探地雷达与面波勘探技术在考古调查中的综合应用.doc

文章编号 :1672 7940 (2011) 03 0339 05doi :10 . 3969/ j . i ssn . 1672 - 7940 . 2011 . 03 . 015探地雷达与面波勘探技术在考古调查中的综合应用闪迪(中国地质大学 地球物理与信息技术学院 , 北京 100083)摘 要 : 随着生产力的发展和社会的进步 ,人类对自身的认识也越来越深入 ,于是 ,对于人类由古至今的发展演化也更加的关注 ,这是导致考古这一学科产生的根本原因之一 。笔者使用多种地球物理勘探方法相结合的方 式 ,研究了综合地球物理勘探方法在对古建筑 、古文物的发掘与保护的工作中所起到的关键作用 。主要阐述的 内容有 :分析和论述了综合地球物理勘探方法在古文物的保护方面所起到的巨大作用的理论依据 ;结合具体实例 ,使用相应的软件处理所得数据得出最终结果 ,并对详细的使用步骤进行描述 ;通过总结地球物理勘探方法在古建筑的发掘与维护上的优势及不足 ,总结物探方法在考古方向上的可行性 ,对进一步的探测提出一些建议 。关键词 : 综合地球物理 ; 考古 ; 文物保护中图分类号 : p6311 325文献标识码 : a收稿日期 : 2011 - 03 - 31appl ication of ground penetrating ra dar and surface waveexploration technology to archaeological surveysha n di( s c hool o f geo p h y si cs a n d i n f o rm at i on tec h nol o g y , chi na u ni ve rs i t y o f geoscie nces , b ei j i n g 100083 , chi n a)abstract : thi s p ap e r , co mbi ni ng ki nds of geop hysical e xp lo ratio n met ho d s , st udie s t he cr u2cial role of t he i nt egrat ed geop hysical e xp lo ratio n met ho ds i n t he e xp lo ratio n a nd p ro t ectio n of hi sto ric b uil di ngs a nd a ntique s. the mai n co nt e nt s a re : t he t heo retical ba si s t hat t he i nt e2 grat e d geop hysical e xp lo ratio n met ho d p lay s a great role i n t he p ro t ectio n of t he a ntique s i s a nal yzed a nd ela bo rat ed ; wit h t he e xa mp le s , t he fi nal re sult i s o bt ai ned f ro m t he dat a p ro2 ce sse d by u si ng t he releva nt sof t wa re a nd t he p rocedure s a re de scri be d i n det ail s ; the f ea si2 bilit y of t he i nt e grat e d geop hysical e xp lo ratio n met ho d i n hi sto ric buil di ngs i s summa rize d by a nalyzi ng t he a dva nt a ge s a nd t he sho r tco mi ng s i n t he e xp lo ratio n a nd p ro t ectio n of hi s2 to ric buil di ngs. a nd fi nall y so me sugge stio n s a re ma de fo r f ur t he r e xp lo ratio n .key words : i nt e grat e d geop hysical met ho ds ; a rc haeolo gy ; c ult ural relic p ro t ectio n的历史文化孕育了丰富的资源 。这不仅是属于中国的资源 ,更是全人类认识自身 、看清楚人类发展 历史所不可或缺的宝贵资料 ,对于这些珍贵文物 资 源 的 开 发 与 保 护 是 全 人 类 面 临 的 一 项 重 要引言1我国是一个具有悠久历史的文化古国 ,悠久作者简介 : 闪 迪 ( 1987 - ) ,男 ,北京人 ,硕士研究生 ,主要从事地球探测与信息技术 。e - mail : sun shi ne shandi 163 . co m题 。面波勘探工作原理面波是一种特殊的地震波 4 ,它与地震 中常用的纵波 ( p 波) 和横波 ( s 波) 不同 , 从 来说 ,它们只分布在弹性分界面附近 ,分为瑞 ( r 波) 和拉夫波 (l 波) 。而 r 波在振动波组 量最强 、振幅最大 、频率最低 ,容易识别也易地球物理探测考古 1 是一种间接的 、无损的试手段 ,可提供较大范围内古遗迹的物理性质 ,古遗迹内部结构 、异常体的位置 、规模等方面的息 。由于地球物理方法测试简便 、高效 ,在考古已普遍受到重视 。笔者重点总结了探地雷达法量 ,所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探 。面波勘探方法在对古遗迹的勘察和保护方面的面波 5 ,6 在传播中的主要特点如下 , 瑞利面震源 o 点出发传播时 ,其波前是一个高度 h的圆柱面向外扩散 ( r 为瑞利面波的波长 ,其穿透深度) ;面波波速与介质的物理力学性 切相关 。瑞利波速和横波波速的关系为 : v用 ,通过对各种方法的理论知识进行总结 ,结合河南省登封市古观星台遗址的勘测 ,从理论到践 ,对综合地球物理勘探方法在考古方面的应进行了研究 。v s ( 0 . 87 + 1 . 12)( 1 +) ,其中为泊松比基本原理概述均匀介质条件下 , 面波的传播速度 v r 与其频率 f (即与面波的波长) 无关 ,即面波在 介质中传播没有频散性 。与此相对应 ,在不探地雷达工作原理探地雷达是利用高频短脉冲电磁波在地下介介质中 ,面波的传播速度 v r 是频率 f的函数中传播来进行勘探的一门技术 2 ,3 。探地雷达面波在非均匀介质中具有频散特性 。在均匀中无频散性和不均匀介质中具频散特性是面 探的物理基础 。利用瑞利波速和横波波速的关系 ,可以瑞利面波的性质来确定介质的物理性质 。利 利面波的频散性质 ,为瑞利面波勘探提供理 据 。还可以根据面波沿地面表层传播 ,其穿度是一个波长的性质 ,通过选用不同的激振 收频率 ,改变面波的波长从而达到预想的勘 度 。在地面进行人工激振 ( 锤击或炸药) ,产 同频率的复合面波 ,经过傅氏变换将数据由基于不同介质的电性差异 ,利用高频电磁波 ,探地下介质分布和目标体 。当发射天线 t 以宽带 、短脉冲方式向地下发射电磁波时 , 如果遇到有不同介电特性的介质时 , 就会有部分电磁波量反射 , 接收天线 r 接收反射波并记录反射时,其原理如图 1 所示 。空间域转到频率 波数域 ,得到二维振幅像 ,在振幅谱图像上选取面波窗口拾取面波信据此计算面波速度 v r - 频率 f 频散曲线 ,换为深度 h - 面波速度 v r 的频散曲线 ,最 用频散曲线进行反演计算 ,从而得到地下某度范围内的地层结构和不同深度的瑞利波传 度 。图 1 探地雷达工作原理fig. 1gpr wo r king p rinciple接收天线 r 接收到的反射电磁波的旅行时为 :应用实例分析34 h2 + x2 / v(1)t =式 (1) 表达了探地雷达中目标体与时间的时观星台遗址古观星台 遗址 位于 中 国河 南 省 登 封 市24 k m ,始建于元朝年间 ,由我国古代著名天 家和水利学家郭守敬设计 ,距今有 700 多年 史 ,是我国现存最早的针对天文测量所建立关系 。于是 ,把发射天线与接收天线在被测介表面同步移动 ,便可将反射界面的反射波 ,依次列成二维雷达图像 ,根据雷达图像可以分析出目标体的状况 。第 3 期闪 迪 : 探地雷达与面波勘探技术在考古调查中的综合应用341门建筑 。观星台是一座雄伟的砖石建筑 ,高台体目前基本保存完整 ,基本结构分两部分 ,一是两侧 有回旋踏道簇拥着的复斗形高台 ; 另一部分是由台身北壁凹槽内向北平铺于地的石圭 。目前需要 探测整个斗型高台内部的损坏程度及整个观星台 底部地基的破损情况 。结合实际的地质条件及地 球物理探测条件 ,选取了包括探地雷达 ,面波勘探 两种方法进行探测 。探地雷达法采用探地雷达法主要为测量整个台体内部结 构 ,以确定台体内部填充是夯实的土还是如台体 外部一样用砖堆砌 。探测使用仪器为美国 gss i 公司生产的 sir22 型探地雷达仪器 。探测天线分别为 100 m hz 、500m hz 和 900 m hz 。 观星台探地雷达的测线布设主要采取网状 ,以便获得高台体详实的内部信息 ,测线覆盖整个 观星台 ,观星台共有 5 个面 ,东南西北及顶面 ,在 前 4 个面上布设了纵向测线 ,四面的底部布设尽可能多的横向测线 ,在观星台的顶面上布设了网 状测线 。测量主 要使 用 100m hz 和 500 m hz 的 天线 ,线距 (相邻两测线间的斜坡距) 的选择是测 量关键 ,线距越小 ,所能探查的信息就越详细 ,但 考虑到实际工作量及整个台体的高度和倾斜度问 题 ,结合实际 的 探测 精度 要求 , 确 定 500m hz 天线的线距为 0 . 5 m ,100m hz 天线的线距为 1 m ,因 为实验显示 900 m hz 的天线 探测 深 度相 对来 讲 太浅 ,起不到 探 测效 果 , 因此 取消 了 900m hz 的 天线 。测线长度根据高台体的实际尺寸确定 。同 时在高台体的底部地基处布设三条环绕高台体的测线 ,测线间距为 1 m 。 天线选择的合适与否关系到探测的效果 ,通常选择天线时要考虑到杂波的干扰 ,探测的深度 以及分辨率的问题 ,通常在满足分辨率且条件允 许时 ,应尽量选取频率较低的天线 。本次测量根据不同的深度要求 ,选取了 100m hz 、500 m hz 的 天线进行探测 。图 2 是观星台东侧墙 500 m hz 某测线 ,经过 rada n6 . 0 软件处理 ,去除多次反射波干扰 、带 通滤波 、二维滤波等 ( 图 3) 剖面整体分辨率有了明显的提升 ,多次波的能量得到有效的衰减 ,剖面 由浅到深 ,能量得到均衡 ,随机噪音得到压制 ,剖 面的整体信噪比得到提高 。位于顶端位置的直达 波形为表层砖 , 下层约 20 n s 处 , 实 际 深 度 约 1 m 处可见有另一层强反射 层 , 推测 为另 一层 砖 , 水平距离 7 m 处有断裂处 ,估计是内部砖层塌陷所致 。图 2 500m hz 天线探测某剖面detectio n p rofile of a sectio n 500m hz antennafig. 2图 3 处理后剖面fig. 3processed p rofile面波勘探根据 工 作 目 的 和 场 地 条 件 , 本 次 勘 探 采 用r48 型数字地震仪并以锤击震源 、单边放炮的激 发方式 ,采用 24 道接收 、道间距 1 m ,炮间距 3 m 、6次覆盖观测系统 。在高台体四周地基附近布设共7 条测线 。其中东面墙 2 条 ,西面墙 3 条 ,南面和 北面各 1 条测线 。实际采集条件良好 ,地势平坦 , 且周围干扰因素很小 ,能够保证采集数据质量 。图 5 为观 星台 东西 两 条测 线 的 面 波 地 层 影 像 ,根据这两条测线的影像图对比 ,深度在 5 m 以 内的地层 ,基本能够保证波速平稳 ,同时在深度为1015 m 处的地层 中可 以 看到 有一 处较 为 明显 的低速带 ,如图 6 。由结果来看 ,在观星台的底部基岩部分基本是夯实的填土 ,波速较为均匀 , 在地底约 10 m 处 可见有一处斜向延伸的低速层 ,其上地层稍有下 沉 ,但深度为 1020 m ,考虑到填土的实际可能深 度 ,否定了它填土下沉的可能性 。图 4 处理前后剖面对比fig. 4 profile befo re and af ter co mpariso n chart图 5 观星台东西测线面波地层影像fig. 5 surf ace wave fo r matio n image map s of ea st and west line第 3 期闪 迪 : 探地雷达与面波勘探技术在考古调查中的综合应用343古文物的保护方面能起到重要作用 。通过各种方法综合探测 ,不仅可以为古文物的探测和保护提 供帮助 ,还能为古文物的修复提供意见 。笔者结合实际野外施工作业描述了探地雷达 法和面波勘探方法的实际操作过程及资料处理过 程 ,并总结出以下结论 , 探地雷达法施工方法简 便 ,分辨率高 ,对于浅层探测具有明显优势并且对 于体积较小的异常体探测效果明显 ;结果直观 ,利于现场初步解释和检查 。面波勘探法效率高 ,具 有高分辨率 ,可以分辨薄层 ,对现场工作条件 、人 员配置等要求都不高 。但同时两者也存在着一定 的缺点 , 例如在导电率过高的地层 , 电磁波被屏 蔽 ,探地雷达法效果欠佳 ;面波勘探的探测深度目前仍沿用经验公式 。图 6 对比显示地层速度fig. 6fo r matio n speed两种方法的详查资料对比及解释本次测量采用探地雷达法 、面波勘探法分别 对河南省观星台内部结构和地基情况进行探测 。通过分析 ,观星台内部结构较为坚固 ,地底为夯土填充 ,相对硬实 。同时通过对地基挖掘探槽得到 地层信息 ,地层深度到达 5 m 左右时出现砾石 ,密 度降低 ,结合面波勘探结果可见地层浅部速度较为平均 ,到 5 m 左右处速度开始有一定的变化 ,证 实了面波探测的准确性 。因为面波采用连续测量 方式 ,因此在水平方向上分辨率较高 。通过综合 分析 ,可得出观星台地下为人工填土 ,厚度不大 , 较为密实 。本次测量选用的方法得当 ,为古遗址观星台的修复工作提供了有力的证据 。参考文献 : 1 王传雷 , 李 大 心 , 祁 明 松 , 等 . 地 质 雷 达 与 考 古 勘 察j . 江汉考古 ,1995 (3) :8693 . 2 李大心 . 探地雷达方法 与应用 m . 北京 : 地 质 出 版 社 ,1994