海洋物探技术在水下考古中的应用

海洋物探技术在水下考古中的应用

1888年，清政府在考虑内外问题后，于1888年开始设立中国第一个现代海军舰队。这支舰队成军时，综合实力居亚洲之首。其旗舰“定远”号（图1）购自德国，是一艘采用钢铁装甲和蒸汽动力的一等铁甲舰，排水量达7430吨，在当时堪称“亚洲第一巨舰”。1894年，中日甲午战争爆发。黄海海战中，北洋舰队遭受重创。翌年，北洋舰队全军覆没于威海卫，包括旗舰“定远”在内的数艘北洋海军舰船折戟沉沙于威海湾内。这些沉舰在战后遭到日方成系统破拆，仅剩部分舰体残骸。这些舰船的遗骸已成为珍贵的历史文化遗产，采用海洋物探技术探明这些舰船的遗存情况，有针对性地开展水下考古与保护工作，具有重要的历史意义和现实意义。1水下考古中的技术应用海洋物探技术在水下考古中的应用，本质上是部分地球物理勘探技术在现代水下考古中的应用。海洋环境的复杂性和危险性，使水下考古调查工作在很大程度上要依靠水下物探技术和相关设备才能完成。其典型技术与应用主要有三类（图2）。1.1磁力仪捕集点的确定通过测定地球磁场强度的地域变化，探测水下铁磁体，如铁壳沉船等能够引起地磁场强度变化的物体。磁力仪作为磁法探测的代表性设备，是开展水下考古调查重要设备之一，主要用于铁磁体的探测。地球磁场在某一局部区域通常处于均匀分布状态，当铁磁体物质进入该区域则会造成其磁力线的异常扰乱，且干扰量和物品质量与组合方式息息相关，其异常变化具有函数关系。根据被探测区域磁异常的变化，我们由此可以测算出铁磁体的大概质量和分布范围。这一被磁力仪捕捉到的区域磁异常点，就成为可供进一步人工潜水探摸及发掘的潜在考古价值点所在。从20世纪初至今，磁力仪经历了灵敏度和精度由低到高、从简单到复杂的发展经历。按照其工作原理，磁力仪大概可以分为机械式、质子旋进式、欧弗豪泽效应式和光泵式四种。其中，光泵式磁力仪目前应用最为广泛，其分辨率已达0.01nT的级别。1.2多波束测深系统的技术特点声学探测是利用声波在水中传播的过程中遇到物体反射的特性，由声呐设备主动向水下发射声波，通过测算该声波反射回波的返回时长或强度变化，来探测水下甚至淤埋在海床下的物体。声学探测方法的代表性设备主要有侧扫声呐、多波束测深系统、浅地层剖面仪、合成孔径声呐等。侧扫声呐，又名“旁侧声呐”或“海底地貌仪”，是一种专门用来探测海底地貌起伏变化的拖曳式扫海测量设备。与多波束测算回波“往返时间”不同的是，侧扫声呐测算的是回波的“强弱”。侧扫声呐由拖鱼（声呐拖曳阵列）经两侧向海底发射高频声波，声波在传播过程中被海底沉积物反向散射后按照由近及远的顺序形成序列回波，通过连续测算该回波强度就可以获得海底的二维地形地貌图像。被探测海区的海底材质和形态决定了回波强度，当侧扫声呐发出的声波信号遇到坚硬的、粗糙的、突起的海底则回波强，遇到柔软的、平坦的、下凹的海底则回波弱，如坚硬的岩石、木头和金属比淤泥具有更好的反射特性。通过持续勘测，侧扫声呐就可以获得反映海底地形地貌、材质等信息的二维灰度或伪彩色图像，供考古物探人员进行研判。多波束测深系统，又名“多波束条带系统”“多波束测深声呐”，是一种可以同时获得多个（典型值有256个、512个）相邻窄波束回波的测深系统。与传统的单波束测深系统每次只能依靠单个波束获得单个测量深度值相比，多波束系统能一次计算出一个条带覆盖区域内上百个甚至更多的被测点的水深值和距离船体的水平位置，经过数据处理，可生成精细的海床覆盖和海底遗址的三维数字地形图。多波束测深系统的技术特点决定了它在水体深度测量方面拥有不可比拟的优越性。在近海进行水下考古作业中，多波束能够发挥其高精度、高分辨率的特点，能够兼顾工作效率和需求。浅地层剖面仪是另一种利用声波探测水底浅地层剖面结构和构造的声呐设备。相较于多波束和侧扫声呐，浅地层剖面仪采用较低频率声波，以获得足够的穿透力穿透海床（河床）继续向更深层传播。由于声波在不同的沉积物层中传播速度不同，声波会以能级递减的方式穿透各层并在各层界面处反射。浅地层剖面仪可以通过测算声波发射—传回这一过程所消耗时间，用以获得海床之下各沉积物的分布和构造，从而用于探测和发现被泥沙掩埋的海底遗迹。相较于磁力仪只能探测含有大量铁磁体的水下遗址而言，浅地层剖面仪还可以被用来探测被掩埋于海床泥沙下木质遗迹。合成孔径声呐是一种使用小孔径的声呐换能器阵，通过运动形成虚拟大孔径的方法，来获取更高的航迹向分辨率的声呐设备。相比于上述几种实孔径声呐，合成孔径声呐最突出的优势是航迹向成像理论分辨率与探测距离、探测信号的频率无关1.3“海底执法”实践潜水器分为载人型（HOV）、遥控型（ROV，无人有缆）和自主式水下航行器（AUV，无人无缆）三种。潜水器在水下考古调查中的应用，在一定程度上使考古人突破了水压极限和下潜时长的限制。潜水器可以在一些超过人体生理极限的极端环境执行包括视觉搜索和摄影、采集标本等任务，替代水下考古队员完成一些危险任务。以我国自行研制的“深海勇士”号载人深潜器为例，该型潜水器在西沙群岛北礁海域开展的“2018年南海海域深海考古调查”作业中，载人深潜至水下1003米，发现与提取器物标本6件，实现了中国深海考古“零的突破”。遥控型的应用则更加广泛，从2001年抚仙湖到2017年江口沉银水下考古，都采用了遥控型潜水器。自主式水下航行器，则彻底摆脱了线缆的控制，一定程度上实现了自主航行。在实际考古应用中，通常采取多种物探技术和设备相结合的方式进行水下扫探，获得物探数据互为补充，取长补短，以达到最佳的探测效果。对于近现代沉舰水下考古调查而言，通常会先使用磁力仪进行大面积海域扫测，根据前期扫测结果对重点目标使用多波束测深系统和侧扫声呐进行更高精度的扫测勘察。如果发现高价值考古疑点位于海床沉积物之下，则采用浅地层剖面仪结合人工潜水调查进行详细勘察。在具体考古工作中，会综合考量现场水文环境、资料收集等因素，对物探方案进行相应的调整。2海洋物探技术的应用2017年，为探明威海湾内北洋海军沉舰位置及残留情况，经国家文物局批准，受山东省文化和旅游厅委托，国家文物局水下文化遗产保护中心联合山东省水下考古研究中心、中国甲午战争博物院和威海市博物馆，调集国内各地水下考古队员来威组成联合考古队，启动了清甲午沉舰遗迹调查与研究项目，也正式开启了为期4年的威海湾水下考古调查工作。在2017年、2018年进行的水下物探调查阶段，考虑到威海湾海域平均水深仅有7米、水体能见度差、遗址主体为铁质文物等因素，考古队仅采用了磁法探测和声学探测两种方法，并利用磁力仪、侧扫声呐、多波束测深系统、浅地层剖面仪等海洋物探设备对威海湾海域进行了“拉网式”物探调查，总计完成了威海湾海域20.943平方千米的探测面积，获得了扫测区域的磁力