探地雷达在通州城市副中心考古勘探中的应用

李远强，魏 然，吴 彬，马志飞，李晓玮

（1.北京市地质研究所，北京100120；2.北京市文物研究所，北京 100009）

探地雷达在通州城市副中心考古勘探中的应用

李远强1，魏 然2，吴 彬1，马志飞1，李晓玮1

（1.北京市地质研究所，北京100120；2.北京市文物研究所，北京 100009）

随着城市建设快速发展，考古勘探的工作量增大，而且时间周期变短，传统的考古勘探难以适宜城市快速建设发展的需要，同时洛阳铲对文物也会造成轻微损害。本文以北京市通州城市副中心工程建设项目为例，论述了探地雷达法通过电磁波的反射波原理，提取地下地层介质的物理性质信息，经综合分析，划分出异常区和非异常区。在异常区可能存在古墓、遗址等，通过进行洛阳铲验证，确定是否为古墓、遗址等；非异常区为自然沉积地层，不存在古墓、遗址，通过洛阳铲验证，确定非异常区不存在古墓。采用这种探地雷达和洛阳铲相结合的方法，可以快速圈定面积较大的非异常区，提高勘探效率，缩短勘探时间，减少对文物的损坏。

探地雷达；通州城市副中心；洛阳铲；考古勘探

0 引言

随着北京城市建设的快速发展，大量的基础建设需要开挖地下基坑，这可能会破坏地下古墓、遗址等文物，对考古工作造成不可挽回的损失。进行传统的洛阳铲考古勘探，需要大量的人力，时间也较长，对文物也会造成损害。大面积的城市建设开发，需要短时间内快速完成勘探工作，进入文物发掘，保证工程建设按期完成。

北京市通州城市副中心工程建设时间紧、任务重，若能尽快完成考古勘探工作，会给整个工程的顺利完成提供保证。在这种环境条件下，采用高科技快速的物探方法，成为了首要选择。电子科学技术的发展，已经使物探方法技术突飞猛进，快速采样、海量数据、快速处理、三维模拟等已成为物探方法的新特点，高效率的工作方式越来越得到社会的认可。依据该工程建设的特点，物探方法的选取经过筛选和比较，采样探地雷达无损探测的方法进行探测。该方法可以提高勘探效率、节约勘探成本、降低对文物的损坏。探地雷达方法曾在金沙遗址考古中进行应用（王亮等，2008），其主要用于文物发掘过程，起到超前探测超前预报的作用，对文物的指导发掘取得了良好的效果。国外也采用该方法对罗马城进行考古勘探（Neubauer et al, 2002），对古城遗址进行了空间位置的定位，避免了发掘的盲目性。

1 方法原理及仪器设备

探地雷达（Ground Penetrating Radar,简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz----1G MHz)电磁波技术，它利用一个天线发射（T）高频率短脉冲宽频带电磁波，另—个天线接收（R）来自地下介质反射界面的反射波，根据双程走时来确定地下界面的深度（王惠濂，1993；李大心，1994）。

本次探测实验采用加拿大pulse EKKO Pro 探地雷达，配置200MHz-100MHz天线进行。该仪器系统集成化高、数字化、分辩率高、可实时数据处理和信号增强。

2 方法实验

通州城市副中心地处潮白河下游冲积扇，表层0.5～1.0m厚杂填土，之下为自然沉积的地层：第四系粘质粉土和粉质粘土，地下水位深度大于8m。实验场地分为杂填土之上和清除杂填土之后两种情况，实验采用100MHz天线和200MHz天线，点距0.1m、0.2m、0.5m。

实验结果是清理完杂填土之后的探测效果明显好于清理之前，这是由于文物探测属于弱物性差异地球物理勘探，杂填土引起的干扰异常往往比地下文物（特别是土坑墓）的异常信号强，增大了异常判识的多解性和难度。

实验100MHz天线和200MHz天线的探测有效深度分别大约为8m和4m（图1）。200MHz天线的分辨率高于100MHz天线，其浅部异常特征明显，异常体(测线11-14m、深1.5m)细部特点也非常详细；100MHz天线异常也有显示，其细部特点不明显，探测深度较深。但考虑到洛阳铲文物勘探深度为5m，故采用100MHz天线进行探测。

点距的实验结果为0.1m横向分辨率好于0.2m，0.2m横向分辨率好于0.5m，兼顾探测精度和效率，采用0.2m测点距较为适宜（图2）。0.1m点距野外探测效率较低，难以满足时间要求；0.5m点距野外探测效率较高，但其横向分辨率较低，图像略显粗糙，后期解译难度较大，易遗漏异常。

图1 不同频率实验探地雷达剖面图Fig.1 GPR prof le of different frequency

图2 不同点距实验探地雷达剖面图Fig.2 GPR prof le of different step

3 测线布置及数据采集

测线的布置是依据探测目标体的大小、形态和分布而定的，该区域墓葬主要以近南北向为主，土坑墓大小约为0.8m×2.0m不等，砖室墓规模稍大，故测线布置以东西向为主；测线间距不大于目标体的二分之一，本次工作的特点是埋藏物小，不能漏测，故确定了1m线间距，0.2m点间距的探测方案。由于施工条件限制，仪器探测分测区进行。局部干扰较多处、仪器无法探测到的地方，需要洛阳铲补充勘探。

整个A6地块场地条件较差，干扰物多，全区只能分测区进行探测，每个测区面积几百平方米至几千平方米不等，共分为35个测区进行。这增加了现场探测的难度和后期资料处理、成果解译的时间。

数据采集采用32次叠加，多道平均后存入存储卡，起到及时滤除随机干扰波的作用，减轻了后期数据处理的工作量。在地形平坦处使用小推车装置连续探测，加快探测速度，可加密点距到0.1m，探测精度提高。

4 数据处理及图像解译

探地雷达的记录数据在室内进行分析和处理，分为两个阶段：一是将记录数据处理成图象进行巡视，然后查实、确认背景值、标志层与异常，确定突出异常的相关滤波处理参数。二是用专业软件程序生成探地雷达反射波彩色图像。

图像解译是识别正常地层的反射波、干扰波、异常波形，要充分了解探测环境，包括地上环境和地下环境，地形变化、建筑物等都会引起雷达波的反射异常，地下地层的岩性、含水率等也会对反射波造成影响。所以，图像解译要参照多方面的因素进行综合分析解译。

5 探测成果

5.1 提高文物勘探效率

通过探地雷达法探测，提取地下介质的物理性质信息，经综合分析，划分出异常区和非异常区。异常区有可能存在古墓、遗址等，进行洛阳铲验证，确定是否为古墓、遗址等；非异常区为自然沉积地层，不存在古墓、遗址等，非异常区也进行洛阳铲随机验证。

A6地块完成探测面积21553㎡，圈定异常区域389个，面积4046㎡，占总探测面积的18.8%；非异常区域面积17507㎡，占全部面积的81.2%。洛阳铲勘探面积大大减少，缩短了文物勘探周期。洛阳铲勘探5m深度效率为30㎡/人·天，整个A6地块探测完毕需要100人近8天才可以完成；而采用“探地雷达+洛阳铲”，通过A6地块总结计算，效率折合为102㎡/人·天。

图3 A6地块35测区测线布置图（红线为异常区，蓝圈为古墓）Fig.3 Survey line map of A6 p lot 35 area (red line for abnorm al, blue circle for tomb)

图3为A6地块35测区探测成果图，测线覆盖区域圈定了4个异常，洛阳铲在异常区验证勘探，非异常区随机布孔勘探。“探地雷达+洛阳铲”的勘探方式大量的减少了洛阳铲勘探的数量，节约了勘探时间，提高了勘探的效率，为A6地块工程建设的周期提供了时间保障。

5.2 图像异常的识别

正常沉积地层的物性分布均匀，呈水平层状分布，在探地雷达图像上波形表现为同相轴连续，层状特征明显（图4）；墓葬、遗址等文化层，其土质非正常沉积地层，土质被扰动，其结构和性质会发生变化，致使其物理性质异于周边土质，其探地雷达图像具有同相轴错断、同相轴错动下沉、斜向相对（或单支）同相轴和雷达波波形杂乱等特征。

图4 A6地块07测区L07测线探地雷达剖面图（无扰动）Fig.4 GPR prof le of A6 p lot 07 survey area L07 line (no soil disturbance)

图5 A6地块35测区L11测线探地雷达剖面图Fig.5 GPR prof le of A6 p lot 35 survey area L11 line

35测区L11测线探地雷达图像（图5），测线0～13m位置深0～5m雷达波均一稳定，反映出地下地层水平沉积，一致性好，无扰动迹象；测线15～18m处深1.5～3m，同相轴错断，且顶部处出现圆弧形反射波，推测该处地下土质存在变化，经洛阳铲验证为土质扰动，但不是墓葬或遗址；测线23～33m处深1.8～2.8m同相轴多次近垂直错断，波形也比较杂乱，反映出地下地层被扰动，后经洛阳铲验证：该处为两处相邻砖室墓，编号M10（照片1）。

图6为06测区L10测线探地雷达剖面图局部，在测线45～54m处深0.5～1.5m，存在一浅部的水平板状异常体，其表现为同相轴的水平状向下平移错动，其下部雷达波波形呈凹形，不同于周围土质近水平的反射波，推测其下部土质被扰动。经洛阳铲勘探验证该处为古取土坑,其文物价值不大，没有进行发掘。由此可见，探地雷达对于微弱的土质扰动反映也是很明显的。

5.3 探测准确度分析

通州城市副中心A06地块物探区域内与异常区有重合的砖室墓4座，土坑墓1座。物探区域内实际发掘墓葬7座，砖室墓5座，土坑墓2座。出现漏探的1座砖室墓是由地形上存在土坑，妨碍探测，导致无法布置测线所致；漏探的1座土坑墓是由于其处电线杆及变压器附近，电磁波受到干扰所致。干扰区域可以用洛阳铲补充勘探的方法进行弥补，解决漏探的问题。

照片1 M 10砖室墓照片（镜向280°）Pic.1 M 10 brick tom b (lens direction 280°)

图6 A6地块06探测区L10测线（局部）探地雷达剖面图Fig.6 GPR prof le of A6 p lot 06 survey area L10 line (part)

所以，采用探地雷达单一方法，在干扰区域会出现遗漏现象，如果采用多种物探方法，或“探地雷达+洛阳铲”的综合勘探方法，可降低遗漏的风险。

6 结论

（1）采用“探地雷达+洛阳铲”的科技考古新方法，可以快速、经济地完成文物勘探，能够适应城市基础建设中受制约的时间特点。

（2）探测过程无损于文物，与传统文物勘探手段对比，其降低了对文物损坏的风险。

（3）地下砖室墓的探地雷达特征为同相轴的垂向错断。

（4）探测成果中丰富的地下介质物理信息，还可以指导后期的文物发掘工作。

在以后的城市建设基础施工中，这种科技考古的新方法会在文物勘探领域有广阔的应用前景。

Neubauer W, Eder-Hinterleitner A, Seren S et al, 2002. Georadar in the Roman civil town carnuntum, Austria: an approach for archaeological interpretation of GPR data[J]. Archaeological Prospection, 9(3)：135-156.

李大心，1994. 探地雷达方法及应用[M]. 北京：地质出版社.王亮，王绪本，李正文，2008. 探地雷达在金沙遗址考古探测中的应用研究[J]. 物探与化探，32(4)：401-403.

王惠濂，1993. 探地雷达概论[J]. 地球科学：中国地质大学学报，18(3)：249-256.

勘误表

《城市地质》2016年第4期目录倒数第10行，“余建强，刘翠景，刘兵川”改为“余建强，刘克文，刘翠景，刘兵川”。

Ground Penetrating Radar App lied to the Archaeology in Tongzhou Deputy Center

LI Yuanqiang1, WEI Ran2, WU Bin1, MA Zhifei1, LI Xiaowei

(1. Beijing Institute of Geology, Beijing 100120; 2. Beijing Municipal Institute of Cultural Relics, Beijing 100009)

By the rapid development of urban construction, archaeological exploration workload is being increased and exploration time is shorter and shorter. It is diff cult for the traditional archaeological exploration to adapt rapid urban construction; meanwhile Luoyang spade (a kind of digging tool) w ill cause minor damages to cultural relics. Base on the archaeological exploration in Tongzhou Deputy Center, The paper discusses the ground penetrating radar principle of electromagnetic wave, physical information of underground, analysis data and delineation anomalous and non-anomalous area. In the anomalous area, Luoyang spade exploration w ill discover the abnormal is tombs, ruins, or something else. Non-anomalous area is also proved natural sedimentary by Luoyang spade, there is no tombs, ruins. The combining methods of ground penetrating radar and Luoyang Spade can quickly delineated area larger non-abnormal area, improve the eff ciency of exploration, more shorter than traditional archaeological exploration. This method can meet the construction period, and reduce damages to cultural.

Ground Penetrating Radar, Tongzhou deputy center, Luoyang spade, Archaeology

A

1007-1903（2017）02-0091-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.018

李远强（1970- ），男，高工，主要从事地球物理勘探应用研究。E-mail：460845930@qq.com