探地雷达在上林湖越窑遗址水下考古中的应用

图1 后司岙考古挖掘现场(拍摄于2016年12月)

研究表明唐宋时上林湖已修筑有堤坝蓄水,明正德八年加修新坝。新中国成立后,1957年又在北部原坝址上修筑了一个混凝土结构大坝,1958年和1960年进行两次加高加固之后最终形成现在的上林湖水库^[13]。水库大坝翻修致使上林湖水位大幅度上涨,许多原本位于陆地上的越窑遗址群逐渐被上升的水位所淹没。从已发掘出来的窑址群分布规律和展布特征来看,此处的越窑遗址有向邻近水域延伸的趋势(图1a中黑色箭头所指方向),因此很有必要开展水下情况调查,圈定淹没于水下的窑业遗存,完善上林湖越窑遗址全貌。

1.2 上林湖水体电性参数测量

探地雷达所发射的电磁波在水中的传播衰减取决于衰减因子的大小,传播时间取决于电磁波传播速度的大小。

电磁波衰减因子及传播速度分别为:

(1)

\begin{array}{l} α = ω \sqrt{μ_{r} μ_{0} \frac{ε_{r} ε_{0}}{2} (\sqrt{1 + {(\frac{σ}{ε_{r} ε_{0} ω})}^{2}} - 1)}, \end{array}

(2)

\begin{array}{l} v = \frac{1}{\sqrt{μ_{r} μ_{0} \frac{ε_{r} ε_{0}}{2} (\sqrt{1 + {(\frac{σ}{ε_{r} ε_{0} ω})}^{2}} + 1)}}, \end{array}

其中:ε_r为介质的相对介电常数;真空绝对介电常数ε₀=(36π)^-1×10^-9[F/m];μ_r为介质的相对磁导率,通常情况下取1;真空磁导率μ₀=4π×10^-7[H/s];σ为介质的电导率;ω电磁波角频率,ω=2πf, f为雷达天线中心频率。

为确定探地雷达在研究区域内的穿透能力,工作人员在雷达探测开展前使用中心频率f=100 MHz的时域反射仪对上林湖水体进行了电性参数测量,测量结果表明湖水平均相对介电常数为83.009 6,平均电导率为0.003 6 S/m,水体的相对介电常数较纯净水(81)要大,这是由于上林湖集水区的杨梅林中农药化肥随雨水流入湖中造成水体重金属污染和富营养化^[14]。根据公式(1)计算得到电磁波在湖水中的平均衰减因子为0.074 5,平均探测深度(衰减因子倒数)为13.422 8 m。上林湖年平均水位不超过10 m,因此100 MHz雷达天线可以在该水域进行有效勘探,更高频率的雷达天线勘探范围则受限于浅水区域。根据公式(2)可以计算得到电磁波在水中的传播速度为0.032 9 m/ns,不同频率的电磁波传播速度差异极小,因此在后续雷达数据处理过程中,不同频率的雷达数据时深转换所采用的传播速度相同。

2 水域考古探测

2.1 水上探地雷达数据采集和处理

本次探测试验使用美国GSSI公司生产的SIR4000型号的探地雷达。选用木船来承载雷达仪器和工作人员,船身长8 m宽1.5 m,木船由船尾的柴油发动机驱动。雷达天线放置在船身前部甲板上,这样可以尽可能地避免船尾发动机的干扰(图2)。在数据采集过程中将雷达主机与高精度差分GPS相连,以此来同步记录船只航行的轨迹并将地理坐标信息写入雷达数据文件中。此外,为了实时掌控船只行进方向和位置,工作人员将设计好的测线信息导入到一个手持GPS,结合房屋、大树和山坳等陆上固定参考物指挥船只航行和雷达数据采集工作。

图2

图2 水域探地雷达数据采集现场

100 MHz雷达天线放置在木船甲板上

数据处理的根本目的是压制干扰波,突出有效波。本次研究采用Radan 7软件完成探地雷达数据的处理,除了常规的数据处理(零点位置调整、指数增益、滤波、背景去除、时深转换等)外,还采用预测反褶积技术来压制水上雷达数据中干扰较强的多次波。在预测反褶积的处理过程中,根据多次波的时差规律性和雷达子波特性,选取合理的预测步长来压制雷达剖面上简单形式的多次波,并提高探测成果的垂向分辨率^[15,16]。

2.2 不同频率雷达天线对比试验

在对水下越窑遗址进行大规模探测之前需要先试验不同水深环境下不同频率天线的探测能力,根据试验效果制定详细水下考古调查方案。因此选定上林湖南部水域的一处水下突起为试验对象,经过潜水员下水确认为是古水坝,呈WS—EN展布。使用100 MHz、200 MHz和400 MHz天线沿WN—ES走向横切水下坝同一位置进行测量。

从处理后的雷达剖面(图3)上可以看出,100 MHz雷达天线(图3a)所呈现的水下情况较为完整,最大水深7.6 m,最小水深5.3 m,水体与湖底界面反射强烈,雷达图像上可识别湖底以下1 m范围内地层。该测线湖底部分,横向26~48 m范围内为水坝(图中用白色虚线标记水坝位置),水坝西北侧斜坡较为光滑,水坝顶部和东南侧斜坡双曲型绕射强烈,为构成水坝的堤岸抛石或者台阶;横向5~20 m可以很明显地区分出湖底淤泥与基岩界面,淤泥对电磁波衰减较强,剖面图上淤泥界面较基岩界面反射要弱,淤泥厚度在0~0.8 m不等;横向48~75 m段为湖底淤泥,厚度较水坝西北侧淤泥要厚,横向58 m和68 m处淤泥内有明显双曲型反射波,为埋在淤泥内的孤立石块。

图3

图3 经过某水下坝水域的不同天线频率探地雷达测量结果

图3b和图3c为较高频率的天线在水中的测量结果,可见电磁波衰减较为严重,图像质量较图3a差。实验表明200 MHz和400 MHz天线不适用于水深超过5 m的水域探测,上林湖水下考古调查应该以100 MHz天线为主。但是如图3c所示,400 MHz天线剖面图中的古水坝一侧的双曲型绕射反应区分明显,局部分辨率较高,在水深小于5 m的浅水区域,400 MHz天线可以作为100 MHz天线的辅助手段进行水下精细构造详查。

因此,上林湖越窑遗址水下考古雷达探测思路与流程为:在后司岙陆上考古挖掘现场的临近水域,首先应用100 MHz雷达天线进行普查圈定越窑遗址范围,然后在浅水区域(<5 m)利用400 MHz雷达天线对局部异常点做进一步确认,最后由潜水员下水对雷达探测结果做最终核实。

2.3 湖底地形图绘制

对水底地形进行高精度三维成像有利于掌握上林湖区域性水下特征和圈定水下遗址遗迹分布范围。本次研究在上林湖南部水域开展高密度水上探地雷达测量,然后提取每条测线所对应的水底地形信息,利用Kriging方法对研究区域内所有测线中的湖底界面进行网格化差值拟合,生成了三维湖底地形图。

图4、图5是探地雷达数据三维成像结果。图4为一处西北浅东南深的水底斜坡构造,水深从2.8 m急剧变化到7.2 m。经潜水探摸,此处原为一条古河道,东南方深水区域对应古河道河底,斜坡构造为古河道一侧堤岸,西北方浅水区域对应古河道岸边相对比较平整的地面。研究表明,该河道曾北通曹娥江、浙东大运河,为上林湖瓷器运输要道,至北宋晚期窑业衰落后拦坝蓄水,上林湖沿岸及上游部分区域被淹没^[17]。

图4

图4 古河道一侧堤岸还原

图5

图5 古码头边缘延伸还原

图5为中间浅两边深的水下凸起构造,凸起顶部平坦区域水深3 m左右。结合潜水探摸,确认凸起部分为一向东南方水中延伸的古码头,码头的西南、东北方向深部水域为原湖底,码头东南侧为乘客上下和货物装卸处。

2.4 雷达剖面上越窑遗址遗物识别

经过归纳,研究区域内现存窑炉遗址主要分为两类。第一类是暴露性窑炉,位于水深小于3 m的范围内。这类窑炉被淹没时间较短,淤泥覆盖层不厚,因此部分或者全部暴露在水中,通过其顶部凸起构造可以直接从雷达剖面图上识别出来。图6为这类遗址的代表。图中炉顶水深仅为2 m,由于浅水环境受风浪影响水动力作用较强,窑炉常年受水冲蚀,冬季枯水期水位下降窑炉暴露在空气中受氧化作用侵蚀较为严重,因此窑炉部分垮塌,杂乱的砖块和陶瓷碎片引起了雷达剖面图上的紊乱反射。

图6

图6 暴露在水中的窑炉遗址和陶瓷遗物(100 MHz雷达天线剖面)

图6右侧水底为陶罐所引起的孤立双曲型绕射,对比图7中另一处由400 MHz雷达天线在同等水深情况下所测得的陶罐反射可知,水深约2.6 m的浅水环境中,100 MHz天线在水底地层中的穿透能力更强,可以反映更多深部地层的信息,但是对地层的分辨率没有400 MHz天线高,后者对陶罐的反射更为明显,可以通过陶罐顶底界面两条比较明显的双曲型反射波的距离判断出该陶罐直径约为20 cm。

图7

图7 部分暴露在水中的陶罐(400 MHz雷达天线剖面)

第二类窑炉遗址为隐伏性窑炉,位于水深3~5 m 的区域内,如图8所示,窑炉顶部水深3.9 m。这类窑炉被淹没时间较长,周围及顶部淤泥沉积层较厚,从湖底表面几乎看不到任何凸起异常,声呐也不能对其进行识别。但是雷达所发射的电磁波可以穿透一定深度的湖底地层,由此从雷达剖面图上可以根据窑炉顶部拱起特征以及与周围地层的差异对其进行判别。此外,因为这类窑炉大部分或者全部隐藏在湖底地层中,即使是枯水期也不会暴露出来,窑炉遗址和文物保存完好的居多,相比于第一类窑炉遗址具有更高的考古研究价值。

图8

图8 隐藏在水底淤泥地层中的窑炉遗址(100 MHz雷达天线剖面)

3 结论与展望

上林湖越窑遗址探地雷达水下考古试验结果表明,探地雷达不仅在陆上考古中发挥着重要作用,同时也是一种有效的水下考古新兴技术,其主要优势体现在:

1) 探地雷达操作简单高效,船载方便安全,避免与水体直接接触,不会出现声波类方法中因为船只触底而出现设备损毁的现象,无论是在开阔水域还是狭窄河道都可以有序开展;

2) 相比于其他水下考古探测方法,探地雷达不仅可以通过高精度三维水底地形图刻画古河道、堤岸、码头、原湖底界面等遗迹的区域性展布特征,还可以在剖面图上对古水坝、堤岸台阶、抛石、淤泥、陶瓷、基岩、暴露性窑炉和隐伏性窑炉等局部遗址遗物进行有效识别。

同时,由于电磁波的衰减强弱易受到水体环境的影响,如何提升探地雷达应对更深更复杂水体条件的能力,改进探地雷达仪器和数据处理方法,并将其与其他水下考古探测方法做到有效结合优势互补,扩大其适用范围,是未来的研究重点。

致谢:

本文的研究工作作为宁波上林湖后司岙水下考古调查项目的一个组成部分,得到了宁波市文物考古研究所、国家文物局水下文化遗产保护中心、浙江省文物考古研究所以及慈溪市文物管理委员会办公室的大力协助,在此表示感谢。

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近年来,探地雷达被越来越多地应用于考古探查中。由于反演多解性问题的存在,雷达图像上的异常既可能是考古目标引起的,也可能是由于地下环境介质的不连续性引起的,所以探究不同类型的考古遗存在探地雷达图像上的典型异常响应,有助于准确识别雷达图像上的“真”异常,剔除一些“假”异常。首先,本文基于西北干旱-半干旱区文物埋藏环境,在河北省怀来县遥感综合试验站试验区设计实施了地下目标体探地雷达探测实验,分析了不同材质的小尺度目标体及夯土结构在探地雷达图像上的响应特征;然后,进一步将探地雷达应用于悬泉置遗址地下城墙基址的探测,对城墙在雷达图像上的响应特征进行了分析。实践表明,探地雷达技术在埋藏浅、小尺度、物性差异不大的考古探查中具有很好的效果,得到并解释了点状、线状、面状等不同考古目标体在探地雷达图像上的响应规律。

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基于水和岩土介质的介电常数差异,应用GPRSIM软件研究在不同水深条件下二层介质的雷达响应特征。一般情况下,雷达天线频率为50 MHz时,勘探深度可达到10 m左右。根据南京长江二桥桥址区的地质资料,建立含有水、淤泥质粉质黏土、粉细砂、砂砾卵石以及砾岩的水下砂体模型,并应用GPRSIM软件对该模型进行正演研究。研究结果表明,天线频率为50 MHz、水深不超过4 m时,雷达影像能够较好地反映出水下各岩层的赋存状态,特别是能够圈定出水下砂层的厚度和分布范围,这为实际水下砂体的勘探提供了重要的理论依据。

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