带着机器人去水下考古

王瑞良

水下考古学是考古学的一门重要分支学科，是陆地田野考古向水域的延伸。它以人类水下文化遗产为研究对象，对淹没于江河湖海下面的古代遗迹和遗物进行调查、勘测和发掘。水下考古涉及海洋学、水声学和仿生学等诸多学科，是一个充满高新科技含量的工作。

水下考古学最早由美国人创立，目前以美、英、法等发达国家水平最高。我国的水下考古活动从20世纪80年代中期才开始起步。很多人都说我们的水下考古是被“逼”出来的。

1984年5月，英国“职业捞宝人”哈彻用了两个多月的时间，在我国海域探测到一艘沉船，并最终打捞出15万件中国瓷器。一年后这些精美的中国瓷器被摆到了荷兰的嘉士德拍卖行。拍卖前后进行了9个月，实现了2000万美元的成交金额。看着水底的国宝被外国人当作拍卖物品，我国政府痛心疾首，狠下决心，于1986年11月成立了“国家水下考古协调小组”，就组建中国水下考古研究中心进行了讨论。1987年底，中国历史博物馆水下考古研究室由此诞生。

经过20多年的创新发展，我国已形成了一支具有相当规模的水下考古队伍，取得了不少成绩和经验。比如1991年的宋元海战水下考古，1993年的绥中水下考古，2000年的“南海一号”考古。当然，最出名的一次水下考古行动还要数2001年的抚仙湖水下考古，不仅中央电视台对那次考古进行了现场直播，许多最新的技术也在那次考古活动中得到了应用。

抚仙湖

抚仙湖位于云南澄江、江川、华宁三县之间，距昆明市60千米。湖面积为212平方千米，最深处达155米，是我国最大的深水型淡水湖泊，属云南高原第三纪抬升过程中形成的断陷型湖盆地之一。在云南民间，一直流传着抚仙湖底有“水下古城”的传说，但史料中却始终没有找到任何有关的文字记载。

在那次水下考古行动中，考古学家动用了潜水机器人、声呐、放射测试等多种高科技装备和手段。经过一段时间的调查、发掘和研究，科学家认定：抚仙湖水下的确存在着一个古城遗迹，距今大约1750年（即我国东汉时期）。这座古城南北长约2000米，东西长约1200米，最深处在水下140米，最浅处约13米。

这座古城为何会在湖底？地质学家认为，可能是由于地震造成地质滑坡，抚仙湖水位升高淹没了古城，也有可能是因为地震造成地壳陷落，使它沉入水中。

CR-02

担纲那次水下考古活动主角的，是中科院沈阳自动化研究所研制的两套机器人设备——“金鱼”系列轻小型水下机器人和“CR-02”6000米自治水下机器人。它们主要负责深潜作业、水下观测和资料传输，并将第一次水下考古的经历献给了抚仙湖。之所以出动水下机器人，是因为考古学家已经探明，古建筑遗迹位于水下70米左右处，而潜水员的一般潜水深度只有水下60米。如果在水下60米作业，潜水员通常需要携带氧气瓶。如果下潜至70米，则要使用氦气，不仅费用高昂（潜水员在水下呼吸1分钟所需的费用相当于1克黄金的价值），而且会损害潜水员的身体健康。

“金鱼”系列设备重约100千克，本体部分仅重35千克，可以安放在任何类型的工作母船或汽车上，无需其他设备支持。由于体形小巧玲珑，“金鱼”能在水下或狭小的空间中作前进、后退、平移、垂直下潜和水平转弯等高难度动作，工作人员只需在陆地上操纵即可。由于配备了先进的CCD水下摄像机和合理光谱的照明灯，在水下100米，“金鱼”依然能够为科学家提供清晰的图像，且图像上叠加有文字说明的参数，如时间、深度和方位角等，非常直观。但是它没有机械手，也不具备探测功能，只能纯粹作为观察使用，所以需要另一种机器人（“CR-02”）与之配合，协同工作。

“CR-02”6000米自治水下机器人的外形酷似一枚鱼雷，身长4米，直径0.8米。它能紧贴湖底行动，全面负责远距离考察抚仙湖附近水域的地形地貌。它与“金鱼”一大一小，一远一近，配合得相得益彰，出色地完成了考古任务。

在那次水下考古中，建筑方位测定和水深测定的任务交给了中科院声学所和哈尔滨工程大学派遣的两个声呐专家组。他们采用最先进的声呐探测技术，很快使抚仙湖水下古建筑的全貌浮现在世人面前。

所谓声呐，是指利用声波在水中探测目标及其状态的一种仪器或技术。对目标的探测，在陆地上可以依靠雷达，可以探测千里以外的物体。它利用的是电磁波遇到物体后会反射回来的“回声定位”原理。但是电磁波在水中却没有用武之地，因为它的能量很快就会被水吸收，无法进行远距离传播。研究人员只得把目光转向声学方法，结果发现声波几乎不被水吸收，在水中可以传得很远。于是，声呐便成为水中探测目标、传递信息的重要工具。所以，声呐又称“声波雷达”。

按工作方式的不同，声呐可分为主动声呐和被动声呐。前者本身能发射声波，当声波遇到物体便会反射回来，经过声电转换和放大处理，便可将图像和数据显示在荧光屏上。根据声波发射的方向、往返的时间可以计算出被测物体的方位和距离。后者为被动声呐，它本身不能发射声波，只能接收其他物体在水中发出的声波。那次考古采用的是主动声呐。声呐技术除了应用于水下考古外，更多的还是应用在军事、通讯、勘探和渔业等领域。

名词解释

洛阳铲：又名探铲，是陆地考古学的主要工具之一，为一半圆柱形的铁铲。利用半圆柱形的铲可以将地下的泥土带出，并逐渐挖出一个直径约十几厘米的深井，可以探测地下土层的土质，以了解地下有无古代墓葬。

南海一号：1987年，广州救捞局与英国海洋探测公司在阳江海域寻找东印度公司沉船时，意外在一艘宋代商船中打捞出200多件瓷器。考古界认为这艘船可能与海上丝绸之路有关。这一发现引起世界瞩目，该船被命名为“南海一号”。随着“南海一号”的重见天日，中国水下考古中心推测，南海古沉船不少于2000艘。

经北京大学研究人员的放射性碳素测定，抚仙湖水下古建筑的年代，最晚距今1750年（±100年），属东汉时期。这个数据是怎么得到的呢？要了解其中的奥秘，还得从物理学中的热释光现象说起。

热释光现象早在1663年就被人们发现。那年冬天，英国的一位贵族围炉取暖，当戴有钻石戒指的手靠近炉火时，他突然发现原先呈微黄色的金刚钻，竟渐渐变成美丽的蓝色。这位贵族以为这是一枚“魔戒”，至死都不敢再佩戴。直到300多年后，人们才揭开“魔戒”之谜：原来，金刚钻受热变色，是固体物质的一种物理发光现象，科学上称为热释光。

实验发现，陶瓷、钻石、贝壳等物质，一般都含有微量天然放射性元素铀、钍和钾40，它们都能产生α、β和γ射线。当这些物质所含的石英、长石晶体等受到射线的辐射时，某些电子就会发生跃迁，最后掉进那些由不完整晶格所造成的“陷阱”中去。“陷阱”越深，电子在里面“居住”的时间就越长，有的可达百万年以上。当陶瓷、钻石、贝壳等再度受热时，“陷阱”内的电子就会从“陷阱”中逃逸出来，遇上一些特殊的杂原子与其复合，就会释放出能量（光子），从而成为热释光。人们只需测定这种热释光的剂量大小，就能推算出它积累了多少岁月，也就是存在了多少年。

正是对水下建筑里的填充物——螺丝壳进行放射测定，科学家们才大致弄清了这座水下古建筑的构成年代。

抚仙湖水下考古行动，为中国的考古工作者们提供了一次良好的实践机会，我国的水下考古水平也得到了国外专家的一致肯定。如今，我们的考古专家又把目光聚焦在了潮汕地区，据说那里有不少沉船，研究这些沉船就能更加了解古代中国的海上丝绸之路。