文化古跡微地球物理檢測方法應用概述

于仲 張平松 安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001

文化古跡微地球物理檢測方法應用概述

于仲 張平松 安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001

文物古跡的保存和修復等安全問題一直以來備受各界人士的關注。如何針對性檢測這些物質文化遺產內部缺陷和風化程度，確定最佳的修復措施是文物管理保護工作者所關心的主要問題之一。因此針對此類安全檢測問題，充分利用地球物理無損探傷技術是經濟實用的辦法，其重點是觀測系統的布置和探測精度等問題。目前通過超聲波CT技術和雷達測試技術在文物微觀測試中發揮著重要作用。筆者通過總結其探測特征及實例分析說明其可行性及適用性。同時可為我國相關微地球物理探測技術應用的開展提供參考。

文物古跡;無損檢測;觀測系統；UCT；GPR

Cultural heritage；Noninvasive investigation,；Observing system；Ultrasonic Computed Tomography；Ground Penetrating Radar

引言

長期以來，在進行土木工程勘測和設計過程中，利用地球物理探測方法對基礎設施進行無損探傷取得了較為理想的效果。無損探傷檢測技術作為土木工程中的一種檢測和分析手段日益顯示它的重要性，已正成為工程質量控制和構造物使用過程中可靠性監控的一種工具。而實現對文物古跡（例如古紀念碑、古建筑墻壁、古樹、陶器、雕像等）內部的探傷檢測已在國外一些國家進行大量的開發性研究，其涉及的方法主要由傳統地球物理探測方法衍生而來。這些非傳統的地球物理探測手段往往能夠解決被探測目標體內部變質破損結構的定位，以及為安全修復工作等問題提供參考依據[1～5]。

早在上世紀50年代，出于評估新的地球物理探測方法，國外一些研究人員就已經嘗試利用了小型物理模型。但由于傳統地球探測方法未能良好適應小型目標的探測要求，同時出于當時計算機技術發展狀況，許多涉及地球物理領域中的問題未能深入處理，而且只是建立在物理模型實驗的基礎上，并沒有進行數學建模，對于分辨率等細節問題未能很好研究。目前，計算機數字化技術發展使得人們可以運用各類儀器進行探測作業，并通過使用大型計算機軟件進行快速、精確地數據處理，使得地球物理微型化勘察成為可能。

受自然（風化、氧化、雨水侵蝕、內部材質降解以及地殼震動等）和人為因素（拍賣、運輸轉移、盜竊、仿制、戰爭破壞等）作用下，部分歷史悠久的古董（瓷器、陶器、雕像等）及古紀念碑、古建筑物結構（墻壁、梁柱、樓臺等）相應受到不同程度的損壞。對這些文物的現狀進行詳細檢測、評價相當重要，其對藝術、收藏、歷史研究帶來的價值不可估量。同時，有針對性檢測其內部缺陷和風化程度，確定最佳的修復措施成為文物管理保護工作者所關心的主要問題之一。

1 主要探測方法及其適用性

在解決土木工程安全檢測的問題中，層析成像探測技術發揮了重要的作用。超聲波層析成像技術[6～8]（UCT：Ultrasonic Computed Tomography)是在不損傷研究對象內部結構的條件下，利用震波場射線源，通過儀器設備從探測目標外部獲得數據，在特定的物理背景下依照一定數學關系，利用計算機反演探測目標內部相關物理量的分布，生成二維及三維圖像，重現探測目標內部特征。該探測方法是一種由數據到圖像的重建技術，同時探測過程中所獲得的彈性波速度值和阻尼值與被探測的物體的力學性能密切相關，可定性定量分析被測材料或制件內部質量及其缺陷。

在土木工程建筑和基礎設施的安全檢測過程中地質雷達[6～8]（GPR：Ground Penetrating Radar）的運用越來越受到業內人士的青睞。該檢測技術是一種高精度、高效率、經濟適用的無損檢測技術。其基本原理是利用高頻電磁波在目標體內部傳播中遇到不同介質界面產生反射的特性，通過天線接收相應的反射波從而來判斷物體內部異常情況。探測過程中獲得的大量雷達電磁剖面可用于解釋各類工程領域內的問題。

同時還可以利用表面直達波速度、介質電阻率等參數相輔助進行相應的探測。在進行文物古跡檢測中，探測目標體材質不只局限于巖體，金屬、玻璃、陶瓷等甚至木制工藝品都可作為探測目標。與傳統地球物理探傷應用相比，其主要特點是目標體的微型化，要求進行無損精細探測。因此需要注意以下幾點：

1.1 為適應探測目標尺寸的問題，同時確保獲得可靠的、豐富的探測數據體，還需要適當改進小型化探測傳感器[9]，并能夠良好耦合于各種接觸面（無論是在粗糙的、垂直的、倒置的平面或曲面），從而提高空間數據采集密度。因為針對此種探測要求分辨效果的好壞直接取決于采樣獲得的數據。

1.2 在利用物探技術解決此類問題時，由于探測目標體形狀難以保證其規則性，所布置的探測傳感器往往不在一個平面，因此目標體的幾何參數需要考慮在內[10]。這將對探測觀測系統的布置及后期的層析成像處理中具有一定的參考價值。

1.3 為提高對最小目標體尺寸的分辨能力，在對探測深度與分辨精度的取舍中，先要保證分辨精度；相反如果要求較高的探測深度，對于震波探測方法而言，利用低頻波段的震波時，低頻震波的繞射將會帶來更多復雜的問題[10]，即使繞射波可以利用于研究內部細微的結構。因此探測時應使用高頻段的探測傳感器。同樣由于探測深度的局限性應最大成度保證探測點完全覆蓋探測目標體，同時縮小傳感器布置間距，從而確保足夠的探測數據量。

2 探測應用舉例與分析

2.1 利用超聲波法測定材料表面薄層厚度

受時間環境的影響，多數石質雕像、古碑的表面材料在氧化、風化作用下會形成一層質地疏松的薄層，薄層厚度等相關參數對文物的保存和修復工作具有一定的參考價值。而往往在不運用侵入式探測方法條件下難以測定這些參數。針對如何測定該薄層的厚度人們進行了相關研究[11]（GTT：Global Tomographic Traveltime），此項檢測方法可謂一種將三維層析成像問題轉化為一維時間軸的問題，在假設薄層內部結構各向同性的條件下，可快速精確獲得薄層厚度及波速值。

利用超聲透射原理，文獻首先對大理石石像進行不同方向的穿透（圖1(a)），統計得出透射波波速分布，其整體波速值在3500～6000 m/s范圍內（受平均速度不超過2500 m/s表面薄層的影響）。時間域隨收發距的變化的擬合曲線如圖1(b)所示。

圖1 [11] 超聲波透射檢測及其速度擬合

然后將收發探頭安置在同一平面不同間距進行探測（圖2(a)），接收探頭獲得的初至波，其到時數學表達式為：

其中，tn為直達波的延遲時間，x為收發探頭的距離，Vdm為薄層的波速。在該情形下的薄層厚度以及常規超聲波探頭的頻率難以形成折射波（即速度最快的初至波），再加上保持收發距值盡量小，基本控制在折射波盲區范圍內。

經過多次探測后時間域隨收發距的變化的擬合曲線如圖2(b)所示（需剔除接收到折射波的數據點）。因此對整體對穿的透射波到時表達式為：

此時Vm為內部完好結構部分的波速，S為薄層的平均厚度。若使，容易得出：

該值可由同一時間域的兩條擬合曲線的交點處獲得。

圖2 [11] 超聲直達波檢測及其速度擬合

2.2 利用地質雷達法測試古建筑安全隱患

由于某些古建筑年久失修，在自然環境的影響下，其內部石質結構會發生相應的變化，同時可能導致建筑墻壁表面的附著體破損垮落[12]。這些存在的難以預測的安全隱患往往給人們的日常生活帶來不便。文獻中利用地質雷達可以快速精確地測試其內部破損狀況，達到安全性檢測的目的。實際探測中首先進行一次校準的步驟（圖3上）：沿著梁托外壁不同的位置安置鐵棒用于雷達天線接收反射波，一方面可獲得探測目標內部材質的介電常數；另一方面用于速度分析，后繼進行時距轉換。為保證探測精度，利用電磁波的頻率在1000～1600MHz范圍的地質雷達天線在梁托外側掃描。雷達所獲得的第一個反射界面是梁托外側頂端的界面，最后一個界面則是其嵌于建筑體內尾端界面，因此這兩個反射界面之間所出現的其他反射界面便反映了梁托內部不安全因素（裂隙、濕氣、巖石降解變化等），探測雷達剖面如圖3（下）所示。

與傳統的聲波探測相比，雷達通過內部材質的介電常數的差異獲得的反射界面更能直觀反應內部裂隙狀態；同時電磁波與內部介質相互作用使得波在傳播過程中其極化狀態發生改變，無疑這些改變都反映了介質和目標的信息，所以研究回波的極化狀態能反映更多的探測目標內部的問題。

圖3 [12] 建筑表面附著體內部狀況檢測及其效果

2.3 利用綜合物探法探測石板裂隙

為檢測某一存在裂隙的浮雕石板內部裂隙狀況，綜合運用超聲波和地質雷達層析成像方法可以獲得理想效果[9,13,14]。文獻試驗研究中，超聲波探測施工了65個探測點，其中40個點平均分散在石板四周側邊的層面上，另外25處分布在浮雕表面。測試時超聲波發射頻率的平均值約為55kHz，成像反演過程中將層析三維單元體設為2×2×2 cm3。通過統計采樣獲得的所有數據，超聲波在石板內部傳播速度變化范圍在1500～5000 m/s，可見石板內部的破損程度。圖4(a)反映通過層析成像反演后石板內部振幅變化分布。

地質雷達探測法并不針對檢測介質內部連續性特征，但其對于定位介質內部結構的斷裂、縫隙有較為顯著的效果。現場探測是運用頻率2GHz高頻偶極雷達天線，在沿橫軸方向上獲得7組剖面，沿縱軸方向上探測12組剖面。通過在Matlab環境下對深度切片剖面進行插值，獲得了1/2深度處迭代反演后的速度變化分布（圖4(b)）。

根據超聲波振幅大小分布及電磁波速度分布，可以綜合分析目標體裂隙發育特征。

圖4 [9] 石板內部結構成像結果圖

3 結論

對于微地球物理無損檢測目標體內部結構的探測方法，當探測目標內部結構存在裂隙問題時，地質雷達的探測效果比超聲波探測方法更易于分辨；而對于研究探測目標內部介質的連續性，超聲波層析成像法是首要選擇，且超聲波在檢測雕像一類探測接觸面起伏變化較大的目標體時，觀測系統的布置較為靈活，采樣密度更高。在探測條件允許的情況下，采用兩種方法綜合對比探測是提高分辨效果的重要方法。同時，還可以利用表面波波速、溫度、電阻率等多屬性參數進行綜合評價結構體內部特征及其變化[15,16]。

目前，國內開展該項研究的內容相對較少，因此需要得到更多的關注，其重點是對高精度微觀地球物理方法的研究與提升，為相關介質條件檢測提供有效的技術手段。

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YuZhong Zhang Pingsong
Institute of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China

Much attention has been paid in a wide range of aspects to solve the problem about cultural heritage, such as preservation, restoration, and diagnosis,etc..How to detect the internal deficiencies and inspect the external degradation of these cultural heritage specifically has become one of the main issues concerned for Conservation managers and restorers, as well as determinating the optimal renovating measure. Therefore, taking full advantage of non-invasive geophysical technology for such security matters is an economical and practical approach, which focuses on observing system layout, detection accuracy and other issues. The Current situation is that ultrasonic computed tomography and penetrating radar technology has played a significant role in micro-geophysical test. With the examples analysed,the detection characteristics has been summarized for the sake of illustrating its feasibility and Applicability. Meanwhile, the reference for the exploration of carrying out some relevant micro-testing applications will be provided.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.024

于仲（1987-），男，山東棗莊人，碩士研究生。主要研究方向：工程地球物理探測技術。