高精度物探儀器在文物發掘過程中應用前景分析

摘要：針對我國文物搶救性發掘過程中存在的發掘效率低、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掘。通過系統分析和比較多種物探方法優缺點、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、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掘效率，降低勞動強度，縮短發掘時間，這對于文物的保護是非常有利的。

關鍵詞：文物發掘;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，不經意間發現文物時，會啟動保護性的發掘;當一些不法盜墓分子進行盜掘被發現時，文物單位也會采取搶救性發掘，避免文物的損毀和流失。但是，無論是保護性發掘還是搶救性發掘，突然改變的溫度、濕度、微生物環境等，都會造成文物的破壞;為了避免發掘過程中對文物造成物理破壞，發掘的過程一般較為緩慢，有一定規模的少則幾個月，多則幾年甚至更久，漫長的發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的人員進行現場發掘，對文物保護可能產生潛在的不安全因素。因此，需要探索新的發掘輔助手段，提高發掘效率，縮短發掘時間，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???? 文物發掘存在的問題

在文物的發掘過程中由于外界環境突然變動，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、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、文物位置。隨著現代技術的高速發展，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。

我國文物的發掘多是被動的、搶救性的發掘，對于考古發掘來講，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，在發掘過程中，也應特別注重文物保護，提高現場發掘的保護力度。因此地下文物發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。但目前在搶救性發掘過程中還存在很多問題，比如有些工作缺少合理性規劃，缺少規劃的前提也是由于沒有辦法獲取文物具體埋藏信息。

由于我國文博專業人員匱乏，尤其高層次專業人員更少。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技術人員;同時，在一個市級博物館，也未能有一名專業的考古研究人員，這種現狀決定了地下文物發掘過程中會雇傭大量非考古或者文博專業的人員。比如不具備考古專業知識和文物保護意識較為淡薄的工人等，再加上缺乏統一的管理，容易因為操作方法、程序的不規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?？梢园l現，目前文物發掘仍然是“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、地表生態治理等領域的成功應用，為文物搶救性或保護性發掘提供了新的思路。比如在眾多淺部地層工程勘察領域陸續發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年代發達國家開始使用，基于二維地震勘探發展起來。隨著計算機技術的迅速發展，該技術也隨之得到迅速發展，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。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展，地質雷達應用范圍逐步擴大。其基本原理是：發射機通過發射天線，發射出頻率從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育地區。

（3）???? 高密度電法

高密度電法是近些年發展起來的，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極化法，即為高密度電法。其基本原理與傳統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，其測試原理和優缺點如表1 所示。

4???? 結論

針對傳統文物發掘中指向性差、周期長、成本高、勞動強度高等問題，精細化物探技術的發展給文物發掘提供了新的思路。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掘，減少發掘范圍、提高發掘效率、降低發掘成本，具有事半功倍效果。通過高精度物探方法輔助保護性發掘，可以最大限度的保護因發掘時間長造成的化學損傷和因不科學發掘造成的物理損傷，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展[J].煤炭技術，2020，39（06）：60-63.

張輝，等.多道瞬態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。