地球物理勘探技术在考古勘探中的应用-中国考古

中原文物CULTURALRELICSOFCENTRALCHINA地球物理勘探技术在考古勘探中的应用——以河南省濮阳市戚城遗址为例中国社会科学院考古研究所科技考古中心1戚城文物景区管理处21.北京100710；2.河南濮阳457000Abstract：Technologyofgeographicalinvestigationcanlocate,profileandanalyzeundergroundrelicsrapidlyandharmlessly.Strongsignalscanleadtoimportantdiscoveries.Thenewtechniquenotonlyreducestimeandexpenses,butisalsoconsiderablydiagnostic.TheQichengsite,Puyang,isaveryimportantwalledsettlement,whichwasinuseduringtheLongshanperiod,theSpringandAutumnperiodandtheHandynasty.Itisofgreatsignificancetobothhistoricalandarchaeologicalstudies.SurveysconductedbytechnologyofgeographicalinvestigationatQichenghaveverifiedpreviousunderstandingandcontributedtonewdiscoveries.Keywords：technologyofgeographicalinvestigation,highdensityelectricalapparatus,groundpenetratingradar,longshanwalledsettlement,Qicheng摘要：地球物理勘探技术能够快速、无损地对地下遗迹现象进行定位、定型、定量或定性分析，引导我们对重点电磁信号异常区所反映出的疑似迹象进行人工钻探确认。这不但大大节省了考古调查的时间和经费，还使以后的考古发掘工作更具有针对性。濮阳市戚城遗址是龙山文化、东周、汉代三城依次叠压的重要古城址，具有很高的史学、考古学研究价值，通过地球物理勘探技术在该遗址的应用，印证、发现了一些已知和未知的文物遗迹。关键词：物理勘探；高密度电法仪；探地雷达；龙山城址；戚城河南省濮阳市戚城遗址是一处史前高等级聚落，裴李岗文化时期即有先民居住，龙山文化中期开始筑城。龙山文化、东周时期二城叠压，汉代修补加高，这样的考古奇观为全国所罕见。2014年3月3日，戚城文物景区管理处邀请中国社会科学院考古研究所科技考古中心钟建副研究员、杨立为老师，对戚城遗址进行了地球物理勘探工作，获得了大量遗址内部的遗迹分布及保存现状信息。本次考古物探工作，发现、印证了古城墙、护城河、古代道路、古代建筑基址、古墓葬等重要遗迹，为全方位了解城址内部遗迹的布局及保存现状提供了重要资料。这些新获取的资料，可以对戚城遗址文物保护规划编制和对以后的考古发掘、文物保护工作提供重要的参考依据。一遗址的位置及现状戚城遗址位于河南省濮阳市市区南部（图一：1），现辟为环境优美的遗址公园（图一：2）。戚城遗址地上遗存为近方形东周古城垣，周长1520米，北城墙与东城墙保存较好，西城墙仅存中段，南城墙湮灭。残存城墙最高处8.3米，最厚处16.5米，城内面积14.4万平方米。东92二○一七年第二期（总第194期）文物保护与科技城墙外80米处现存一座边长25米、高4米的方型土丘，系夯筑而成，与东周城墙属同一时期，名曰会盟台。二探测的对象及目的本次物探调查对象，主要针对戚城遗址本体、会盟台以及周边疑似墓葬区域。图一：2为戚城文物景区平面图，中间方形圆角黄绿色范围即戚城遗址，也是本次勘探的主要探测区域。对古城墙采取高密度电法进行探测；城址以内采取探地雷达以及磁法、电磁法进行普探；城址外部建筑遗存、会盟台及周边区域采取高密度电法进行探测。探测的主要目的是要搞清戚城遗址城墙结构、城壕、道路走向、夯土基址等城市布局以及墓葬、文化层分布等情况。三物探设备工作原理本次考古物探工作采用了四种地球物理勘探的方法和设备，分别为磁法、高密度电法、多频电磁法、探地雷达。1.磁法勘探原理及适用范围磁法勘探是物探中运用最早的方法。由于它具有成本低、效率高、操作简便、工作条件限制少等优点，使该方法广泛用于地磁学和古地理环境的研究。随着科技的发展，磁法勘探仪器设备不断更新，探测灵敏度和探测精度及仪器的稳定性大大提高。近年来，磁法探测更加广泛地应用于考古、水文、地热勘查等研究领域。在本次勘探中，磁法勘探主要用于戚城遗址整体探测，以及重点遗迹疑似区域的探测。2.高密度电法勘探原理及适用范围高密度电法勘探是根据岩土层、地下(水下)埋设物体的电学、电化学性质及电场、电磁场变化规律，通过仪器测量记录其电性差异、强度的大小，进而了解其存在的状况，达到探测目的。高密度电法应用领域比较广，在考古勘探中，查明古河道、墓穴和洞穴的分布，探测和寻找古城墙、大型夯土建筑基址的埋藏深度及夯土厚度等方面都具有较好的显示效果。在本次勘探中，高密度电法主要用于探测戚城遗址内的城墙结构、夯土基址、疑似大型墓葬等埋藏较深的遗迹。3.多频电磁法勘探原理及适用范围多频电磁勘探主要以寻找导电性较好的地下金属埋藏物体为主，同时具有一定的查找浅层地下水的功能。在旧城改造中多用于探测地下电网、给排水管网分布走向。在探测文物迹象方面，多频电磁法主要用于了解地下墓葬的分布和保存情况，并可显示出墓室中金属随葬品的电磁反映信号。在戚城遗址勘探中，我们使用图一戚城遗址位置图121.戚城遗址2.遗址公园93中原文物CULTURALRELICSOFCENTRALCHINA多频电磁法对遗址区域内外进行了大面积的普探，主要为了初步探明戚城遗址内外的遗迹分布情况。4.探地雷达勘探原理及适用范围探地雷达作为工程物探的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。通过探测地下不同介质的介电常数、导电率的差异，分析遗迹遗物的不同信号反映。探地雷达对探测地下空洞、砖石质结构和较大的金属物品特别有效。探地雷达在戚城遗址勘探中，起到了重要的作用，探测范围覆盖了遗址的近80%，是进行地毯式探测的主要设备。四戚城遗址物探工作方法在物探手段广泛应用于田野考古之前，对古代遗址的调查，通常采用人工钻探的方法。考古物探则属于一种新兴的用于考古调查的科技手段，在寻找大型古聚落遗址、古城址中发挥出了越来越大的作用。因此，对于像戚城这样比较大的城址必须要有一套高针对性、高效率的方法，并且按照工作的计划执行，才可以获得更准确、更具参考性的物探成果。戚城遗址由于面积较大，根据现有条件，制定了以下探测计划。1.实地勘查，划分区域进入戚城遗址现场，观察地形障碍物，制定调查的初步计划与安排。为了更好地进行后期的数据对接分析处理，将整个城址内部分为四个部分，即西北，东北，西南，东南四个部分。城址外部设东部会盟台主体、会盟台周边区域、北城墙三个部分。共7个区块。2.分区探测，数据对接处理分析物探需要有一个综合性的过程,应该遵循从粗到精,由普探到精探的过程。我们先进行大面积的地毯式探测，采用了电磁法仪，以及探地雷达进行普探，然后对上述两种仪器的探测结果进行后期数据处理。发现异常点位，再使用高密度电法仪以及磁力仪进行细致的二次精细勘探。根据数据信号图形分析得出一个综合的物探结果图与分析结论。只有这样才能大大提高勘探的准确率，为日后的发掘保护工作提供可靠参考依据。3.做好记录，撰写报告。在实际勘探中，必须做好区块勘探记录。以便后期在数据处理反演的时候与实际地形地貌进行综合分析考量，了解所寻找目标在设备上所反映的特点。做好记录不仅有助于对异常现象进行分析，而且在重返现场寻找指认异常对应点时有着极为重要的作用。可以说，没有物探实时记录就等于勘探工作的失败。勘探的最后，我们应该撰写一篇物探报告，以便为日后工作提供参考。戚城遗址勘探工作进行了一周左右，每天在勘探同时进行了实时记录，记录下每一区域的具体的编号、面积、地形等。这些记录，在勘探之后的数据处理时，起到了重要的链接作用，是判断、验证异常点位的重要依据。4.钻探验证钻探验证是很直观的检验物探结果的方法。如果有条件，可以根据物探结果进行即时人工钻探，缩小物探探测范围，节省时间，减少物探工作量。本次戚城遗址勘探发现的疑似重要遗迹，有的是已知的遗迹，有的是未知的遗迹线索。因此，有的疑似遗迹在物理勘探结束后进行了钻探确认，以证实物探成果的可靠性。五戚城遗址考古物探异常现象分析（一）高密度电法仪勘探结果1.图二是以会盟台中心点南北方向各延长60米的高密度电法的勘探反演结果（0点为北），在该反演结果图中主要发现了三处高阻异常。（图二）第一处出现在会盟台北32米处（地表下深处紫色区域），深度约9米，怀疑为古墓葬；第二处在会盟台台体偏北处（台体柱状红色94二○一七年第二期（总第194期）文物保护与科技区域），深度约6米，应该属于会盟台原始夯土结构，包围它的是晚期夯土；第三处在会盟台南7米处（地表下红色区域），深约2.5米，应为残存原始夯土。2.图三是以戚城遗址北城墙西段近城门口一点为中心，南北方向展开的高密度电法的勘探反映结果（0点为北）。在该反演结果中发现了三处异常（图中标注处）。其一出现在32米至44米处深度约6米的低阻异常，疑似为古代城壕；其二在48米至65米处，深度约10米的高阻异常，疑似早期的城墙夯土结构；其三在46米至88米的绿色区域内，该处属于晚期附筑的夯土城墙。3.图四是会盟台西侧疑似墓葬区由北向南方向展开的高密度电法的勘探反演结果图（0点为南），在该反演结果中发现了三处异常。其一在28米处，深约3.5米的方形坑状结构（图左侧紫方框），疑似为古墓葬；其二出现在56米至82米处，深度0~10米的高阻异常（图中段红黄色三角形），疑似为有斜坡墓道的大型古代墓葬，填土中存在疑似不到底的盗洞或晚期扰坑；其三在图三戚城遗址北城墙高密度电法反演结果图图四戚城遗址会盟台西侧疑似墓葬区高密度电法反演结果图图二会盟台高密度电法反演结果图95中原文物CULTURALRELICSOFCENTRALCHINA90~98米处，深度约7米的异常，疑似为古代墓葬。4.图五是在会盟台北侧疑似古代墓葬（图二的疑似墓葬点）位置由北向南方向展开的二次精测反演结果图（图二的平行偏东位置，0点为北），在该反演结果中有一处高阻异常出现（图中部红色区域），宽约4~6米，深约9米，底部有三个圆形疑似金属物体反映。这处异常与图二中第一处高阻异常位置、深度吻合，相互印证，为一座中小型古代墓葬的可能性较大，且底部尺寸大于开口尺寸。（二）电磁法仪勘探结果图六是戚城遗址电磁法探测结果。图中蓝色区域为本次考古勘探的电磁法探测区域，其余部分为广场、树林、土岗等无法探测区域。电磁法勘探区域覆盖了遗址的绝大部分，是本次探测遗址内道路、房屋基址的主要勘探方法之一。我们将电磁法探测结果与遗址平面图叠加起来进行分析，得出了以下判断：1.蓝色电磁探图中的黑色线条为古代道路且环绕整个城址；通过南城门向北方向的中轴主干道南、北两端皆有明显的向东、西交叉的道路，且一直延伸到遗址的东、西部。主干道南端东叉道上还有十字交叉道路的迹象。2.图中遗址东部红、黄色的的异常区域疑似为城内的夯土建筑基址遗存。3.总体判断戚城遗址的南部、北部、西部道路的保存情况较好，东部的要差一些。城内建筑遗迹主要集中在东部的中心区域，其他区域较零散，功能区分和后期破坏都可能是其原因。（三）探地雷达探测结果图七、图八是本次探地雷达探测的两幅地层剖面图。图中弯曲、褶皱、断裂、扰动、空洞都是人为活动痕迹。图片下部均匀回波为未经扰动的原生土。通过这些剖面图可以看出异常大部分集中在深度为1~4米的位置，有的深达生土。图五戚城遗址会盟台北侧疑似墓葬区高密度电法反演结果图图六戚城遗址电磁法勘探结果图96二○一七年第二期（总第194期）文物保护