引用本文
王传雷, 祁明松, 胡尊平. 磁法探测木质沉船的模型实验及效果分析[J]. 物探与化探, 2015,39(5): 962-966.
WANG Chuan-Lei, QI Ming-Song, HU Zun-Ping. The magnetic method for the wooden ship-detecting model experiment and the result analysis[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(5): 962-966.
Doi:10.11720/wtyht.2015.5.14  
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磁法探测木质沉船的模型实验及效果分析
王传雷1, 祁明松1, 胡尊平2
1.中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院,湖北 武汉 430074
2.新疆地质调查院,新疆 乌鲁木齐 830000

作者简介:王传雷(1953-),中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院教员,长期从事地球物理勘查的教学和应用实践工作。E-mail:chlwang@cug.edu.cn

收稿日期: 2015-02-26
基金: 国家自然科学基金项目(40374040
摘要

中国辽阔的海疆和丰富的内陆水域为历史悠久并辉煌的航海史留下了丰厚的水下文化遗产,古代木质沉船承载着复原中华海洋文明的梦想。因此,水下考古学迫切期望相关学科的技术支持,来对水下被掩埋的古代木质沉船进行探测。笔者通过对木船的实物模型磁场进行测试及分析,证实了木船可以引起周边磁场的变化,同时查明了木船引起磁场变化的场源物质,从而证实了磁法探测木质沉船的可行性、可靠性和有效性,并讨论了磁法探测木质沉船的应用条件。

关键词: 木船; 模型实验; 磁场测量; 效果分析
中图分类号:P631.2 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)05-0962-05 doi: 10.11720/wtyht.2015.5.14
The magnetic method for the wooden ship-detecting model experiment and the result analysis
WANG Chuan-Lei1, QI Ming-Song1, HU Zun-Ping2
1.Institute of Geophysics and Geomatics,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China
2.Xinjiang Institute of Geological Survey,Urumqi 830000,China
Abstract

Chinese vast territorial seas and rich inland waters constitute a long glorious history of navigation history,and have left huge underwater cultural heritages.As to underwater detection of buried ancient wooden shipwrecks,underwater archaeology is anxious to seek support from the related disciplines of technology,because the ancient wooden shipwrecks carry the dream of restoration of Chinese marine culture.In this paper,the physical model of field test and analysis of the wooden shipwrecks confirmed that the wooden shipwreck can cause the change of the surrounding magnetic field,and the authors also found out the field source material that caused the change of magnetic field.These results confirm the feasibility,reliability and validity of the magnetic method in detecting wooden shipwrecks,the application conditions for magnetic detection of wooden shipwrecks are also discussed in this paper.

Keyword: wooden ship; model test; magnetic field measurement; effect analysis

使用磁法测量技术对水下的金属沉船进行调查, 国内外都有成功的探测实例, 探测到的金属沉船和相关目标物体都被打捞出水或得到验证, 探测成果得到了业主的认可[1, 2, 3, 4, 5]。并且, 我国物探工作者还进行了技术的总结与提升[6, 7, 8, 9], 这一探测技术获得了国家的专利[10], 在我国开创了使用地面磁力仪在水域成功探测水下物体的方法技术。当然, 还有其他的物探方法可以用于水下目标体的探测[12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]。

但是, 对于我国的水下考古工作而言, 具有考古意义的是古代的木船而不是近代的钢铁金属沉船。因此, 如何使用磁法测量技术在水域对掩埋的木质沉船进行调查, 是水下考古工作者所关注和期望的。

具有较强磁性的金属沉船周围存在较强的磁场变化, 可被磁力仪测量发现。对于木船, 特别是被掩埋的木质沉船, 首先需要弄清楚木船能否引起足够强的磁场变化, 其次是要弄清楚引起木船周边磁场变化的场源是什么, 以及使用高精度磁法测量技术探测木质沉船的最大深度是多少。

1 实物模型实验及效果分析

磁法技术能否探测到木质沉船, 最直接的方式就是模型实验, 使用磁力仪在木船周围进行测量, 根据木质船体周边是否存在磁场的异常变化进行判断。

1.1 磁异常特征

图1是磁法探测木质沉船实物模型实验所选择的木船及实验工作照片。经过检测, 实验木船的船长11 m, 船宽4.0 m(最宽处), 建成以后, 船内没有再添加铁质物体, 废弃的渔船被抛弃在海边沙滩上, 沙滩及周边没有人文干扰, 磁场平稳。

图1 利用废弃木质渔船进行磁场测量的模型实验现场

实验时使用GEM-19T质子磁力仪, 磁力仪传感器保持在船甲板上0.5 m的高度。测网密度是2 m× 1 m, 测线平行木船长轴, 观测精度优于± 2.0 nT。

经过对实验数据的整理, 绘制的木船磁异常平面等值线表示, 在这一观测高度平面上存在明显的磁场变化, 磁异常的正、负极值分别为186 nT和-37 nT, 幅值变化约223 nT。磁异常形态规则, 长轴方向明显, 而且与木船有很好的对应关系(图2)。从磁场强度、磁异常形态以及磁异常和场源的对应关系上, 发现和证实了木船能够在其周边引起足够强的磁场变化。实验获得了很好的效果, 令人满意。

图2 废弃木质渔船的磁异常平面等值线

1.2 场源调查

木材是没有磁性的, 通过对实验木船的观察了解到木船磁异常的场源来自于建造时的铁质抓钉等连接构件, 由于实验木船外形完整, 外涂油漆没有完全脱落, 因此可以明显看见木船建造时铁质连接构件的露头(图3), 但是无法了解连接构件的规格, 因此无法统计估算木船建造时铁质连接构件的总量。

图3 实验木船上的铁质连接构件

为了了解古代沉船建造时的铁质抓钉等连接构件的规格和使用量, 了解古代沉船建造时的铁质抓钉等连接构件的磁性强度等情况, 对在菏泽市博物馆修复中的元代古沉船(图4)和鄄城县凤凰乡发掘现场的古代沉船(年代未定)做了调查。

图4 对元代古沉船铁质抓钉进行磁性强度测试

凤凰乡古代沉船上的铁质抓钉分布比较密, 大约间距13~15 cm一根, 每个抓钉大约长22 cm, 宽1.2 cm(两端稍细), 厚0.8 cm, 见图5。铁质抓钉的磁性比较强, 在现代钢铁磁化率的常见值范围内。由于该船只残留一部分, 因此还是无法通过船的整体规模估算铁质抓钉的总量。

图5 凤凰乡古代沉船上的铁质抓钉分布、规格及磁性强度测试结果

菏泽市博物馆修复后的元代古沉船船长21 m, 宽3.4 m, 高1.8 m, 有11个隔舱。虽然比凤凰乡古代沉船规模大, 但是铁质抓钉分布与大小相当, 统计估算这一条古船大约有4 000~4 100个铁质抓钉, 平铺在地面, 面积与一个乒乓球台相当。测量显示该船铁质抓钉的磁化率亦与现代钢铁的磁化率强度基本一致(图5 右)。

综上所述, 木质沉船之所以能够在其周围引起磁场变化, 其场源来自于木船中的铁质抓钉。而且铁质抓钉的磁性强、数量多。这就为磁法探测古代的木质沉船奠定了地球物理前提条件。使用高精度磁法寻找探测古代木船, 就是探测发现由这些有较强磁性的、有规律排列的、有一定数量的铁钉引起的磁场变化, 因为铁质抓钉是船的组成部分, 因此判定使用高精度磁法技术可以用于直接寻找探测古代木船。

1.3 有效深度推算

了解木船在其周边引起的磁场变化情况, 即了解磁法探测木船的有效深度, 这是使用磁法探测木船必须要考虑的技术关键点之一。

通过对实验数据进行空间解析延拓处理, 将观测平面分别向上抬高2、4、6 m, 相当于离船甲板2.5、4.5、6.5 m高度上的模型木船的磁异常变化情况(图6)。随着高度的增大, 磁异常的强度从186 nT依次衰减为78、35、21 nT, 磁异常的强度逐步减小而磁异常的范围亦逐步外展; 磁异常的形态逐步接近同心圆。这些变化特征和变化趋势符合有限长水平圆柱体的理论磁场分布。

图6 不同高度上废弃木质渔船的磁异常平面等值线

按照这一磁异常场值的衰减速率, 如果使用磁测为2 nT的精度进行调查, 以3倍的磁测精度确认磁异常的可靠性, 那么, 可以推断认定磁法能够探测到埋深7~8 m、规模为11 m(船长)× 4 m(船宽)的木质沉船。如果船体规模更大, 则磁法探测的深度亦能够加大。

2 结论

通过对木船实物模型的磁场测量实验, 发现和证实了使用铁质抓钉建造且尚未严重锈蚀的木船能够在其周边引起足够强的磁场变化; 进一步的考察查明了引起木船磁异常的场源物体和相应的规模; 对实验获得的资料进行进一步转换处理, 估算了磁法探测水下掩埋木船的有效探测深度。实验得到了很好的效果, 证实了磁法探测木质沉船的可行性, 为地球物理勘查服务于文物考古调查增加了一种新的方法技术, 为在水域进行磁法调查古代木船奠定了坚实的基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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