高精度物探儀器在文物發(fā)掘過程中應用前景分析

摘要：針對我國文物搶救性發(fā)掘過程中存在的發(fā)掘效率低、勞動強度大、指向性差等問題，提出采用三維地震勘探等物探技術輔助搶救性發(fā)掘。通過系統(tǒng)分析和比較多種物探方法優(yōu)缺點、設備與技術參數等，認為三維地震勘探、電磁成像、地質雷達可以精確測量地下空間形態(tài)、大小、埋藏深度等，并且物探設備不會對地下文物造成物理損害。物探設備的應用可以顯著提高發(fā)掘效率，降低勞動強度，縮短發(fā)掘時間，這對于文物的保護是非常有利的。

關鍵詞：文物發(fā)掘;物探儀器;三維地震;電磁成像;地質雷達

1???? 引言

文物是古代文化與文明的歷史見證者，也是人類了解過去的物證，是不同文化和文明交流互鑒的渠道。我國歷史悠久，文化厚重，幾千年的文明史留給今天的后人豐富的文物資源。在現代生產和生活中，不經意間發(fā)現文物時，會啟動保護性的發(fā)掘;當一些不法盜墓分子進行盜掘被發(fā)現時，文物單位也會采取搶救性發(fā)掘，避免文物的損毀和流失。但是，無論是保護性發(fā)掘還是搶救性發(fā)掘，突然改變的溫度、濕度、微生物環(huán)境等，都會造成文物的破壞;為了避免發(fā)掘過程中對文物造成物理破壞，發(fā)掘的過程一般較為緩慢，有一定規(guī)模的少則幾個月，多則幾年甚至更久，漫長的發(fā)掘過程也可能會對文物造成化學損害;再者，目前由于文博專業(yè)人才嚴重不足，有的考古隊伍會雇傭大量非文博或考古專業(yè)的人員進行現場發(fā)掘，對文物保護可能產生潛在的不安全因素。因此，需要探索新的發(fā)掘輔助手段，提高發(fā)掘效率，縮短發(fā)掘時間，并最大限度的避免文物遭受破壞，這是考古工作者應該考慮的問題。

2???? 文物發(fā)掘存在的問題

在文物的發(fā)掘過程中由于外界環(huán)境突然變動，蘊藏內部的文物極易受到影響，可能導致嚴重的破壞。由于文物多經歷成百上千年的埋藏，并且最初在選擇位置時也是非常隱秘的，所以留給后人可以參考的信息非常有限。因此，很難快速、準確的判定地下墓穴形態(tài)、文物的分布范圍、埋藏深度等情況，比如有些墓葬埋藏深度從幾米到幾十米，埋藏范圍從幾平方米到幾千甚至上萬平米，如果不能有效的了解這些信息，就很難準確判斷墓穴形態(tài)、文物位置。隨著現代技術的高速發(fā)展，愈來愈多的新興技術、工藝、儀器被用于考古工作。比如，目前已經采用X射線熒光（XRF）光譜法，用于探測文物的具體位置、形狀、大小等，但是仍然存在應用范圍小等問題，未能達到快速探測到文物埋藏具體信息的目的。

我國文物的發(fā)掘多是被動的、搶救性的發(fā)掘，對于考古發(fā)掘來講，其目的不再是進行尋寶，而是更為看重歷史變遷過程中社會文化演變過程。另外，在發(fā)掘過程中，也應特別注重文物保護，提高現場發(fā)掘的保護力度。因此地下文物發(fā)掘不僅是一項科學研究工作，還是一項文化保護的重要途徑。但目前在搶救性發(fā)掘過程中還存在很多問題，比如有些工作缺少合理性規(guī)劃，缺少規(guī)劃的前提也是由于沒有辦法獲取文物具體埋藏信息。

由于我國文博專業(yè)人員匱乏，尤其高層次專業(yè)人員更少。比如在一個約有50多人的縣級博物館，卻沒有一名文物專業(yè)技術人員;同時，在一個市級博物館，也未能有一名專業(yè)的考古研究人員，這種現狀決定了地下文物發(fā)掘過程中會雇傭大量非考古或者文博專業(yè)的人員。比如不具備考古專業(yè)知識和文物保護意識較為淡薄的工人等，再加上缺乏統(tǒng)一的管理，容易因為操作方法、程序的不規(guī)范和保護工作不到位致使文物毀壞，很多具有價值的信息極易遭受破壞，很多關鍵點被疏忽。可以發(fā)現，目前文物發(fā)掘仍然是“勞動密集型”并且是相對粗放的。因此，勢必會造成發(fā)掘時間長、勞動強度大，有時候造成很多無用功，甚至造成文物損害，這對于文物保護是非常不利的。

3???? 精細化物探方法原理

隨著精細化物探技術在城市道路損害檢測、采礦采動損害實測、地表生態(tài)治理等領域的成功應用，為文物搶救性或保護性發(fā)掘提供了新的思路。比如在眾多淺部地層工程勘察領域陸續(xù)發(fā)明完善了一些先進的方法以及設備，這些技術的運用，使得地質勘探取得了明顯的效果和顯著的社會經濟效益。

（1）???? 三維地震勘探技術

三維地震勘探是上世紀70年代發(fā)達國家開始使用，基于二維地震勘探發(fā)展起來。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，該技術也隨之得到迅速發(fā)展，是當前地物勘探中最重要的方法，能直觀的展現地層的空間立體分布形態(tài)。其基本原理是：由地面提前布置好的測線進行勘探，采集反射回來的地震波，經過計算機處理信號，選擇有效數據，經過數據處理得到地震剖面或者三維數據體文件。

三維地震勘探是一種空間勘探技術，可顯示出高分辨率、高信噪比和高保真度的三維數據模型，因此可以清楚獲知地下各種復雜構造和地裂縫，同時根據所得數據精確成像，還可以獲取在地下空間內的準確位置。而在三維地震勘探技術中，數據的采集、處理尤為重要，當前較為先進的方法有疊前時間偏移、疊前深度偏移、全三維各向異性等數據處理技術，極大的提高了數據處理效率和準確率以及三維成像精度。地震資料解釋精密細致，并與當前逐步發(fā)展的三維可視化技術結合，實現了信息精細化處理，高效率分析，對于準確研究地下構造分布位置具有關鍵作用[1]

（2）???? 地質雷達

地質雷達是一種利用高頻電磁波技術探測地下結構的電子設備，它具有極高的分辨率。它的雛形是1904年德國科學家首次用電磁波信號探測遠距離地面金屬體，早期地質雷達頻率較低，應用具有較大的局限性。隨著電子技術高速發(fā)展，地質雷達應用范圍逐步擴大。其基本原理是：發(fā)射機通過發(fā)射天線，發(fā)射出頻率從12.5到 1200M、脈沖寬度0.1ns的脈沖電磁波訊號。在傳輸過程中，如果訊號在地下遇到探測目標時，會自動生成反射訊號。直達、反射訊號均將通過接收設備傳送給接收機，再由示波器進行呈現。根據接收到的波的旅行時間、幅度與波形資料，可以推斷地下探測目標的分布情況和距離。

地質雷達的探測，使用超高頻電磁波，因此其探測能力較強，優(yōu)于一些使用普通電磁波的探測類儀器如管線探測儀。所以地質雷達在工程質量檢測，場地勘察中被廣泛應用，包括基礎深度確定、地下水污染、礦產勘探、地下管纜探測、分層、地下埋設物探察、公路地基和鋪層、鋼筋結構、水泥結構、無損探傷等檢測。近年來，地質雷達能勘探地層變化，對于含水帶，斷裂帶可以較好的識別，可以用于富水地層與溶洞發(fā)育地區(qū)。

（3）???? 高密度電法

高密度電法是近些年發(fā)展起來的，主要是指以直流電阻率法為基礎，進行改進的一類直流激發(fā)極化法，即為高密度電法。其基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法較為類似，差異在于設定了密度較高的觀測點;在實際作業(yè)中，需將全部電極放在一定間隔的測點上，再進行觀測。電極放置的點越多，自由組合電極也就越多，也將獲得更多的觀測數據。

通過組合電極測點，可以獲得豐富文物埋藏信息;目前常見的設備已經可以完成數據的采集和處理自動化、快速化，有效減少了人工操作所引起的誤差。高密度電法與傳統(tǒng)的電阻率法相比具有成本低、效率高、信息豐富、測試精度高等特點，測試原理見圖4。

（4）???? 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用電磁感應原理，進行地下勘探。近幾年，這種方法迅速發(fā)展，儀器更新較快，理論與應用也不斷擴展，國內外水平接近，仍然有較大的發(fā)展空間。其基本原理是：依靠不接地回線或接地線源向目標發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間隔時間內，采用線圈或接地電極來觀察介質中產生的二次感應渦流場的信息，從而探測出介質的電阻率。

瞬變電磁法探測具有如下優(yōu)點：施工效率高，探測時間短，速度快，探測深度跨度大;

對低阻體敏感，因此可優(yōu)先適用于煤田水文地質勘探;不受地形影響，方便尋找低阻地質體，尤其是磁鐵礦類礦體，探測效果良好。

除了上面較詳細列出的物探方法，還有一些諸如地震反射波法、地震映像法等，其測試原理和優(yōu)缺點如表1 所示。

4???? 結論

針對傳統(tǒng)文物發(fā)掘中指向性差、周期長、成本高、勞動強度高等問題，精細化物探技術的發(fā)展給文物發(fā)掘提供了新的思路。采用三維地震、地質雷達、瞬變電磁等精細化物探設備，不僅可以快速、高精度的探測到文物埋藏環(huán)境、埋藏深度，甚至可以精確探測文物的具體位置，實現地下文物的精準發(fā)掘，減少發(fā)掘范圍、提高發(fā)掘效率、降低發(fā)掘成本，具有事半功倍效果。通過高精度物探方法輔助保護性發(fā)掘，可以最大限度的保護因發(fā)掘時間長造成的化學損傷和因不科學發(fā)掘造成的物理損傷，是值得推廣應用的方法。

參考文獻：

[1]?? 杜文鳳，彭蘇萍，師素珍.基于三維地震勘探研究地裂縫空間展布特征[J].巖石力學與工程學報，2016，35（04）：778-783.

[2]?? 劉波，呂玉增.地質雷達在國內的應用現狀及發(fā)展[J].煤炭技術，2020，39（06）：60-63.

張輝，等.多道瞬態(tài)面波法在回填地基調查中的應用[J].物探與化探，2012，36（05）：884-886.

[3]?? 張建國，嚴武平.高密度電法在覆蓋層勘察中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2020，（16）：159-160.

[4]?? 閆國才，鮮鵬輝，仇念廣.深井低阻體電性源短偏移距瞬變電磁探測技術研究[J].煤炭科學技術，2020，48（06）：171-176.

作者簡介：

王云鵬（1983-），女，滿族，北京市人，中國國家博物館、高級工程師，博士。

本文系“中國國家博物館科研項目經費資助”的研究成果。