過洛陽鏟驗證，確定非異常區不存在古墓。采用這種探地雷達和洛陽鏟相結合的方法，可以快速圈定面積較大的非異常區，提高勘探效率，縮短勘探時間，減少對文物的損壞。

探地雷達；通州城市副中心；洛陽鏟；考古勘探

0 引言

隨著北京城市建設的快速發展，大量的基礎建設需要開挖地下基坑，這可能會破壞地下古墓、遺址等文物，對考古工作造成不可挽回的損失。進行傳統的洛陽鏟考古勘探，需要大量的人力，時間也較長，對文物也會造成損害。大面積的城市建設開發，需要短時間內快速完成勘探工作，進入文物發掘，保證工程建設按期完成。

北京市通州城市副中心工程建設時間緊、任務重，若能盡快完成考古勘探工作，會給整個工程的順利完成提供保證。在這種環境條件下，采用高科技快速的物探方法，成為了首要選擇。電子科學技術的發展，已經使物探方法技術突飛猛進，快速采樣、海量數據、快速處理、三維模擬等已成為物探方法的新特點，高效率的工作方式越來越得到社會的認可。依據該工程建設的特點，物探方法的選取經過篩選和比較，采樣探地雷達無損探測的方法進行探測。該方法可以提高勘探效率、節約勘探成本、降低對文物的損壞。探地雷達方法曾在金沙遺址考古中進行應用（王亮等，2008），其主要用于文物發掘過程，起到超前探測超前預報的作用，對文物的指導發掘取得了良好的效果。國外也采用該方法對羅馬城進行考古勘探（Neubauer et al, 2002），對古城遺址進行了空間位置的定位，避免了發掘的盲目性。

1 方法原理及儀器設備

探地雷達（Ground Penetrating Radar,簡稱GPR）方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜(1MHz----1G MHz)電磁波技術，它利用一個天線發射（T）高頻率短脈沖寬頻帶電磁波，另—個天線接收（R）來自地下介質反射界面的反射波，根據雙程走時來確定地下界面的深度（王惠濂，1993；李大心，1994）。

本次探測實驗采用加拿大pulse EKKO Pro 探地雷達，配置200MHz-100MHz天線進行。該儀器系統集成化高、數字化、分辯率高、可實時數據處理和信號增強。

2 方法實驗

通州城市副中心地處潮白河下游沖積扇，表層0.5～1.0m厚雜填土，之下為自然沉積的地層：第四系粘質粉土和粉質粘土，地下水位深度大于8m。實驗場地分為雜填土之上和清除雜填土之后兩種情況，實驗采用100MHz天線和200MHz天線，點距0.1m、0.2m、0.5m。

實驗結果是清理完雜填土之后的探測效果明顯好于清理之前，這是由于文物探測屬于弱物性差異地球物理勘探，雜填土引起的干擾異常往往比地下文物（特別是土坑墓）的異常信號強，增大了異常判識的多解性和難度。

實驗100MHz天線和200MHz天線的探測有效深度分別大約為8m和4m（圖1）。200MHz天線的分辨率高于100MHz天線，其淺部異常特征明顯，異常體(測線11-14m、深1.5m)細部特點也非常詳細；100MHz天線異常也有顯示，其細部特點不明顯，探測深度較深。但考慮到洛陽鏟文物勘探深度為5m，故采用100MHz天線進行探測。

點距的實驗結果為0.1m橫向分辨率好于0.2m，0.2m橫向分辨率好于0.5m，兼顧探測精度和效率，采用0.2m測點距較為適宜（圖2）。0.1m點距野外探測效率較低，難以滿足時間要求；0.5m點距野外探測效率較高，但其橫向分辨率較低，圖像略顯粗糙，后期解譯難度較大，易遺漏異常。

圖1 不同頻率實驗探地雷達剖面圖Fig.1 GPR prof le of different frequency

圖2 不同點距實驗探地雷達剖面圖Fig.2 GPR prof le of different step

3 測線布置及數據采集

測線的布置是依據探測目標體的大小、形態和分布而定的，該區域墓葬主要以近南北向為主，土坑墓大小約為0.8m×2.0m不等，磚室墓規模稍大，故測線布置以東西向為主；測線間距不大于目標體的二分之一，本次工作的特點是埋藏物小，不能漏測，故確定了1m線間距，0.2m點間距的探測方案。由于施工條件限制，儀器探測分測區進行。局部干擾較多處、儀器無法探測到的地方，需要洛陽鏟補充勘探。

整個A6地塊場地條件較差，干擾物多，全區只能分測區進行探測，每個測區面積幾百平方米至幾千平方米不等，共分為35個測區進行。這增加了現場探測的難度和后期資料處理、成果解譯的時間。

數據采集采用32次疊加，多道平均后存入存儲卡，起到及時濾除隨機干擾波的作用，減輕了后期數據處理的工作量。在地形平坦處使用小推車裝置連續探測，加快探測速度，可加密點距到0.1m，探測精度提高。

4 數據處理及圖像解譯

探地雷達的記錄數據在室內進行分析和處理，分為兩個階段：一是將記錄數據處理成圖象進行巡視，然后查實、確認背景值、標志層與異常，確定突出異常的相關濾波處理參數。二是用專業軟件程序生成探地雷達反射波彩色圖像。

圖像解譯是識別正常地層的反射波、干擾波、異常波形，要充分了解探測環境，包括地上環境和地下環境，地形變化、建筑物等都會引起雷達波的反射異常，地下地層的巖性、含水率等也會對反射波造成影響。所以，圖像解譯要參照多方面的因素進行綜合分析解譯。

5 探測成果

5.1 提高文物勘探效率

通過探地雷達法探測，提取地下介質的物理性質信息，經綜合分析，劃分出異常區和非異常區。異常區有可能存在古墓、遺址等，進行洛陽鏟驗證，確定是否為古墓、遺址等；非異常區為自然沉積地層，不存在古墓、遺址等，非異常區也進行洛陽鏟隨機驗證。

A6地塊完成探測面積21553㎡，圈定異常區域389個，面積4046㎡，占總探測面積的18.8%；非異常區域面積17507㎡，占全部面積的81.2%。洛陽鏟勘探面積大大減少，縮短了文物勘探周期。洛陽鏟勘探5m深度效率為30㎡/人·天，整個A6地塊探測完畢需要100人近8天才可以完成；而采用“探地雷達+洛陽鏟”，通過A6地塊總結計算，效率折合為102㎡/人·天。

圖3 A6地塊35測區測線布置圖（紅線為異常區，藍圈為古墓）Fig.3 Survey line map of A6 p lot 35 area (red line for abnorm al, blue circle for tomb)

圖3為A6地塊35測區探測成果圖，測線覆蓋區域圈定了4個異常，洛陽鏟在異常區驗證勘探，非異常區隨機布孔勘探。“探地雷達+洛陽鏟”的勘探方式大量的減少了洛陽鏟勘探的數量，節約了勘探時間，提高了勘探的效率，為A6地塊工程建設的周期提供了時間保障。

5.2 圖像異常的識別

正常沉積地層的物性分布均勻，呈水平層狀分布，在探地雷達圖像上波形表現為同相軸連續，層狀特征明顯（圖4）；墓葬、遺址等文化層，其土質非正常沉積地層，土質被擾動，其結構和性質會發生變化，致使其物理性質異于周邊土質，其探地雷達圖像具有同相軸錯斷、同相軸錯動下沉、斜向相對（或單支）同相軸和雷達波波形雜亂等特征。

圖4 A6地塊07測區L07測線探地雷達剖面圖（無擾動）Fig.4 GPR prof le of A6 p lot 07 survey area L07 line (no soil disturbance)

圖5 A6地塊35測區L11測線探地雷達剖面圖Fig.5 GPR prof le of A6 p lot 35 survey area L11 line

35測區L11測線探地雷達圖像（圖5），測線0～13m位置深0～5m雷達波均一穩定，反映出地下地層水平沉積，一致性好，無擾動跡象；測線15～18m處深1.5～3m，同相軸錯斷，且頂部處出現圓弧形反射波，推測該處地下土質存在變化，經洛陽鏟驗證為土質擾動，但不是墓葬或遺址；測線23～33m處深1.8～2.8m同相軸多次近垂直錯斷，波形也比較雜亂，反映出地下地層被擾動，后經洛陽鏟驗證：該處為兩處相鄰磚室墓，編號M10（照片1）。

圖6為06測區L10測線探地雷達剖面圖局部，在測線45～54m處深0.5～1.5m，存在一淺部的水平板狀異常體，其表現為同相軸的水平狀向下平移錯動，其下部雷達波波形呈凹形，不同于周圍土質近水平的反射波，推測其下部土質被擾動。經洛陽鏟勘探驗證該處為古取土坑,其文物價值不大，沒有進行發掘。由此可見，探地雷達對于微弱的土質擾動反映也是很明顯的。

5.3 探測準確度分析

通州城市副中心A06地塊物探區域內與異常區有重合的磚室墓4座，土坑墓1座。物探區域內實際發掘墓葬7座，磚室墓5座，土坑墓2座。出現漏探的1座磚室墓是由地形上存在土坑，妨礙探測，導致無法布置測線所致；漏探的1座土坑墓是由于其處電線桿及變壓器附近，電磁波受到干擾所致。干擾區域可以用洛陽鏟補充勘探的方法進行彌補，解決漏探的問題。

照片1 M 10磚室墓照片（鏡向280°）Pic.1 M 10 brick tom b (lens direction 280°)

圖6 A6地塊06探測區L10測線（局部）探地雷達剖面圖Fig.6 GPR prof le of A6 p lot 06 survey area L10 line (part)

所以，采用探地雷達單一方法，在干擾區域會出現遺漏現象，如果采用多種物探方法，或“探地雷達+洛陽鏟”的綜合勘探方法，可降低遺漏的風險。

6 結論

（1）采用“探地雷達+洛陽鏟”的科技考古新方法，可以快速、經濟地完成文物勘探，能夠適應城市基礎建設中受制約的時間特點。

（2）探測過程無損于文物，與傳統文物勘探手段對比，其降低了對文物損壞的風險。

（3）地下磚室墓的探地雷達特征為同相軸的垂向錯斷。

（4）探測成果中豐富的地下介質物理信息，還可以指導后期的文物發掘工作。

在以后的城市建設基礎施工中，這種科技考古的新方法會在文物勘探領域有廣闊的應用前景。

Neubauer W, Eder-Hinterleitner A, Seren S et al, 2002. Georadar in the Roman civil town carnuntum, Austria: an approach for archaeological interpretation of GPR data[J]. Archaeological Prospection, 9(3)：135-156.

李大心，1994. 探地雷達方法及應用[M]. 北京：地質出版社.王亮，王緒本，李正文，2008. 探地雷達在金沙遺址考古探測中的應用研究[J]. 物探與化探，32(4)：401-403.

王惠濂，1993. 探地雷達概論[J]. 地球科學：中國地質大學學報，18(3)：249-256.

勘誤表

《城市地質》2016年第4期目錄倒數第10行，“余建強，劉翠景，劉兵川”改為“余建強，劉克文，劉翠景，劉兵川”。

Ground Penetrating Radar App lied to the Archaeology in Tongzhou Deputy Center

LI Yuanqiang1, WEI Ran2, WU Bin1, MA Zhifei1, LI Xiaowei

(1. Beijing Institute of Geology, Beijing 100120; 2. Beijing Municipal Institute of Cultural Relics, Beijing 100009)

By the rapid development of urban construction, archaeological exploration workload is being increased and exploration time is shorter and shorter. It is diff cult for the traditional archaeological exploration to adapt rapid urban construction; meanwhile Luoyang spade (a kind of digging tool) w ill cause minor damages to cultural relics. Base on the archaeological exploration in Tongzhou Deputy Center, The paper discusses the ground penetrating radar principle of electromagnetic wave, physical information of underground, analysis data and delineation anomalous and non-anomalous area. In the anomalous area, Luoyang spade exploration w ill discover the abnormal is tombs, ruins, or something else. Non-anomalous area is also proved natural sedimentary by Luoyang spade, there is no tombs, ruins. The combining methods of ground penetrating radar and Luoyang Spade can quickly delineated area larger non-abnormal area, improve the eff ciency of exploration, more shorter than traditional archaeological exploration. This method can meet the construction period, and reduce damages to cultural.

Ground Penetrating Radar, Tongzhou deputy center, Luoyang spade, Archaeology

A

1007-1903（2017）02-0091-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.018

李遠強（1970- ），男，高工，主要從事地球物理勘探應用研究。E-mail：460845930@qq.com