海洋物探技術在水下考古中的應用綜述

劉文杰

摘 要：海洋物探技術在水下考古中的應用，是指以聲吶、磁力儀、潛水器等為代表的先進設備與技術在水下考古調查和發掘過程中的發展與綜合應用。在山東威海灣定遠艦遺址水下考古調查過程中，海洋物探技術得到了充分應用。在大幅度降低遺址發現與定位的難度、提高工作速度方面，物探技術發揮了不可替代的重要作用。物探調查與人工潛水調查相結合，使水下考古在效率、準確度、安全性等多個方面實現了最佳匹配，可以說是目前水下考古物探調查的最佳實施方案。充分發揮海洋物探技術的“助力”作用，對于我國水下考古事業的發展而言大有裨益，具有十分重要的現實意義。

關鍵詞：物探技術;水下考古;定遠艦遺址

19世紀末，清政府于內憂外患之際，于1888年建立了中國第一支近代意義上的海軍艦隊—北洋海軍。這支艦隊成軍時，綜合實力居亞洲之首。其旗艦“定遠”號（圖1）購自德國，是一艘采用鋼鐵裝甲和蒸汽動力的一等鐵甲艦，排水量達7430噸，在當時堪稱“亞洲第一巨艦”。1894年，中日甲午戰爭爆發。黃海海戰中，北洋艦隊遭受重創。翌年，北洋艦隊全軍覆沒于威海衛，包括旗艦“定遠”在內的數艘北洋海軍艦船折戟沉沙于威海灣內。這些沉艦在戰后遭到日方成系統破拆，僅剩部分艦體殘骸。這些艦船的遺骸已成為珍貴的歷史文化遺產，采用海洋物探技術探明這些艦船的遺存情況，有針對性地開展水下考古與保護工作，具有重要的歷史意義和現實意義。

1 海洋物探技術與設備簡介

海洋物探技術在水下考古中的應用，本質上是部分地球物理勘探技術在現代水下考古中的應用。海洋環境的復雜性和危險性，使水下考古調查工作在很大程度上要依靠水下物探技術和相關設備才能完成。其典型技術與應用主要有三類（圖2）。

1.1 磁法探測

通過測定地球磁場強度的地域變化，探測水下鐵磁體，如鐵殼沉船等能夠引起地磁場強度變化的物體。磁力儀作為磁法探測的代表性設備，是開展水下考古調查重要設備之一，主要用于鐵磁體的探測。地球磁場在某一局部區域通常處于均勻分布狀態，當鐵磁體物質進入該區域則會造成其磁力線的異常擾亂，且干擾量和物品質量與組合方式息息相關，其異常變化具有函數關系。根據被探測區域磁異常的變化，我們由此可以測算出鐵磁體的大概質量和分布范圍。這一被磁力儀捕捉到的區域磁異常點，就成為可供進一步人工潛水探摸及發掘的潛在考古價值點所在。從20世紀初至今，磁力儀經歷了靈敏度和精度由低到高、從簡單到復雜的發展經歷。按照其工作原理，磁力儀大概可以分為機械式、質子旋進式、歐弗豪澤效應式和光泵式四種。其中，光泵式磁力儀目前應用最為廣泛，其分辨率已達0.01nT的級別。

1.2 聲學探測

聲學探測是利用聲波在水中傳播的過程中遇到物體反射的特性，由聲吶設備主動向水下發射聲波，通過測算該聲波反射回波的返回時長或強度變化，來探測水下甚至淤埋在海床下的物體。聲學探測方法的代表性設備主要有側掃聲吶、多波束測深系統、淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶等。

側掃聲吶，又名“旁側聲吶”或“海底地貌儀”，是一種專門用來探測海底地貌起伏變化的拖曳式掃海測量設備。與多波束測算回波“往返時間”不同的是，側掃聲吶測算的是回波的“強弱”。側掃聲吶由拖魚（聲吶拖曳陣列）經兩側向海底發射高頻聲波，聲波在傳播過程中被海底沉積物反向散射后按照由近及遠的順序形成序列回波，通過連續測算該回波強度就可以獲得海底的二維地形地貌圖像。被探測海區的海底材質和形態決定了回波強度，當側掃聲吶發出的聲波信號遇到堅硬的、粗糙的、突起的海底則回波強，遇到柔軟的、平坦的、下凹的海底則回波弱，如堅硬的巖石、木頭和金屬比淤泥具有更好的反射特性。通過持續勘測，側掃聲吶就可以獲得反映海底地形地貌、材質等信息的二維灰度或偽彩色圖像，供考古物探人員進行研判。

多波束測深系統，又名“多波束條帶系統”“多波束測深聲吶”，是一種可以同時獲得多個（典型值有256個、512個）相鄰窄波束回波的測深系統。與傳統的單波束測深系統每次只能依靠單個波束獲得單個測量深度值相比，多波束系統能一次計算出一個條帶覆蓋區域內上百個甚至更多的被測點的水深值和距離船體的水平位置，經過數據處理，可生成精細的海床覆蓋和海底遺址的三維數字地形圖。多波束測深系統的技術特點決定了它在水體深度測量方面擁有不可比擬的優越性。在近海進行水下考古作業中，多波束能夠發揮其高精度、高分辨率的特點，能夠兼顧工作效率和需求。

淺地層剖面儀是另一種利用聲波探測水底淺地層剖面結構和構造的聲吶設備。相較于多波束和側掃聲吶，淺地層剖面儀采用較低頻率聲波，以獲得足夠的穿透力穿透海床（河床）繼續向更深層傳播。由于聲波在不同的沉積物層中傳播速度不同，聲波會以能級遞減的方式穿透各層并在各層界面處反射。淺地層剖面儀可以通過測算聲波發射—傳回這一過程所消耗時間，用以獲得海床之下各沉積物的分布和構造，從而用于探測和發現被泥沙掩埋的海底遺跡。相較于磁力儀只能探測含有大量鐵磁體的水下遺址而言，淺地層剖面儀還可以被用來探測被掩埋于海床泥沙下木質遺跡。

合成孔徑聲吶是一種使用小孔徑的聲吶換能器陣，通過運動形成虛擬大孔徑的方法，來獲取更高的航跡向分辨率的聲吶設備。相比于上述幾種實孔徑聲吶，合成孔徑聲吶最突出的優勢是航跡向成像理論分辨率與探測距離、探測信號的頻率無關①。相較于其他聲學探測設備，合成孔徑聲吶在我國水下考古中的應用案例相對較少。以2012年中國-阿曼“鄭和沉船遺骸探查”國際合作項目二期為例，該水下考古調查項目采用了我國自行研制的、成像分辨率達5cm×3.75cm的高頻合成孔徑聲吶設備，對阿曼海域共計12個目標海區，經14天、總航程1000余千米的探測，并對10個目標區域進行高精度掃測后，確定了6個沉船目標，取得了圓滿成功。

1.3 潛水器

潛水器分為載人型（HOV）、遙控型（ROV，無人有纜）和自主式水下航行器（AUV，無人無纜）三種。潛水器在水下考古調查中的應用，在一定程度上使考古人突破了水壓極限和下潛時長的限制。潛水器可以在一些超過人體生理極限的極端環境執行包括視覺搜索和攝影、采集標本等任務，替代水下考古隊員完成一些危險任務。以我國自行研制的“深海勇士”號載人深潛器為例，該型潛水器在西沙群島北礁海域開展的“2018年南海海域深?？脊耪{查”作業中，載人深潛至水下1003米，發現與提取器物標本6件，實現了中國深?？脊拧傲愕耐黄啤?。遙控型的應用則更加廣泛，從2001年撫仙湖到2017年江口沉銀水下考古，都采用了遙控型潛水器。自主式水下航行器，則徹底擺脫了線纜的控制，一定程度上實現了自主航行。

在實際考古應用中，通常采取多種物探技術和設備相結合的方式進行水下掃探，獲得物探數據互為補充，取長補短，以達到最佳的探測效果。對于近現代沉艦水下考古調查而言，通常會先使用磁力儀進行大面積海域掃測，根據前期掃測結果對重點目標使用多波束測深系統和側掃聲吶進行更高精度的掃測勘察。如果發現高價值考古疑點位于海床沉積物之下，則采用淺地層剖面儀結合人工潛水調查進行詳細勘察。在具體考古工作中，會綜合考量現場水文環境、資料收集等因素，對物探方案進行相應的調整。

2 海洋物探技術在定遠艦遺址水下考古中的應用

2017年，為探明威海灣內北洋海軍沉艦位置及殘留情況，經國家文物局批準，受山東省文化和旅游廳委托，國家文物局水下文化遺產保護中心聯合山東省水下考古研究中心、中國甲午戰爭博物院和威海市博物館，調集國內各地水下考古隊員來威組成聯合考古隊，啟動了清甲午沉艦遺跡調查與研究項目，也正式開啟了為期4年的威海灣水下考古調查工作。在2017年、2018年進行的水下物探調查階段，考慮到威海灣海域平均水深僅有7米、水體能見度差、遺址主體為鐵質文物等因素，考古隊僅采用了磁法探測和聲學探測兩種方法，并利用磁力儀、側掃聲吶、多波束測深系統、淺地層剖面儀等海洋物探設備對威海灣海域進行了“拉網式”物探調查，總計完成了威海灣海域20.943平方千米的探測面積，獲得了掃測區域的磁力分布圖、二維聲像圖、水下三維地形圖、淺剖數據，分辨疑點18處，并進行了詳細的疑點判讀和定位。

在調查前期，考古隊首先應用了中船重工715所研制的GB-6A型海洋氦光泵磁探儀，對環劉公島海域（包括威海灣）進行了全覆蓋式搜索探測①，并發現多處磁異常點，為下一步聲學探測和人工潛水探摸縮小了范圍，奠定了基礎。在后續調查中，則應用了EdgeTech 4200-MP型側掃聲吶和Reson T50-R型多波束測深系統，針對磁異常點進行了重點掃探。4200-MP擁有發射脈沖寬頻帶、高能量和回聲數據高分辨率、高信噪比的優點，在前期“掃海”作業中發揮了其能實時連續顯示海底聲學圖像的優勢，對威海灣海域進行了大面積快速掃測。T50-R擁有高精度和快速性等優點，可以快速生成海底三維地形地貌影像，其不僅是前期物探階段不可或缺的重要技術工具，還是后期考古發掘階段用于不定期監測水下遺址因考古發掘產生的變化，追蹤和動態評估考古發掘工作進展和效果的重要工具。在定遠艦遺址點，由于泥沙覆蓋等原因，側掃聲吶和多波束測深系統都未能在海床之上發現沉船遺跡。由于該遺跡點有明顯的磁異常信號，考古隊又采用了淺地層剖面儀以探測埋藏在淤泥下的遺跡遺物。物探結果表明：定遠艦遺址點所在海域海底表面平整，臨近遺址點北部有幾道人工堆砌的魚礁，海床表層浮泥堆積厚30～50厘米，浮泥之下為板結狀灰褐色淤泥。定遠艦遺存長約84米，南北寬18～22米，掩埋于海床淤泥下2～3米深處②。前期物探作業所取得的成果為下一步潛水探摸調查和考古發掘奠定了堅實的基礎。2020年9月，一件關鍵證物—重達18.7噸的定遠艦裝甲板的出水，則完全鎖定了定遠艦遺址的身份。定遠艦遺址的考古大發現獲得了社會各界的廣泛關注，影響力巨大，定遠艦遺址水下考古調查也因此獲評2020年山東省五大考古新發現之一。

3 結語

海洋水下考古的前提是對水下文物遺跡的發現以及地理位置的大致確定③。由于人體極限和潛水員體力的限制，在遼闊海域搜尋定位水下文化遺跡必須依靠海洋物探技術和現代物探設備的“助力”。物探技術與設備在水下考古中的應用，在特定方向上大幅度降低了水下考古調查“大海撈針”的難度和危險性，也極大地提高了水下考古調查工作的速度。定遠艦遺址的精準定位，有賴于海洋物探技術的綜合應用。相較于人工探摸，海洋物探無疑擁有極高的調查效率，也更為經濟、安全。物探調查與人工潛水調查相結合，使水下考古在效率、準確度、安全性等多個方面實現了最佳匹配，可以說是目前水下考古物探調查的最佳實施方案。充分發揮海洋物探技術的“助力”作用，對于我國水下考古事業的發展而言大有裨益，具有十分重要的現實意義。