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秦始皇陵勘测技术完全手册
上传时间:2012-06-29 信息来源:搜狐社区

    传统意义上的考古勘探是一种采用简单工具完全由人工操作的方法,加之,陵区面积目前已知约为60平方千米,致使传统的勘探工作——洛阳铲,虽然实用,但效率不高。并且,这种工具容易受环境的局限难以有效地开展工作,尤其是秦始皇陵园地区,两千多年来由于频繁发生山洪暴发的现象,在陵园内的地面上堆积着大量的沙石;陵墓封土所用的土壤来自骊山脚下,含有大量的石块;陵园内外分布着许多的现代村庄、建筑,上述现象对考古勘探造成了极大的影响,严重地阻碍了勘探的进度,甚至有些区域无法进行勘探。
    2002年初,科技部高新技术司先后几次召开专家论证会,在听取吸纳专家意见后,在200211月将《考古遥感和地球物理综合探测技术》课题列入“863”计划。课题的总目标是以秦始皇陵区为对象,利用遥感和地球物理探测技术进行无损勘察,探测皇陵和皇陵区文物分布,提供判定皇陵地宫存在与否的科学依据,总结形成一套现代考古方法技术。一年后,200311月底,专家们在史料记载和以前研究的基础上,采取遥感和地球物理综合勘探技术,采用现代考古技术方法,结合传统考古方法,全面了摸清陵区地下、地上文物的总体布局和内涵。
    技术群之一遥感考古探测
    20029月至20036月,遥感考古子课题以秦始皇陵外城垣以内2.13平方千米为研究对象,利用先进的遥感探测技术和区内以往的遥感图像资料,结合多数据融合方法,完成了秦始皇陵区和陵园研究区的高光谱遥感考古信息、陵园航空全色、航空彩红外遥感信息的考古处理研究,深入分析提取研究区内各类浅层文物遗存异常信息。此子课题项目组组长、副组长分别为中国煤炭地质总局航测遥感局谭克龙高级工程师、万余庆高级工程师。
    为完成这个子课题,共有7家单位联合攻关:中国煤炭地质总局航测遥感局、中国地质调查局、陕西省考古研究所秦始皇陵考古队、中科院上海技术物理研究所、中科院遥感应用研究所、西安中飞通用航空公司、中国测绘科学研究院遥感工程技术中心等。研究人员共28名。
    重中之重的高光谱探测技术
    中国煤炭地质总局航测遥感局租用一架飞机对秦皇陵地区进行高光谱飞行探测,摸清这一地区地下文物分布的基本状况,是此次秦皇陵勘探的重中之重。工作人员在飞机上安装高光谱仪器,通过它来接收从秦陵及其周围反射回来的各种光的信息并记录,形成影像图,再根据影像特征来识别相关的文物信息。中国煤炭地质总局航测遥感局周小虎工程师介绍,我国这次将争取把它发展成未来考古的标准技术在全国推广。
    2003319日,中国煤炭地质总局航测遥感局利用中科院上海技物所的技术仪器对陵区60平方千米扫描飞行,地面分辨率3.6米,日航64波段、夜航1波段,共获得7G数据。然后利用信息提取方法,包括常规图像处理方法和高光谱专项分析方法,对得到的数据进行考古解析。
    这一天的航测数据为这次遥感考古打下较好的数据基础。目标区内一般规模较大的文物遗存在高光谱图像上均有不同程度的显示。对部分影像特征不明显,规模较小的遗存,通过简单的处理方法也可以识别。但是也有少量文物遗迹的信息很微弱,虽然使用各类方法处理,效果仍然不佳,原因是本次高光谱图像象元分辨率较低,出现混合象元使遗存信息弱化。
    全色遥感的老照片发挥新功能
    对全色摄影图像的立体观测和解析测图是揭示古文物遗存空间信息的有效手段。但是,我国1957(大跃进)70年代(农业学大寨)对陵区文物遗迹损毁最为严重。大规模的平整土地,铲平了绝大多数坟墓和各类古建筑遗址,尤其在文物保护意识薄弱的年代和地区,对平整土地时出土的文物往往缺乏系统保护、记载和清理,甚至存在无视出土文物,随意破坏的现象。上述各种因素的影响,增加了航空遥感考古的难度,降低了常规遥感考古工作的精度和效率。在这种情况下,早期的全色摄影图像对考古效果显著,尤其是对具有微地形、微地貌特征的文物遗存有独特的优势。
    为此,项目组收集了成像时间为1956年和1974年的全色航空摄影图像。1956年的全色摄影图像从微地貌、微地形、纹理、色调清楚地反映出兵马俑陪葬坑、封土堆东侧的马厩坑、五岭大堤、铠甲坑、骊山脚下的取土坑等遗存的立体形态信息。
    彩红外和热红外遥感技术
    彩红外摄影成像在该区进行过多次,最近的一次是20024月。为了获取更多的地物、地形信息,项目组采用了成像于1985118日的彩红外遥感图像,采用目视解译,结合背景信息的分析,对异常区分析排查,最终圈定可疑区。但是,由于成像时间已近18年,不能验证当时地面状况,因而排查工作只能借助其它遥感资料和当地居民的回忆、以及后来部分考古成果。既使如此,彩红外遥感发挥了一定的作用,对地面建筑遗址反映较好,对部分陪葬坑、陪葬墓也有反映。利用彩红外影像还圈定出若干可疑遗迹点。
    项目级采用的热红外图像成像于1985年的111(日航)114(夜航)以及2003OMIS2成像光谱仪的热红外波段。早期的热红外遥感图像为航空扫描成像、胶片记录方式,图像的几何畸变比较严重;在夜航图像上,传感器中存在比较强烈的暗电流噪音,降低了图像的质量,影响了它们的使用价值。而新研制的OMIS2的热红外波段遥感图像,具有较高的信噪比和较高的几何精度,在秦始皇陵区考古研究中有显著的效果,尤其是夜航热红外图像能比较准确地反映地面温差。
    石榴、小麦生长异常引发遥感考古解析
    秦始皇陵区封土堆及其周边地区种植了大量的石榴树,成为当地的支柱产业。2003年元月初,在秦始皇陵区的地面温度降到零下11,区内石榴树大量冻伤、冻死。然而,在如此严重的冻害中,只有封土堆上的石榴树受害微弱,20035月,依然迎来盛花期,不论坡向,几乎每株石榴树上都开花结果。项目组结合热红外遥感调查的结果,发现封土堆上的石榴树能够抵制冻害的原因是封土堆地表和地下温度显著高于其它区域,平均高出23。再次说明,利用植物的长势差异可以帮助探寻文物遗迹。
    受此启发,项目组又考察陵区当地的植物情况。在距代王镇东北约1.5千米的戏水河西岸的大片仰韶文化遗址,项目组又发现仰韶时期人类的灰坑改变了土壤的结构和含水量,导致了小麦长势差异,使得小麦在长势上优于其它区域,成熟期晚于其它区域;在地面上,该区域内的同一地块上的冬小麦在相同的耕种和施肥管理条件下,长势差异很大,青黄不一。
    20035月底和6月初,项目组在秦始皇陵区封土堆的北侧的冬小麦种植区,开展针对植物长势差异的野外调查,目的是寻找考古目标区,同时结合已有的遥感图像资料,对所发现的异常区进行分析和空间定位,了解当地种植背景,甄别虚假信息,谨慎圈定异常区。
    技术群之二考古地球物理探测
    2002年年初,从中国地质调查局退休多年的刘士毅作为地球物理探测专家,被科技部邀请参加了秦始皇陵考古遥感探测技术”863计划立项论证会。会上,他阐述了自己的观点:遥感在用于寻找尚未发现的陪葬坑和陪葬墓是非常有效的,却不能有效地勘测深埋在地表以下的秦陵地宫内部的秘密;而物理探测却能深入地下几百米。这个建议被科技部采纳。20021113日,补充增加的考古地球物理探测子课题正式启动,由刘士毅任该子课题的负责人。在他的带领下,项目组在秦陵陵区用物探的方法对秦陵地下进行了综合探测,得出了地宫就在封土堆下墓室为石质墓室地宫周围有一周细土夯墙地宫没有坍塌墓室没有进水等系列推断,并用详细数据给出了地宫的位置、范围、大小和深度。数月之后,物探结论最终得到了考古队洛阳铲钻探的实际验证。
    “考古地球物理探测子课题共采用了地球物理探测和地球化学探测七大类22种方法。
    磁法

    在探明细夯土墙、确定地宫范围上,磁法起了关键作用。地球是个大磁体,磁法探测就是寻找地球近地表磁性不均匀体所引起的异常。刘士毅介绍说。经过不断的磁性测定后,工作人员发现封土有明显磁性,且不同位置磁性有一定差异。封土堆中部出现醒目的长方形状异常区,推断应该对应环绕地宫的地下宫墙以及细夯土墙。细夯土墙的发现被考古界认为是发现了新的古代帝王陵墓的形制。据了解,勘探队做磁法的工作人员,穿的衣服都是特制的,不准有任何的金属物品。
    电法
    项目组共采用了电法大类中的13种小类,并优选出其中的有效方法。一般来说,电测深法是一种可以给出地表以下,某一深度以上电阻率变化情况的测量方法,用它可以直观地给出异常体的埋葬深度概念。在用这种方法进行测量时,研究人员发现,在封土堆顶部之下,在现在地平线以下不深处,电法异常显示低阻层之下有一局部高阻体,明显与封土堆之外的地层异常不同,于是他们推断这是由地宫建筑物——墓室引起的。其他的方法虽未发现由墓室引起的明显异常,但观测结果与存在墓室的推断并不相矛盾。
    刘士毅表示这次勘探所使用的电法勘探的最大电流强度及密度很小,不会损害地下文物。在封土堆上方东西和南北两个方向上,项目组每隔50米布置一条剖面,沿线把用于测量电阻率大小的电极插入土中接收数据,以测定深处不同部位的电阻率。科技人员把每条剖面上收集到的数据输入电脑后,经去除地形影响及干扰源的校正处理,最终将数据合成二维断面电阻率异常图。
    重力法
    在磁法确定细夯土墙存在后,根据细夯土的密度远大于粗夯土,导致重力异常的原理,科技人员随后又对细夯土上方测到了明显高的重力异常,结合矩形磁异常,在排除了基底异常的可能性和消除了封土堆本身引起的异常后,研究人员推断这是由地宫中的回填夯土引起的。因为地宫开挖后,回填土经过夯实。而夯土的密度比正常土的密度大,可以引起重力异常。经测量最终得出了145×125米的宫墙范围,以及170×145米的地宫开挖范围。
    弹性波法
    弹性波法是指利用机械夯源击打地面,产生的弹性波传入地下,经过均匀体不会产生反射、折射和绕射;如果遇到不均匀体,就会产生反射、折射和绕射。分析绕射图像,可以了解物体的性质和位置。弹性波法多是在地下打一钻眼,然后往里面填充炸药进行适当爆破,制造震源从而产生弹性波。为保护地下文物,项目组这次采用的弹性波法不使用炸药,震源选用夯击震源,离开震源点20米,不会感觉到震动。为此项目组使用从德国引进了先进的机械震源,通过这一震源向地下发送弹性波。但是,机械夯源是在地表,有声波干扰,效果不理想,得出的数据与磁法、重力法一起确定了地宫的开挖范围和宫墙的存在。
    放射性法
    放射性探测采用的手段是收集分析放射性气体氡气。地下氡气沿裂隙向上方运移,氡气测量的低值段对应裂隙不发育地段;相反,高值段对应裂隙发育地段。放射性氡气的测量结果在推断墓室部位对应计数率低值段,在其北侧则出现计数率高值段。测量氡气使用α杯,这是一个倒扣于地的杯子,可以吸附氡气,测量α射线数量。在一个剖面上,5米放置一个杯子,对每个杯子进行累积测量。
    根据测量氡气的结果,项目组推断墓室上方的夯土基本未经扰动,裂隙少,地宫封闭性好,和电法共同说明了地宫保存的完整性。
    地温法
    测温的方法是把灵敏温度计(精确到百分之一摄氏度)埋入地下1米,隔5米一个点,布置了两条剖面,共212个点。渭河盆地热状态相对均匀,而地下建筑、空洞等会破坏地下热传导的均匀性,造成热异常。测温的结果是地宫上方高温度异常,和遥感探测的结果一致。这种方法受地形和天气影响大,要进行地形异常矫正,但现在全世界都没有精确的矫正方法。这次勘测中使用了地温测量,在考古工作中可能是第一次应用。
    核磁共振法
    核磁共振法是国内考古界引进才两三年的的一种勘查手段,主要用于了解地宫是否进水。在其他方法不能奏效的情况下,核磁共振法可以直接探测出地宫的进水情况、含水层的厚度、距地面的深度,等等,探测深度可达100米。项目组采用核磁共振法得出了秦陵地宫没有进水的结论。
    测汞法
    测汞是地球化学探测方法,其原理是:汞是具有挥发性的金属,如果地宫中存有大量的汞,封土堆表面的土壤吸附从深处挥发的汞,汞含量应高出周围土壤。
    1981年的土壤汞量测量中,科学家在封土堆中部发现了明显的汞异常,推断由史书记载的地宫中的水银河、湖、海引起。这次复核了土壤汞测量结果,两次结果基本一致。地宫内仍有极强的汞(水银)异常反应,面积达12 000平方米,汞高异常的含量点比较集中并有规律。同时,项目组还用取样机插入土中,抽取了土壤中的空气做测量,同样也测出了汞异常。目前汞的地球化学扩散还没法通过公式计算,现在还不知道地宫内汞含量的多少。
    技术群之三传统考古探测
    走在秦岭封土堆上,可以清晰地见到考古队使用洛阳铲留下的还没有回填的钻洞,周围用白石灰沿着规定划分的区域画好的界线。129日,一组3个考古队员正在用一节节的杆子串起来,将头部的洛阳铲沿着已钻的探洞用力地插下去,再提出地面,对铲头带回的筒状的泥土进行分析、比对。这个探洞他们已经打了20天,深度已达19米。
    除了国家考古遥感与地球物理综合探测技术课题组外,陕西省考古研究所也一直在对秦陵的地下文物进行勘探,在整个课题实施过程中,发挥了重要作用。秦始皇陵考古勘探队主要采用的是传统考古工具——洛阳铲。在这次秦陵勘探中,洛阳铲主要用来对运用高科技手段勘探的结果进行验证。如果遥感和物探手段新发现的异常点若推断为地下文物且其埋藏深度小于40米,上面又覆盖着土层时,项目组就要用洛阳铲对推断文物分布进行验证。据了解,用遥感和物探的方法探测地下文物,有局限性,难度和风险也很大。科技部专家组同志介绍,秦始皇陵区的人类活动非常频繁,地表环境复杂,地面上的一个电线杆、垃圾桶都可能对探测结果造成影响。地下的异常反映是综合性的反映,并不一定是文物带来的,要判断是不是文物,还需要做进一步的解剖和大量的参数来相互验证。所以,洛阳铲这种传统的考古工具就担当起进一步实地考查的工作。
    两千多年来,秦陵地区多次遭受洪水灾害,地面上覆盖着一层厚厚沙石,过去使用的4厘米、5厘米长的洛阳铲,根本钻不下去。考古部门现已换成10厘米长的洛阳铲,在秦始皇陵冢旁边已钻到40米深。从地表到铲头全是一节一节接起来的,两个人或三个人用力往下打。据悉,考古部门已在陵园里报废了十几万元的洛阳铲。

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