文化古迹微地球物理检测方法应用概述

于仲 张平松 安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001

文化古迹微地球物理检测方法应用概述

于仲 张平松 安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001

文物古迹的保存和修复等安全问题一直以来备受各界人士的关注。如何针对性检测这些物质文化遗产内部缺陷和风化程度，确定最佳的修复措施是文物管理保护工作者所关心的主要问题之一。因此针对此类安全检测问题，充分利用地球物理无损探伤技术是经济实用的办法，其重点是观测系统的布置和探测精度等问题。目前通过超声波CT技术和雷达测试技术在文物微观测试中发挥着重要作用。笔者通过总结其探测特征及实例分析说明其可行性及适用性。同时可为我国相关微地球物理探测技术应用的开展提供参考。

文物古迹;无损检测;观测系统；UCT；GPR

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

引言

长期以来，在进行土木工程勘测和设计过程中，利用地球物理探测方法对基础设施进行无损探伤取得了较为理想的效果。无损探伤检测技术作为土木工程中的一种检测和分析手段日益显示它的重要性，已正成为工程质量控制和构造物使用过程中可靠性监控的一种工具。而实现对文物古迹（例如古纪念碑、古建筑墙壁、古树、陶器、雕像等）内部的探伤检测已在国外一些国家进行大量的开发性研究，其涉及的方法主要由传统地球物理探测方法衍生而来。这些非传统的地球物理探测手段往往能够解决被探测目标体内部变质破损结构的定位，以及为安全修复工作等问题提供参考依据[1～5]。

早在上世纪50年代，出于评估新的地球物理探测方法，国外一些研究人员就已经尝试利用了小型物理模型。但由于传统地球探测方法未能良好适应小型目标的探测要求，同时出于当时计算机技术发展状况，许多涉及地球物理领域中的问题未能深入处理，而且只是建立在物理模型实验的基础上，并没有进行数学建模，对于分辨率等细节问题未能很好研究。目前，计算机数字化技术发展使得人们可以运用各类仪器进行探测作业，并通过使用大型计算机软件进行快速、精确地数据处理，使得地球物理微型化勘察成为可能。

受自然（风化、氧化、雨水侵蚀、内部材质降解以及地壳震动等）和人为因素（拍卖、运输转移、盗窃、仿制、战争破坏等）作用下，部分历史悠久的古董（瓷器、陶器、雕像等）及古纪念碑、古建筑物结构（墙壁、梁柱、楼台等）相应受到不同程度的损坏。对这些文物的现状进行详细检测、评价相当重要，其对艺术、收藏、历史研究带来的价值不可估量。同时，有针对性检测其内部缺陷和风化程度，确定最佳的修复措施成为文物管理保护工作者所关心的主要问题之一。

1 主要探测方法及其适用性

在解决土木工程安全检测的问题中，层析成像探测技术发挥了重要的作用。超声波层析成像技术[6～8]（UCT：Ultrasonic Computed Tomography)是在不损伤研究对象内部结构的条件下，利用震波场射线源，通过仪器设备从探测目标外部获得数据，在特定的物理背景下依照一定数学关系，利用计算机反演探测目标内部相关物理量的分布，生成二维及三维图像，重现探测目标内部特征。该探测方法是一种由数据到图像的重建技术，同时探测过程中所获得的弹性波速度值和阻尼值与被探测的物体的力学性能密切相关，可定性定量分析被测材料或制件内部质量及其缺陷。

在土木工程建筑和基础设施的安全检测过程中地质雷达[6～8]（GPR：Ground Penetrating Radar）的运用越来越受到业内人士的青睐。该检测技术是一种高精度、高效率、经济适用的无损检测技术。其基本原理是利用高频电磁波在目标体内部传播中遇到不同介质界面产生反射的特性，通过天线接收相应的反射波从而来判断物体内部异常情况。探测过程中获得的大量雷达电磁剖面可用于解释各类工程领域内的问题。

同时还可以利用表面直达波速度、介质电阻率等参数相辅助进行相应的探测。在进行文物古迹检测中，探测目标体材质不只局限于岩体，金属、玻璃、陶瓷等甚至木制工艺品都可作为探测目标。与传统地球物理探伤应用相比，其主要特点是目标体的微型化，要求进行无损精细探测。因此需要注意以下几点：

1.1 为适应探测目标尺寸的问题，同时确保获得可靠的、丰富的探测数据体，还需要适当改进小型化探测传感器[9]，并能够良好耦合于各种接触面（无论是在粗糙的、垂直的、倒置的平面或曲面），从而提高空间数据采集密度。因为针对此种探测要求分辨效果的好坏直接取决于采样获得的数据。

1.2 在利用物探技术解决此类问题时，由于探测目标体形状难以保证其规则性，所布置的探测传感器往往不在一个平面，因此目标体的几何参数需要考虑在内[10]。这将对探测观测系统的布置及后期的层析成像处理中具有一定的参考价值。

1.3 为提高对最小目标体尺寸的分辨能力，在对探测深度与分辨精度的取舍中，先要保证分辨精度；相反如果要求较高的探测深度，对于震波探测方法而言，利用低频波段的震波时，低频震波的绕射将会带来更多复杂的问题[10]，即使绕射波可以利用于研究内部细微的结构。因此探测时应使用高频段的探测传感器。同样由于探测深度的局限性应最大成度保证探测点完全覆盖探测目标体，同时缩小传感器布置间距，从而确保足够的探测数据量。

2 探测应用举例与分析

2.1 利用超声波法测定材料表面薄层厚度

受时间环境的影响，多数石质雕像、古碑的表面材料在氧化、风化作用下会形成一层质地疏松的薄层，薄层厚度等相关参数对文物的保存和修复工作具有一定的参考价值。而往往在不运用侵入式探测方法条件下难以测定这些参数。针对如何测定该薄层的厚度人们进行了相关研究[11]（GTT：Global Tomographic Traveltime），此项检测方法可谓一种将三维层析成像问题转化为一维时间轴的问题，在假设薄层内部结构各向同性的条件下，可快速精确获得薄层厚度及波速值。

利用超声透射原理，文献首先对大理石石像进行不同方向的穿透（图1(a)），统计得出透射波波速分布，其整体波速值在3500～6000 m/s范围内（受平均速度不超过2500 m/s表面薄层的影响）。时间域随收发距的变化的拟合曲线如图1(b)所示。

图1 [11] 超声波透射检测及其速度拟合

然后将收发探头安置在同一平面不同间距进行探测（图2(a)），接收探头获得的初至波，其到时数学表达式为：

其中，tn为直达波的延迟时间，x为收发探头的距离，Vdm为薄层的波速。在该情形下的薄层厚度以及常规超声波探头的频率难以形成折射波（即速度最快的初至波），再加上保持收发距值尽量小，基本控制在折射波盲区范围内。

经过多次探测后时间域随收发距的变化的拟合曲线如图2(b)所示（需剔除接收到折射波的数据点）。因此对整体对穿的透射波到时表达式为：

此时Vm为内部完好结构部分的波速，S为薄层的平均厚度。若使，容易得出：

该值可由同一时间域的两条拟合曲线的交点处获得。

图2 [11] 超声直达波检测及其速度拟合

2.2 利用地质雷达法测试古建筑安全隐患

由于某些古建筑年久失修，在自然环境的影响下，其内部石质结构会发生相应的变化，同时可能导致建筑墙壁表面的附着体破损垮落[12]。这些存在的难以预测的安全隐患往往给人们的日常生活带来不便。文献中利用地质雷达可以快速精确地测试其内部破损状况，达到安全性检测的目的。实际探测中首先进行一次校准的步骤（图3上）：沿着梁托外壁不同的位置安置铁棒用于雷达天线接收反射波，一方面可获得探测目标内部材质的介电常数；另一方面用于速度分析，后继进行时距转换。为保证探测精度，利用电磁波的频率在1000～1600MHz范围的地质雷达天线在梁托外侧扫描。雷达所获得的第一个反射界面是梁托外侧顶端的界面，最后一个界面则是其嵌于建筑体内尾端界面，因此这两个反射界面之间所出现的其他反射界面便反映了梁托内部不安全因素（裂隙、湿气、岩石降解变化等），探测雷达剖面如图3（下）所示。

与传统的声波探测相比，雷达通过内部材质的介电常数的差异获得的反射界面更能直观反应内部裂隙状态；同时电磁波与内部介质相互作用使得波在传播过程中其极化状态发生改变，无疑这些改变都反映了介质和目标的信息，所以研究回波的极化状态能反映更多的探测目标内部的问题。

图3 [12] 建筑表面附着体内部状况检测及其效果

2.3 利用综合物探法探测石板裂隙

为检测某一存在裂隙的浮雕石板内部裂隙状况，综合运用超声波和地质雷达层析成像方法可以获得理想效果[9,13,14]。文献试验研究中，超声波探测施工了65个探测点，其中40个点平均分散在石板四周侧边的层面上，另外25处分布在浮雕表面。测试时超声波发射频率的平均值约为55kHz，成像反演过程中将层析三维单元体设为2×2×2 cm3。通过统计采样获得的所有数据，超声波在石板内部传播速度变化范围在1500～5000 m/s，可见石板内部的破损程度。图4(a)反映通过层析成像反演后石板内部振幅变化分布。

地质雷达探测法并不针对检测介质内部连续性特征，但其对于定位介质内部结构的断裂、缝隙有较为显著的效果。现场探测是运用频率2GHz高频偶极雷达天线，在沿横轴方向上获得7组剖面，沿纵轴方向上探测12组剖面。通过在Matlab环境下对深度切片剖面进行插值，获得了1/2深度处迭代反演后的速度变化分布（图4(b)）。

根据超声波振幅大小分布及电磁波速度分布，可以综合分析目标体裂隙发育特征。

图4 [9] 石板内部结构成像结果图

3 结论

对于微地球物理无损检测目标体内部结构的探测方法，当探测目标内部结构存在裂隙问题时，地质雷达的探测效果比超声波探测方法更易于分辨；而对于研究探测目标内部介质的连续性，超声波层析成像法是首要选择，且超声波在检测雕像一类探测接触面起伏变化较大的目标体时，观测系统的布置较为灵活，采样密度更高。在探测条件允许的情况下，采用两种方法综合对比探测是提高分辨效果的重要方法。同时，还可以利用表面波波速、温度、电阻率等多属性参数进行综合评价结构体内部特征及其变化[15,16]。

目前，国内开展该项研究的内容相对较少，因此需要得到更多的关注，其重点是对高精度微观地球物理方法的研究与提升，为相关介质条件检测提供有效的技术手段。

[1]蒋宏耀,张立敏.我国考古地球物理学的发展[J]. 地球物理学报,1997,40:379～384

[2]赵永贵.中国工程地球物理研究的进展与未来[J]. 地球物理学进展,2002,17(2):305～309

[3]胡祥云,杨迪坤,刘少华.环境与工程地球物理的发展趋势[J]. 地球物理学进展,2006,21(2) :598～604

[4]钟世航.我国考古和文物保护工作中物探技术的应用[J]. 文物保护与考古科学,2004,16(3) :58～64

[5]钟世航,黄克忠.用物探技术探查乐山大佛内部状况[J]. 工程地球物理学报,2004,1(3) :226～230

[6]席道瑛,宛新林,薛彦伟, 等. 用地质雷达寻找宋代钧窑遗址[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(1):112～115

[7]李卓球,方 玺,水中和.混凝土检测中雷达和超声波成像效果比较[J].华中科技大学学报(城市科学版),2005,22(4):1～3

[8]朱洪潇.混凝土探伤中的探地雷达及超声CT的综合应用[D].湖南:中南大学地球科学与信息物理学院,2007

[9]P.L.Cosentino, P Capizzi, G Fiandaca, et al. From geophysics to microgeophysics for engineering and cultural heritage. International Journal of Geophysics, March2011

[10]P.L. Cosentino. Unconventional micro-geophysics for engineering and cultural heritage artifacts. Geophysical Solutions for Environment and Engineering, June,2006

[11]P.L. Cosentino, P Capizzi, G Fiandaca, et al. Advances in microgeophysics for engineering and cultural heritage. Journal of Earth Science, vol.20,no.3,pp.626–639,2009

[12]P.L. Cosentino, D. Miraglia, L. Romano, et al. Noninvasive controls of balcony corbels by means of GPR investigations.8th EEGS-ES Meeting, September2002

[13]Ranieri G. , Deiana R. , Piga C. Non-contact micro-geophysical measurements in the study of wall structures. Environmental Semeiotics, January2008、

[14]P.L. Cosentino, P. Capizzi, G. Fiandaca, R Martorana,et al. The risks for monumental and/ or moveable cultural patrimony: mitigation techniques.5th International Conference of Applied Geophysics for Engineering Messina, November24-29,2008

[15]L. Binda, A. Saisi, C. Tiraboschi, et al. Application of sonic and radar tests on the piers and walls of the Cathedral of Noto. Contruction and Building Materials, vol.17, no.8, pp.613-627,2003

[16]M.H. Loke. Tutorial:2D and3D electrical imaging surveys,2010

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，山东枣庄人，硕士研究生。主要研究方向：工程地球物理探测技术。