考古勘探中的剩余磁性物质

考古勘探中的剩余磁性物质

一、热剩余磁性的作用采用现代高精度地球物理勘探方法，尤其使用先进的高精度磁力仪进行破坏考古勘探。这是现代科学研究和考古发现的典范，为现代考古发现打开了新的大门。众所周知,考古勘探的对象通常是地下古窑址、古冶炼遗址、古墓葬和古建筑遗址等古代留下的遗存,它们与周围的土或岩石之间存在着不同的磁性差异,表现为或强或弱的磁性体,利用现代高精度磁力仪器在地表便可获取这种磁异常值,再利用计算机及相应的处理软件对获取的磁异常值进行处理成图,便可以得出和圈定考古异常区,进而解释可能存在的地下文物的形态、种类、规模大小和埋藏深度等。考古勘探对象的磁性强弱,由内部和外部两种因素决定,内在因素主要是构成勘探对象材料的结构、组分等;而外部因素是考古勘探对象在形成过程中所受到的磁场、温度、压力等因素的影响。根据这些因素,地下各类古代遗存和(文物)器物的磁性一般可分为以下几种:第一,热剩余磁性。组成古代的炉、灶、窖、窟等遗存和瓷器、陶器、砖、瓦等文物的原材料主要是粘土,其中含有简单盐类、氧化物类和次生铝硅酸盐类等矿物质。在对其进行培烧的过程中,由于热运动和地磁场的作用,使这类遗存和文物获得了热剩余磁性。由于热剩余磁性的强度大,稳定性高,故热剩余磁性使这些炉、灶、窖、窟等遗存和瓷器、陶器、砖、瓦等文物具有较稳定的磁性,以热剩磁为主的文物遗存在野外考古中见的比较多。第二,化学剩余磁性。常温下,在较弱的外磁场中,物质由于氧化等化学反应,相变或结晶增长等过程而获得化学剩余磁性。首先,在产生热剩余磁性的同时,伴随着化学作用,使原来的矿物变为新的矿物,如Fe(OH)3变为Fe2O3,伴生了化学剩余磁性。其次,古代的废物堆、藏物洞、窖、窟以及一些含腐殖质土层的遗址长期处于温度、压力发生变化的有机环境中,由于氧化-还原作用,使其含有的铁氧化物转换生成新的磁性物质,如Fe2O3氧化还原为Fe3O4等,使这类古代遗存中有磁性物质生成,并获得了以化学剩磁为主的磁性。第三,碎屑剩余磁性。碎屑剩余磁性也叫沉积剩余磁性,已经磁化的物质在水中或者空气中沉积时,受到地磁场定向排列作用而产生沉积剩余磁性。此类地层中埋藏的古墓葬、古建筑等在其营造过程中,由于对土的扰动或者挖空,致使相应范围的沉积剩磁场产生了紊乱,这便为寻找古建筑遗迹提供了间接的磁性信息。图一为一座古罗马时代建筑遗址上的磁测结果,遗址两侧原沉积地层呈现较平稳的背景磁场,而在10米到30米的遗址范围内形成了300nT的波动磁异常。人类扰动原生土壤的活动也会改变原生土壤的含铁量及其磁性,所以古代的道路、沟渠、以及砖石结构等遗迹的磁性,都与周围原生土壤的磁性有着一定的差异。另外,地下古建筑夯土基础等,在其营造过程中,土质材料受到大幅度的夯压,这样就使其密度和结构等物理因素均产生了变化,磁化率也随之增大;再者,有些夯土材料取自于“异地”,与当地土层的矿物成分、含量等有所不同,有些夯土中人为掺杂着一些磁性物质,如陶片、瓷片、烧土颗粒等,这些物质使得这类古代遗存与周围介质具有一定的磁性差异。第四,某些地下古代遗留物本身含有的铁器等磁性物质文物,具有较强的天然剩余磁性。即使这些古代器物体积较小,但当它们堆积成集合体,埋藏较浅时,就能够产生仪器可感应到的磁性异常。表一是部分标本的磁化率值,从中我们可以看到不同物质的磁性差异。根据地下历史遗迹的磁性差异,通过现代高精度磁力仪将这些磁性差异测定并记录下来,从而获得“异常数据”,通过对所采集的数据进行专业处理,就能锁定古代遗迹的目标,获得对地下遗迹的状况比较全面的认识,进而指导发掘或性质的研究工作,达到无损考古的目的。二、磁法测试了岐山周原遗址的区域1.重要的古代遗址岐山,原名凤凰山,位于衡南、衡阳、祁东三县交界处,上世纪70年代考古工作者在此做文物普查时就已发现这一带文化底蕴深厚、内涵丰富,多处重要的古文化遗址存在其中。这些年来,这些遗址中屡有先周、西周时期的遗物,如铜器、陶器、古墓,甲骨文和板砖等出土,表明岐山存在重要的商周时期大型聚落遗址,尤其以西周遗迹最为引人瞩目。2.磁测接头高度的选择考虑到地形对物探的影响,测线尽量沿地形等高线布置,方向为近EW和NW向。先围绕已知铸铜窑大致在250m×250m范围内,布设非规则测网,测网使用独立坐标系。在测线两端设控制点,控制点应编号,标志清晰、醒目。为便于进一步工作,工区角点应与国家大地坐标系统联测。古墓盗洞探测试验,在已开挖的大墓中发现的盗洞区域,采用剖面测量方式进行试验。考古专家估计铸铜窑遗址分布区500m×500m左右,先选择已发现遗址周围的约250m×250m范围内开展高精度磁测。首先在已知窑址进行试验,判定磁异常特征和范围。在推测的铸铜窑遗址分布区使用无磁测绳布置测线和测点,由于受地形地貌的制约,山坡经土地平整呈梯田状。经现场调查,尽量避免地形影响,测线以沿麦垄布设为宜,测线方向近东西向,大致沿等高线方向。测线两端插立不同颜色的旗帜(即桩号),保证测量时不偏线。磁测沿麦垄作业,测量控制点只布置在测线东、西两端。考虑到铸铜窑遗址的大小及古遗迹的异常特点,为不遗漏小异常,以0.5m×0.5m为测网进行磁测。工作选用MP4质子磁力仪3台,其中1号仪器作为日变观测仪器,2、3号仪器作为实际工作仪器。该仪器读数精度0.1nT,可人为设置点号和线号,另配有手提电脑,用于数据存放及处理。磁测探头高度的选择在文物勘探中尤显重要,直接影响着能否准确地测出考古对象的异常反映。对于规模较小的炉、灶、窖、窟一类古代遗存,进行了高度的试验选择。测量过程中,严格按照DZ/T0171-93中的规定操作,进行了磁力总基点设置、测点磁力值观测、日变观测、异常地段加密、磁参数测定、噪声试验及仪器校验、质量检查等工作。3.周公庙构造工程图形的地质特征利用高精度磁力仪按着一定的网度系统测得的大量磁力数据,通过计算机的处理、成图和专业技术人员的解释,可以推断目标古遗迹的分布,从而提供判定目标遗迹存在与否的科学依据。解释工作是在配合、利用传统考古所得信息、已知磁异常体磁性特征等先验信息的基础上,研究磁力异常等值线图以及剖面平面图的特征,找出异常地段,圈定异常范围,定性解释目标古遗迹区古遗迹分布及特征,并对所圈定的异常进行验证。磁测资料整理为对测点和日变资料作预处理。首先进行数据编辑,对原始观测值进行日变改正,由于本次工作以剖面测量为主,测线沿近东西向布置,范围较小,可不考虑正常场改正和高度改正,把整理的资料转录存盘,计算测点的原始观测和检查观测结果、确定测点的磁场值,对各种原始记录、表册进行整理等。磁测数据成图使用的是SUFFER软件,它是美国GOLDENSoftware公司推出的一款用于绘制工程图形的优秀软件,运行平台为Windows9X和WindowsNT。该软件具有将XYZ坐标系统中的数据自动形成数据图、等值线图、三维网格立体图、色块图、坡度矢量图等多种工程图件的功能。为了以追求能发现探测文物目标为目的,本文只成ΔT平面等值线图。(1)赵家台测区磁异常解释封二,1为周公庙赵家台测区的△T平面等值线图,从ΔT平面等值线图我们可以清楚地看到,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ几个区域△T值明显比周围的区域要大。对这几个地方进行磁化率测量,其值均在350×10-5·SI以上,有的中间部分竟达1000×10-5·SI以上。从图中可以看到Ⅰ号异常区域近似椭圆形,长轴约为7米,短轴约为4米,长轴走向近东西方向,异常区内有两处高异常段,ΔT值均大于20nT,靠西侧的形状近圆形,直径约为1米,靠东侧的形状不规则。推断此异常区下面肯定存在磁性很大的物质的,经过开挖和考古学家验证此处为一西周时期的制陶作坊(封三,2),两处异常值高的地段是培烧产生热剩余磁性的结果,在作坊的遗址处我们还发现很多破碎的陶片(封三,4),这也是造成磁异常值很大的原因之一。Ⅱ、Ⅲ两处异常区为直径大约3米的不规则圆形,中间的磁异常最大,周围的异常值逐渐减小,可以判断异常体的形状是圆形的,并且异常的深度是有限的,这两个异常区域的△T≈8nT,推断可能是培烧的结果。经过异常验证,我们的推断得到了证实,这两个区域也是西周制陶作坊的遗址(封三,1、3)。根据前面的推断,Ⅳ、Ⅴ两个区域以及周边磁异常值较大的地区不是小型的制陶作坊就是受到周围制陶作坊的影响造成的。经过验证,证实Ⅳ、Ⅴ两处也为制陶作坊,而其他磁异常为正值的区域是受他们的影响所造成的。因此,整个赵家台高精度磁测考古区,被推断并证实为一西周制陶作坊群。(2)周公庙樊西路东测区磁异常解释封二,2是周公庙樊西路东测区△T平面等值线图,该区可分为四个明显异常区。图中Ⅲ区域有一陡坎,其值为ΔT=14nT的正异常,该异常为陡坎造成的伪异常,经验证,异常下面也没有发现有考古意义的古遗存的存在。Ⅰ、Ⅱ为人为开挖窑洞所造成的。图中V既非地形影响,又非人为因素的影响,该区为△T=6nT的正异常,推测可能与轻微的培烧产