海洋物探技術(shù)在水下考古中的應(yīng)用綜述

劉文杰

摘 要：海洋物探技術(shù)在水下考古中的應(yīng)用，是指以聲吶、磁力儀、潛水器等為代表的先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)在水下考古調(diào)查和發(fā)掘過程中的發(fā)展與綜合應(yīng)用。在山東威海灣定遠(yuǎn)艦遺址水下考古調(diào)查過程中，海洋物探技術(shù)得到了充分應(yīng)用。在大幅度降低遺址發(fā)現(xiàn)與定位的難度、提高工作速度方面，物探技術(shù)發(fā)揮了不可替代的重要作用。物探調(diào)查與人工潛水調(diào)查相結(jié)合，使水下考古在效率、準(zhǔn)確度、安全性等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了最佳匹配，可以說是目前水下考古物探調(diào)查的最佳實(shí)施方案。充分發(fā)揮海洋物探技術(shù)的“助力”作用，對(duì)于我國(guó)水下考古事業(yè)的發(fā)展而言大有裨益，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：物探技術(shù);水下考古;定遠(yuǎn)艦遺址

19世紀(jì)末，清政府于內(nèi)憂外患之際，于1888年建立了中國(guó)第一支近代意義上的海軍艦隊(duì)—北洋海軍。這支艦隊(duì)成軍時(shí)，綜合實(shí)力居亞洲之首。其旗艦“定遠(yuǎn)”號(hào)（圖1）購(gòu)自德國(guó)，是一艘采用鋼鐵裝甲和蒸汽動(dòng)力的一等鐵甲艦，排水量達(dá)7430噸，在當(dāng)時(shí)堪稱“亞洲第一巨艦”。1894年，中日甲午戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)。黃海海戰(zhàn)中，北洋艦隊(duì)遭受重創(chuàng)。翌年，北洋艦隊(duì)全軍覆沒于威海衛(wèi)，包括旗艦“定遠(yuǎn)”在內(nèi)的數(shù)艘北洋海軍艦船折戟沉沙于威海灣內(nèi)。這些沉艦在戰(zhàn)后遭到日方成系統(tǒng)破拆，僅剩部分艦體殘骸。這些艦船的遺骸已成為珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，采用海洋物探技術(shù)探明這些艦船的遺存情況，有針對(duì)性地開展水下考古與保護(hù)工作，具有重要的歷史意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 海洋物探技術(shù)與設(shè)備簡(jiǎn)介

海洋物探技術(shù)在水下考古中的應(yīng)用，本質(zhì)上是部分地球物理勘探技術(shù)在現(xiàn)代水下考古中的應(yīng)用。海洋環(huán)境的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，使水下考古調(diào)查工作在很大程度上要依靠水下物探技術(shù)和相關(guān)設(shè)備才能完成。其典型技術(shù)與應(yīng)用主要有三類（圖2）。

1.1 磁法探測(cè)

通過測(cè)定地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的地域變化，探測(cè)水下鐵磁體，如鐵殼沉船等能夠引起地磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的物體。磁力儀作為磁法探測(cè)的代表性設(shè)備，是開展水下考古調(diào)查重要設(shè)備之一，主要用于鐵磁體的探測(cè)。地球磁場(chǎng)在某一局部區(qū)域通常處于均勻分布狀態(tài)，當(dāng)鐵磁體物質(zhì)進(jìn)入該區(qū)域則會(huì)造成其磁力線的異常擾亂，且干擾量和物品質(zhì)量與組合方式息息相關(guān)，其異常變化具有函數(shù)關(guān)系。根據(jù)被探測(cè)區(qū)域磁異常的變化，我們由此可以測(cè)算出鐵磁體的大概質(zhì)量和分布范圍。這一被磁力儀捕捉到的區(qū)域磁異常點(diǎn)，就成為可供進(jìn)一步人工潛水探摸及發(fā)掘的潛在考古價(jià)值點(diǎn)所在。從20世紀(jì)初至今，磁力儀經(jīng)歷了靈敏度和精度由低到高、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展經(jīng)歷。按照其工作原理，磁力儀大概可以分為機(jī)械式、質(zhì)子旋進(jìn)式、歐弗豪澤效應(yīng)式和光泵式四種。其中，光泵式磁力儀目前應(yīng)用最為廣泛，其分辨率已達(dá)0.01nT的級(jí)別。

1.2 聲學(xué)探測(cè)

聲學(xué)探測(cè)是利用聲波在水中傳播的過程中遇到物體反射的特性，由聲吶設(shè)備主動(dòng)向水下發(fā)射聲波，通過測(cè)算該聲波反射回波的返回時(shí)長(zhǎng)或強(qiáng)度變化，來探測(cè)水下甚至淤埋在海床下的物體。聲學(xué)探測(cè)方法的代表性設(shè)備主要有側(cè)掃聲吶、多波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶等。

側(cè)掃聲吶，又名“旁側(cè)聲吶”或“海底地貌儀”，是一種專門用來探測(cè)海底地貌起伏變化的拖曳式掃海測(cè)量設(shè)備。與多波束測(cè)算回波“往返時(shí)間”不同的是，側(cè)掃聲吶測(cè)算的是回波的“強(qiáng)弱”。側(cè)掃聲吶由拖魚（聲吶拖曳陣列）經(jīng)兩側(cè)向海底發(fā)射高頻聲波，聲波在傳播過程中被海底沉積物反向散射后按照由近及遠(yuǎn)的順序形成序列回波，通過連續(xù)測(cè)算該回波強(qiáng)度就可以獲得海底的二維地形地貌圖像。被探測(cè)海區(qū)的海底材質(zhì)和形態(tài)決定了回波強(qiáng)度，當(dāng)側(cè)掃聲吶發(fā)出的聲波信號(hào)遇到堅(jiān)硬的、粗糙的、突起的海底則回波強(qiáng)，遇到柔軟的、平坦的、下凹的海底則回波弱，如堅(jiān)硬的巖石、木頭和金屬比淤泥具有更好的反射特性。通過持續(xù)勘測(cè)，側(cè)掃聲吶就可以獲得反映海底地形地貌、材質(zhì)等信息的二維灰度或偽彩色圖像，供考古物探人員進(jìn)行研判。

多波束測(cè)深系統(tǒng)，又名“多波束條帶系統(tǒng)”“多波束測(cè)深聲吶”，是一種可以同時(shí)獲得多個(gè)（典型值有256個(gè)、512個(gè)）相鄰窄波束回波的測(cè)深系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單波束測(cè)深系統(tǒng)每次只能依靠單個(gè)波束獲得單個(gè)測(cè)量深度值相比，多波束系統(tǒng)能一次計(jì)算出一個(gè)條帶覆蓋區(qū)域內(nèi)上百個(gè)甚至更多的被測(cè)點(diǎn)的水深值和距離船體的水平位置，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可生成精細(xì)的海床覆蓋和海底遺址的三維數(shù)字地形圖。多波束測(cè)深系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)決定了它在水體深度測(cè)量方面擁有不可比擬的優(yōu)越性。在近海進(jìn)行水下考古作業(yè)中，多波束能夠發(fā)揮其高精度、高分辨率的特點(diǎn)，能夠兼顧工作效率和需求。

淺地層剖面儀是另一種利用聲波探測(cè)水底淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的聲吶設(shè)備。相較于多波束和側(cè)掃聲吶，淺地層剖面儀采用較低頻率聲波，以獲得足夠的穿透力穿透海床（河床）繼續(xù)向更深層傳播。由于聲波在不同的沉積物層中傳播速度不同，聲波會(huì)以能級(jí)遞減的方式穿透各層并在各層界面處反射。淺地層剖面儀可以通過測(cè)算聲波發(fā)射—傳回這一過程所消耗時(shí)間，用以獲得海床之下各沉積物的分布和構(gòu)造，從而用于探測(cè)和發(fā)現(xiàn)被泥沙掩埋的海底遺跡。相較于磁力儀只能探測(cè)含有大量鐵磁體的水下遺址而言，淺地層剖面儀還可以被用來探測(cè)被掩埋于海床泥沙下木質(zhì)遺跡。

合成孔徑聲吶是一種使用小孔徑的聲吶換能器陣，通過運(yùn)動(dòng)形成虛擬大孔徑的方法，來獲取更高的航跡向分辨率的聲吶設(shè)備。相比于上述幾種實(shí)孔徑聲吶，合成孔徑聲吶最突出的優(yōu)勢(shì)是航跡向成像理論分辨率與探測(cè)距離、探測(cè)信號(hào)的頻率無關(guān)①。相較于其他聲學(xué)探測(cè)設(shè)備，合成孔徑聲吶在我國(guó)水下考古中的應(yīng)用案例相對(duì)較少。以2012年中國(guó)-阿曼“鄭和沉船遺骸探查”國(guó)際合作項(xiàng)目二期為例，該水下考古調(diào)查項(xiàng)目采用了我國(guó)自行研制的、成像分辨率達(dá)5cm×3.75cm的高頻合成孔徑聲吶設(shè)備，對(duì)阿曼海域共計(jì)12個(gè)目標(biāo)海區(qū)，經(jīng)14天、總航程1000余千米的探測(cè)，并對(duì)10個(gè)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高精度掃測(cè)后，確定了6個(gè)沉船目標(biāo)，取得了圓滿成功。

1.3 潛水器

潛水器分為載人型（HOV）、遙控型（ROV，無人有纜）和自主式水下航行器（AUV，無人無纜）三種。潛水器在水下考古調(diào)查中的應(yīng)用，在一定程度上使考古人突破了水壓極限和下潛時(shí)長(zhǎng)的限制。潛水器可以在一些超過人體生理極限的極端環(huán)境執(zhí)行包括視覺搜索和攝影、采集標(biāo)本等任務(wù)，替代水下考古隊(duì)員完成一些危險(xiǎn)任務(wù)。以我國(guó)自行研制的“深海勇士”號(hào)載人深潛器為例，該型潛水器在西沙群島北礁海域開展的“2018年南海海域深?？脊耪{(diào)查”作業(yè)中，載人深潛至水下1003米，發(fā)現(xiàn)與提取器物標(biāo)本6件，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)深海考古“零的突破”。遙控型的應(yīng)用則更加廣泛，從2001年撫仙湖到2017年江口沉銀水下考古，都采用了遙控型潛水器。自主式水下航行器，則徹底擺脫了線纜的控制，一定程度上實(shí)現(xiàn)了自主航行。

在實(shí)際考古應(yīng)用中，通常采取多種物探技術(shù)和設(shè)備相結(jié)合的方式進(jìn)行水下掃探，獲得物探數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以達(dá)到最佳的探測(cè)效果。對(duì)于近現(xiàn)代沉艦水下考古調(diào)查而言，通常會(huì)先使用磁力儀進(jìn)行大面積海域掃測(cè)，根據(jù)前期掃測(cè)結(jié)果對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)使用多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶進(jìn)行更高精度的掃測(cè)勘察。如果發(fā)現(xiàn)高價(jià)值考古疑點(diǎn)位于海床沉積物之下，則采用淺地層剖面儀結(jié)合人工潛水調(diào)查進(jìn)行詳細(xì)勘察。在具體考古工作中，會(huì)綜合考量現(xiàn)場(chǎng)水文環(huán)境、資料收集等因素，對(duì)物探方案進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2 海洋物探技術(shù)在定遠(yuǎn)艦遺址水下考古中的應(yīng)用

2017年，為探明威海灣內(nèi)北洋海軍沉艦位置及殘留情況，經(jīng)國(guó)家文物局批準(zhǔn)，受山東省文化和旅游廳委托，國(guó)家文物局水下文化遺產(chǎn)保護(hù)中心聯(lián)合山東省水下考古研究中心、中國(guó)甲午戰(zhàn)爭(zhēng)博物院和威海市博物館，調(diào)集國(guó)內(nèi)各地水下考古隊(duì)員來威組成聯(lián)合考古隊(duì)，啟動(dòng)了清甲午沉艦遺跡調(diào)查與研究項(xiàng)目，也正式開啟了為期4年的威海灣水下考古調(diào)查工作。在2017年、2018年進(jìn)行的水下物探調(diào)查階段，考慮到威海灣海域平均水深僅有7米、水體能見度差、遺址主體為鐵質(zhì)文物等因素，考古隊(duì)僅采用了磁法探測(cè)和聲學(xué)探測(cè)兩種方法，并利用磁力儀、側(cè)掃聲吶、多波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀等海洋物探設(shè)備對(duì)威海灣海域進(jìn)行了“拉網(wǎng)式”物探調(diào)查，總計(jì)完成了威海灣海域20.943平方千米的探測(cè)面積，獲得了掃測(cè)區(qū)域的磁力分布圖、二維聲像圖、水下三維地形圖、淺剖數(shù)據(jù)，分辨疑點(diǎn)18處，并進(jìn)行了詳細(xì)的疑點(diǎn)判讀和定位。

在調(diào)查前期，考古隊(duì)首先應(yīng)用了中船重工715所研制的GB-6A型海洋氦光泵磁探儀，對(duì)環(huán)劉公島海域（包括威海灣）進(jìn)行了全覆蓋式搜索探測(cè)①，并發(fā)現(xiàn)多處磁異常點(diǎn)，為下一步聲學(xué)探測(cè)和人工潛水探摸縮小了范圍，奠定了基礎(chǔ)。在后續(xù)調(diào)查中，則應(yīng)用了EdgeTech 4200-MP型側(cè)掃聲吶和Reson T50-R型多波束測(cè)深系統(tǒng)，針對(duì)磁異常點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)掃探。4200-MP擁有發(fā)射脈沖寬頻帶、高能量和回聲數(shù)據(jù)高分辨率、高信噪比的優(yōu)點(diǎn)，在前期“掃海”作業(yè)中發(fā)揮了其能實(shí)時(shí)連續(xù)顯示海底聲學(xué)圖像的優(yōu)勢(shì)，對(duì)威海灣海域進(jìn)行了大面積快速掃測(cè)。T50-R擁有高精度和快速性等優(yōu)點(diǎn)，可以快速生成海底三維地形地貌影像，其不僅是前期物探階段不可或缺的重要技術(shù)工具，還是后期考古發(fā)掘階段用于不定期監(jiān)測(cè)水下遺址因考古發(fā)掘產(chǎn)生的變化，追蹤和動(dòng)態(tài)評(píng)估考古發(fā)掘工作進(jìn)展和效果的重要工具。在定遠(yuǎn)艦遺址點(diǎn)，由于泥沙覆蓋等原因，側(cè)掃聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)都未能在海床之上發(fā)現(xiàn)沉船遺跡。由于該遺跡點(diǎn)有明顯的磁異常信號(hào)，考古隊(duì)又采用了淺地層剖面儀以探測(cè)埋藏在淤泥下的遺跡遺物。物探結(jié)果表明：定遠(yuǎn)艦遺址點(diǎn)所在海域海底表面平整，臨近遺址點(diǎn)北部有幾道人工堆砌的魚礁，海床表層浮泥堆積厚30～50厘米，浮泥之下為板結(jié)狀灰褐色淤泥。定遠(yuǎn)艦遺存長(zhǎng)約84米，南北寬18～22米，掩埋于海床淤泥下2～3米深處②。前期物探作業(yè)所取得的成果為下一步潛水探摸調(diào)查和考古發(fā)掘奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2020年9月，一件關(guān)鍵證物—重達(dá)18.7噸的定遠(yuǎn)艦裝甲板的出水，則完全鎖定了定遠(yuǎn)艦遺址的身份。定遠(yuǎn)艦遺址的考古大發(fā)現(xiàn)獲得了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，影響力巨大，定遠(yuǎn)艦遺址水下考古調(diào)查也因此獲評(píng)2020年山東省五大考古新發(fā)現(xiàn)之一。

3 結(jié)語

海洋水下考古的前提是對(duì)水下文物遺跡的發(fā)現(xiàn)以及地理位置的大致確定③。由于人體極限和潛水員體力的限制，在遼闊海域搜尋定位水下文化遺跡必須依靠海洋物探技術(shù)和現(xiàn)代物探設(shè)備的“助力”。物探技術(shù)與設(shè)備在水下考古中的應(yīng)用，在特定方向上大幅度降低了水下考古調(diào)查“大海撈針”的難度和危險(xiǎn)性，也極大地提高了水下考古調(diào)查工作的速度。定遠(yuǎn)艦遺址的精準(zhǔn)定位，有賴于海洋物探技術(shù)的綜合應(yīng)用。相較于人工探摸，海洋物探無疑擁有極高的調(diào)查效率，也更為經(jīng)濟(jì)、安全。物探調(diào)查與人工潛水調(diào)查相結(jié)合，使水下考古在效率、準(zhǔn)確度、安全性等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了最佳匹配，可以說是目前水下考古物探調(diào)查的最佳實(shí)施方案。充分發(fā)揮海洋物探技術(shù)的“助力”作用，對(duì)于我國(guó)水下考古事業(yè)的發(fā)展而言大有裨益，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。