物探產(chǎn)品應(yīng)用案例-考古與物探的跨界融合：案例賞析

 

案例1: 探地雷達在基督傳奇陵墓的解封中發(fā)揮著重要作用

 

 

雅典國家技術(shù)大學(xué)（NTUA，全稱為 The National Technical University of Athens）始建于 1837 年，是希臘頂尖的學(xué)術(shù)機構(gòu)。此前，守護圣墓教堂的三大基督教團體達成了一項具有歷史意義的協(xié)議?；谠搮f(xié)議，圣墓教堂圣龕修復(fù)工程得以實施，工程內(nèi)容包括對圣龕周邊區(qū)域的地下環(huán)境進行測繪。該修復(fù)工程的科學(xué)監(jiān)督工作由雅典國家技術(shù)大學(xué)（NTUA）牽頭負(fù)責(zé)，而地下測繪與地球物理分析工作則由 Guideline Geo 公司的經(jīng)銷商 Terra-Marine 公司完成。

每年都有成千上萬的人前往耶路撒冷的圣墓教堂參觀。這里被認(rèn)為是耶穌基督安葬及復(fù)活之地。這座具有歷史意義的場所需要進行全面勘察，以探明其地面之下和墻體之后隱藏的事物?？辈炷康闹饕▋煞矫妫阂环矫媸菑臍v史研究角度出發(fā) —— 繪制可能存在的地下溝渠、空洞，以及不同歷史時期留下的地貌特征與人工建筑遺跡；另一方面是從遺產(chǎn)保護角度出發(fā)—— 找出濕氣來源（濕氣可能對建筑結(jié)構(gòu)和文物造成損害）。此次勘察要求達到 2 米的探測深度，同時需輸出高分辨率的勘察數(shù)據(jù)。

本次勘察采用地質(zhì)雷達（GPR）和高密度電法，對圣墓教堂的地下區(qū)域及墻體進行測繪。由于項目對探測深度和分辨率有明確要求，且具有極高的歷史價值，最終選定以下設(shè)備：

l 靈活便攜的 MAL? GX探地雷達，配備 160/450/750 MHz三種天線；

l ABEM Terrameter LS 電法儀，電極間距設(shè)為 0.8 米。

勘察過程中，還運用了成像與數(shù)據(jù)處理軟件，用于生成地下區(qū)域的二維和三維圖像，并開展后期數(shù)據(jù)分析工作。

此次地下測繪工作取得了多項具有考古價值的發(fā)現(xiàn)，均與人工設(shè)施相關(guān)，包括排水渠、空洞結(jié)構(gòu)，以及該教堂此前不同建造階段遺留的建筑遺跡。此外，數(shù)百年來一直被大理石飾面覆蓋的 “疑似耶穌墓”，也在神情專注的觀眾面前被開啟（注：指移除覆蓋物以進行勘察）。測繪所發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)由考古學(xué)家、工程師及地球物理學(xué)家共同開展分析，并與相關(guān)歷史事件、已有史料證據(jù)及其他考古發(fā)現(xiàn)進行關(guān)聯(lián)比對，以還原其歷史背景與意義。

 

 

案例2: MALA MIRA 3D 成像雷達陣列探地雷達系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)角斗士訓(xùn)練營

路德維希?玻爾茲曼考古勘察與虛擬考古研究所（LBI ArchPro）是一家跨學(xué)科研究機構(gòu)，核心研究方向為新型大范圍、高精度考古勘察技術(shù)與虛擬復(fù)原技術(shù)。該研究所總部位于維也納，由 8 家歐洲合作機構(gòu)組成，成員涵蓋高等院校及科研院所。

 

MAL? MIRA前置安裝于卡農(nóng)圖姆遺址的一臺拖拉機上。——（版權(quán)所有：LBI ArchPro）

彼得羅內(nèi)爾 - 卡農(nóng)圖姆（Petronell-Carnuntum）遺址的考古發(fā)掘工作早在 1870 年左右就已啟動。但由于地下埋藏遺跡規(guī)模極為龐大，且已出土文物的修復(fù)過程耗時費力，截至目前，該遺址已發(fā)掘的面積尚不足其總面積的 1%。

采用最先進的 MAL? 3D 成像雷達陣列MIRA探地雷達系統(tǒng)，成功生成了地下區(qū)域的高細節(jié)三維圖像，角斗士建筑群遺跡由此得以顯現(xiàn)。

“MAL? MIRA 3D 成像雷達陣列系統(tǒng)呈現(xiàn)的清晰度，達到了我們通常只有在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域才能見到的水平。” 路德維希?玻爾茲曼研究所所長沃爾夫?qū)?紐鮑爾（Wolfgang Neubauer）如此解釋道。

 

MAL? MIRA前置安裝于卡農(nóng)圖姆遺址的一臺全地形車UTV上。——（版權(quán)所有：LBI ArchPro）

卡農(nóng)圖姆遺址曾是一座擁有 5 萬人口的古城，位于維也納以東約 45 公里處，在約 1700 年前盛極一時。這座古城是古羅馬帝國的重要軍事與貿(mào)易前哨，連接著帝國遙遠的亞洲邊境與其中歐、北歐領(lǐng)土，是當(dāng)時帝國交通與戰(zhàn)略網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點。

通過 MAL? MIRA 探地雷達的測繪，一處角斗士學(xué)校的遺跡得以被發(fā)現(xiàn) —— 目前該遺跡仍埋藏于地下。官方表示，從建筑結(jié)構(gòu)來看，這處新發(fā)現(xiàn)的角斗士學(xué)校可與羅馬著名的 “大角斗士學(xué)校”相媲美；且他們認(rèn)為，奧地利這處遺址的細節(jié)完整性甚至超過了那處知名的羅馬遺跡。

 

案例3: 通過MAL? MIRA 3D雷達獲得的一艘維京船的驚人發(fā)現(xiàn)

 

埃多伊號船：該船只的遺跡是通過地質(zhì)雷達探測發(fā)現(xiàn)的。圖片來源：曼努埃爾?加布勒（Manuel Gabler），挪威文化遺產(chǎn)研究所

在耶勒斯塔德維京船（Gjellerstad Viking ship）重大發(fā)現(xiàn)僅一年后，挪威文化遺產(chǎn)研究所（NIKU）的考古學(xué)家又有了驚人新發(fā)現(xiàn)。通過開展大范圍考古勘察，并使用 Guideline Geo 公司先進的 MALA MIRA 成像雷達陣列技術(shù)，考古團隊在挪威埃多伊地區(qū)（Ed?y）發(fā)現(xiàn)了另一艘維京船只。與耶勒斯塔德維京船類似，這艘埃多伊維京船也位于地表正下方，埋藏在一處舊時古墳堆的遺跡中。從雷達探測數(shù)據(jù)中，能清晰看到一條長 13m的船龍骨輪廓；據(jù)初步估算，整艘船的長度約為 16～17m。

 

此次使用的雷達設(shè)備由 Guideline Geo 公司研發(fā)；而圍繞該雷達的勘察方法與技術(shù)解決方案（包括后期處理軟件），則由挪威文化遺產(chǎn)研究所（NIKU）聯(lián)合路德維希?玻爾茲曼考古勘察與虛擬考古研究所（LBI ArchPro）及其眾多國際合作伙伴共同研發(fā)完成。

 

案例4：探地雷達探測在蒙特阿古多城堡的考古工作中發(fā)揮了重要作用

 

為探測蒙特阿古多城堡（位于安達盧西亞地區(qū)）范圍內(nèi)潛在的考古遺跡，工作人員高效開展了探地雷達探測工作。此次探測發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)物，主要與該城堡歷史上的原有建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)。探測區(qū)域位于城堡主體建筑外的一處高原上。該區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)自上而下為：不同厚度的人為填充層，其下方是起伏分布的石英巖與鹽巖。高原上的探測范圍面積為 7m×50m。

 

l 探測方法：探地雷達

l 使用設(shè)備：MAL? GX 探地雷達系統(tǒng)，配備 450 MHz天線

l 測量參數(shù)：道間距為 5 cm（t指雷達相鄰測量軌跡的距離，間距越小數(shù)據(jù)分辨率越高），時間窗口為 150 ns（影響雷達探測深度，此處參數(shù)適配區(qū)域地質(zhì)條件）

l 數(shù)據(jù)處理與解譯軟件：Reflex2DQuick（常用于雷達二維數(shù)據(jù)處理）與 Object Mapper 2018（用于探測目標(biāo)物定位與繪圖）

 

 

蒙特阿古多城堡的探測區(qū)域

 

所有已完成測量的探地雷達剖面均以綠色標(biāo)注，該探測區(qū)域的面積為 7m×50m

 

研究團隊決定將探地雷達作為繪制地下潛在目標(biāo)物的主要方法，核心優(yōu)勢在于：

l 高效且無損：探地雷達能夠?qū)Υ竺娣e區(qū)域進行快速探測，同時不會對地下遺跡或遺址本體造成破壞（避免傳統(tǒng)挖掘可能帶來的文物損壞）；

l 探測精度高：探地雷達具備識別小型目標(biāo)物的能力，這一特性對于發(fā)現(xiàn)體積較小的建筑構(gòu)件、遺跡碎片等至關(guān)重要，能為后續(xù)考古研究提供更細致的地下信息。

在 7m×50m的探測區(qū)域內(nèi)，探地雷達探測采用 “剖面網(wǎng)格” 形式開展：即通過布設(shè)相互配合的探測剖面，形成覆蓋整個區(qū)域的探測網(wǎng)絡(luò)，且相鄰剖面之間的間距設(shè)定為1m，以確保探測數(shù)據(jù)能全面、均勻地覆蓋目標(biāo)區(qū)域，減少信息遺漏。

 

此次探地雷達探測的最大深度被限制在約 2.5m左右，原因是探測區(qū)域的表層填充材料導(dǎo)電性較強 —— 高導(dǎo)電性會導(dǎo)致雷達信號衰減加快，從而縮短有效探測深度。

盡管存在深度限制，在探測區(qū)域的高原范圍內(nèi)，仍識別并繪制出了大量疑似建筑遺跡的目標(biāo)物，具體分布如下：

l 大部分已識別的目標(biāo)物位于 1-2m深度處；

l 局部區(qū)域的 2-2.5m深度處，也探測到了一些異常信號（此處 “異常信號” 指與周圍土壤介質(zhì)特性不同的區(qū)域，通常暗示地下存在人工構(gòu)筑物或遺跡）。

工作人員將這些異常信號的位置標(biāo)注在地圖上后發(fā)現(xiàn)，其分布以直線形態(tài)為主；其中部分直線的走向，與城堡上層城墻沿線塔樓的位置相重合 —— 這一關(guān)聯(lián)為推斷這些異常信號可能屬于城堡同期的建筑遺跡（如墻體、通道等）提供了重要線索。

 

考古勘察使用的設(shè)備為 MAL? GX450 探地雷達系統(tǒng)

 

雷達剖面圖示例：在 0-2 米深度范圍內(nèi)可識別出若干雙曲線（雙曲線代表地下存在目標(biāo)物），但受表層填充材料導(dǎo)電性影響，探測深度受到較大限制

案例5：耶路撒冷西墻的探地雷達探測：揭秘希律王時期建筑工藝

2020 至 2021 年，Geo–Sense 公司開展勘察項目期間，成功運用地探地雷達技術(shù)，對耶路撒冷西墻部分區(qū)域的方石結(jié)構(gòu)與尺寸進行了探測研究。

公元前 1 世紀(jì)末，希律王規(guī)劃了圣殿山建筑群，該建筑群于公元 1 世紀(jì)中期建成，如今仍是以色列境內(nèi)具有紀(jì)念意義的建筑遺跡，其中大部分重要遺存保存完好，西墻便是其中之一。西墻全長近 490 m，高度達 19 m，另有約 10 m的墻體被掩埋在現(xiàn)地表之下。多年來，圣殿山及其采用巨型方石（建筑用石）的建造工藝一直備受關(guān)注。對西墻的勘察需采用無損方式，同時還要保證精度，以獲取墻體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。以往的勘察大多僅針對零星分布的方石，而本次計劃通過地質(zhì)雷達技術(shù)覆蓋更大區(qū)域，進而揭示希律王時期的建筑工藝。

 

l探測方法：探地雷達

l使用設(shè)備：MAL? GX 探地雷達系統(tǒng)，配備 450 MHz和750MHz天線

l測量參數(shù)：450MHz天線的道間距為 5 cm、時間窗口為 146 ns ；750MHz天線的道間距為2cm、時間窗口為75ns。

l反演與可視化軟件（Inversion & Visualization SW）：由委托方自主研發(fā)。

  

在以色列耶路撒冷西墻的不同區(qū)域，使用 MAL? GX450 雷達系統(tǒng)開展了測量工作。

由于分辨率對準(zhǔn)確界定方石結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，因此本次探測選用了MAL? GX雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于高動態(tài)范圍（HDR）技術(shù)，能提供出色的帶寬，進而同時實現(xiàn)高分辨率成像與良好的探測深度。

 

起初，工作人員并不清楚西墻中方石的尺寸，因此嘗試使用了750MHz和450MHz兩種天線。為獲取這些古老石材的準(zhǔn)確電磁波傳播速度，團隊首先對西墻外地面上鋪設(shè)的方石進行了測量：將得到的雷達剖面圖與方石的實際測量厚度進行匹配，由此確定了一個準(zhǔn)確的速度范圍——該速度范圍為西墻內(nèi)部隱藏方石的成像提供了關(guān)鍵參數(shù)。完成這一步驟后，工作人員才開始對西墻本體展開探測。

 

工作人員對地面上的方石進行了測量，將方石的實際厚度與雷達剖面圖進行匹配，以獲取準(zhǔn)確的速度。

結(jié)果顯示，受原料產(chǎn)地影響，所測方石的厚度差異較大，范圍從 0.7 米到 3.35 米不等。因此，在 750MHz天線探測深度不足的區(qū)域，工作人員選用 450MHz天線對墻體進行測量；同時，在部分探測線路上，還采用了兩種頻率天線結(jié)合的方式開展測量。

 

借助 MAL? GX 雷達系統(tǒng)開展的探地雷達探測，成功揭示了西墻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并獲取了墻體中方石（建筑用石）的厚度信息。此次探測結(jié)果得出以下結(jié)論：

1. 西墻并非由厚度均勻的方石砌筑而成；

2. 方石的厚度差異極大；

3. 當(dāng)需要構(gòu)建較厚的墻體結(jié)構(gòu)時，會在單塊方石旁鋪設(shè)兩層石材；

4. 方石的背面通常不像正面那樣經(jīng)過精細加工。