數(shù)字式小型化磁力儀在古石橋考古中的應(yīng)用

王景然 顧建松 梁國(guó)慶 王澤冰 宗發(fā)保 周波 官佳

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.國(guó)家文物局水下文化遺產(chǎn)保護(hù)中心，北京，100029）(3.山東省水下考古研究中心，濟(jì)南，250014）

東平湖位于泰安市東平縣，西納大汶河，北通黃河，溝通京杭大運(yùn)河，是山東省西部最大的淡水湖，也是黃河下游一處重要的滯洪水庫(kù)。據(jù)史料記載，這里原來是建于商周時(shí)期的須昌城，在城西1.5 km，有隋朝年間使用石材建造的清水石橋。宋代時(shí)，黃河決堤淹沒了須昌城及清水石橋。探摸清水石橋，可以為遺跡保存現(xiàn)狀、研究歷史提供重要依據(jù)。

磁法考古有無損、快捷、高效的優(yōu)越性，該工作的實(shí)施不受天氣等影響，不需要對(duì)未知目標(biāo)區(qū)域開挖，故不會(huì)對(duì)考古目標(biāo)造成破壞[1]。為此，我們使用數(shù)字式小型化磁力儀，對(duì)東平湖開展磁法探測(cè)，目的是通過高精度磁探測(cè)技術(shù)，推斷清水石橋的可疑位置，為進(jìn)一步摸清遺跡保護(hù)文物提供參考。

1 磁法探測(cè)古石橋的原理

1.1 古石橋的磁性分析

古代建造的石橋，一般是利用石塊堆砌出來，石塊的成分為火成巖等，這些巖石均有一定的磁性。一般情況下，火成巖中基性巖磁化率為(100～103)×10-6SI；酸性巖為(100～102) ×10-6SI；變質(zhì)巖為(10-1～102) ×10-6SI。而周圍的古路等則是極弱或無磁性的砂石泥土。古橋與周圍有明顯的磁性差異，屬于局部的不均勻體。

磁法探測(cè)是物探技術(shù)的一種，其主要原理是利用不同物質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同來探測(cè)尋物體，通常使用的儀器是磁力儀。由于古橋的磁性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁力儀的靈敏度，所以使用磁力儀可以較容易地區(qū)分巖石堆砌的古橋[2-4]。

1.2 古石橋磁異常模型

古石橋一般為長(zhǎng)條狀形態(tài)，且有一定的寬度和厚度，因此，可用多個(gè)直立的臺(tái)階磁異常疊加來描述其磁異常分布情況，單個(gè)直立的臺(tái)階模型磁異常公式為：

式中，h為臺(tái)階頂部埋深，H為臺(tái)階底部埋深；Ms為有效磁化強(qiáng)度；is為有效磁化傾角；I0、A'分別地磁場(chǎng)傾角、地磁場(chǎng)偏角。

取h=1 m，H=1.5 m，Ms=4 A·m2，is=90°，寬度為8 m，計(jì)算的垂直于臺(tái)階走向的不同測(cè)線的磁異常如圖1所示。其中，y方向?yàn)樽呦蚍较颍瑇方向?yàn)闇y(cè)線方向?？梢钥闯觯煌瑴y(cè)線的磁異常形態(tài)完全相同，該特征可以作為古石橋磁測(cè)數(shù)據(jù)分析的一個(gè)依據(jù)。

圖1 垂直于臺(tái)階走向的不同測(cè)線磁異常

1.3 趙州橋磁性特征參考

史料記載，清水石橋比趙州橋早五年，推斷它們所使用的材料應(yīng)該相似，磁性特點(diǎn)有可比性。使用旋翼機(jī)載磁力儀在10 m高度探測(cè)趙州橋，垂直于趙州橋走向探測(cè)的不同測(cè)線磁異常見圖 2，不同測(cè)線的磁異常形態(tài)基本都相同，這與理論相符，證明了古石橋磁異常模型的正確性。趙州橋的典型磁異常剖面如圖3所示，磁異常峰峰值約275 nT，這可以作為古橋磁異常分析的參考依據(jù)。

圖2 10 m高度垂直于趙州橋走向探測(cè)的不同測(cè)線磁異常

圖3 10 m高度探測(cè)的趙州橋典型磁異常剖面

2 數(shù)字式小型化磁力儀

數(shù)字式小型化磁力儀是中船重工第七一五研究所自主研發(fā)的氦光泵磁力儀。小型化探頭如圖 4所示，探頭直徑50 mm，長(zhǎng)度160 mm，重量約0.5 kg，它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，安裝與使用更方便。處理電路采用數(shù)字化方案，量程更大，為 10 000～100 000 nT，靜態(tài)噪聲為0.002 3～0.002 7 nT，性能更穩(wěn)定。將磁力儀與GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)等集成為綜合測(cè)量系統(tǒng)，借助相配套的數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)時(shí)完成高精度磁測(cè)。水下普測(cè)使用拖曳作業(yè)方式?？拷厹\水區(qū)彎度大，此時(shí)拖曳不利于作業(yè)，使用水上自行車加裝數(shù)字式小型化磁力儀，如圖5所示。

圖4 小型化探頭

圖5 加裝在水上自行車上的數(shù)字式小型化磁力儀

3 清水石橋磁法探測(cè)結(jié)果分析

使用數(shù)字式小型化磁力儀，完成了東平湖磁測(cè)作業(yè)，探測(cè)面積達(dá)17.3 km2，測(cè)線總長(zhǎng)572.7 km，有些疑點(diǎn)還多次加密補(bǔ)測(cè)。磁法探測(cè)數(shù)據(jù)中，共提取196個(gè)磁異常點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行歸類、分析，發(fā)現(xiàn)異常位置 52處。根據(jù)古石橋磁異常模型，推斷了1處清水石橋疑似位置，其典型磁異常平面剖面圖如圖6，磁異常峰峰值約98.84 nT。從圖7的平面剖面圖可以看出，周圍6條測(cè)線均有磁異常，異常幅值相當(dāng)，圖中藍(lán)線為各異常點(diǎn)的連線，它們均在一條直線上，這些都符合長(zhǎng)條狀物體的磁性特征。

圖6 疑似清水石橋典型磁異常平面剖面圖

圖7 疑似清水石橋平剖圖

4 結(jié)論

本文通過理論分析發(fā)現(xiàn)古石橋具有垂直于走向的不同測(cè)線磁異常形態(tài)均相同的特點(diǎn)。該理論指導(dǎo)了數(shù)字式小型化磁力儀在東平湖清水石橋的磁測(cè)數(shù)據(jù)分析及疑似位置推斷。不足之處在于尚未分析古石橋的定位誤差，此項(xiàng)工作將在后續(xù)有條件時(shí)開展。

致謝

感謝吳文福研究員在數(shù)據(jù)分析及論文撰寫中給予的諸多指導(dǎo)，對(duì)其他所有參與清水石橋考古探測(cè)的人員在此一并表示感謝。

[1]李海蓉. GIS支持下的考古探測(cè)綜合解釋系統(tǒng)[D]. 成都理工大學(xué)，2007.

[2]管志寧. 地磁場(chǎng)與磁力勘探[M]. 北京: 地質(zhì)出版社，2005.

[3]曲贊. 高精度磁測(cè)考古的進(jìn)展[J]. 地質(zhì)科技情報(bào), 1993,12(2):105-109.

[4]閏桂林，曲贊，李永濤，等. 高精度磁測(cè)在考古勘查中的應(yīng)用[J]. 文物保護(hù)與考古科學(xué)，1993, 5(1): 25-30.