数字式小型化磁力仪在古石桥考古中的应用

2018-01-22王景然顾建松梁国庆王泽冰宗发保周波官佳

声学与电子工程 2017年4期

王景然顾建松梁国庆王泽冰宗发保周波官佳

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.国家文物局水下文化遗产保护中心，北京，100029）(3.山东省水下考古研究中心，济南，250014）

东平湖位于泰安市东平县，西纳大汶河，北通黄河，沟通京杭大运河，是山东省西部最大的淡水湖，也是黄河下游一处重要的滞洪水库。据史料记载，这里原来是建于商周时期的须昌城，在城西1.5 km，有隋朝年间使用石材建造的清水石桥。宋代时，黄河决堤淹没了须昌城及清水石桥。探摸清水石桥，可以为遗迹保存现状、研究历史提供重要依据。

磁法考古有无损、快捷、高效的优越性，该工作的实施不受天气等影响，不需要对未知目标区域开挖，故不会对考古目标造成破坏[1]。为此，我们使用数字式小型化磁力仪，对东平湖开展磁法探测，目的是通过高精度磁探测技术，推断清水石桥的可疑位置，为进一步摸清遗迹保护文物提供参考。

1 磁法探测古石桥的原理

1.1 古石桥的磁性分析

古代建造的石桥，一般是利用石块堆砌出来，石块的成分为火成岩等，这些岩石均有一定的磁性。一般情况下，火成岩中基性岩磁化率为(100～103)×10-6SI；酸性岩为(100～102) ×10-6SI；变质岩为(10-1～102) ×10-6SI。而周围的古路等则是极弱或无磁性的砂石泥土。古桥与周围有明显的磁性差异，属于局部的不均匀体。

磁法探测是物探技术的一种，其主要原理是利用不同物质产生的磁场强度不同来探测寻物体，通常使用的仪器是磁力仪。由于古桥的磁性远远大于磁力仪的灵敏度，所以使用磁力仪可以较容易地区分岩石堆砌的古桥[2-4]。

1.2 古石桥磁异常模型

古石桥一般为长条状形态，且有一定的宽度和厚度，因此，可用多个直立的台阶磁异常叠加来描述其磁异常分布情况，单个直立的台阶模型磁异常公式为：

式中，h为台阶顶部埋深，H为台阶底部埋深；Ms为有效磁化强度；is为有效磁化倾角；I0、A'分别地磁场倾角、地磁场偏角。

取h=1 m，H=1.5 m，Ms=4 A·m2，is=90°，宽度为8 m，计算的垂直于台阶走向的不同测线的磁异常如图1所示。其中，y方向为走向方向，x方向为测线方向。可以看出，不同测线的磁异常形态完全相同，该特征可以作为古石桥磁测数据分析的一个依据。

图1 垂直于台阶走向的不同测线磁异常

1.3 赵州桥磁性特征参考

史料记载，清水石桥比赵州桥早五年，推断它们所使用的材料应该相似，磁性特点有可比性。使用旋翼机载磁力仪在10 m高度探测赵州桥，垂直于赵州桥走向探测的不同测线磁异常见图 2，不同测线的磁异常形态基本都相同，这与理论相符，证明了古石桥磁异常模型的正确性。赵州桥的典型磁异常剖面如图3所示，磁异常峰峰值约275 nT，这可以作为古桥磁异常分析的参考依据。

图2 10 m高度垂直于赵州桥走向探测的不同测线磁异常

图3 10 m高度探测的赵州桥典型磁异常剖面

2 数字式小型化磁力仪

数字式小型化磁力仪是中船重工第七一五研究所自主研发的氦光泵磁力仪。小型化探头如图 4所示，探头直径50 mm，长度160 mm，重量约0.5 kg，它的优点是体积小、重量轻，安装与使用更方便。处理电路采用数字化方案，量程更大，为 10 000～100 000 nT，静态噪声为0.002 3～0.002 7 nT，性能更稳定。将磁力仪与GPS导航定位系统等集成为综合测量系统，借助相配套的数据采集软件，实时完成高精度磁测。水下普测使用拖曳作业方式。靠近湖边浅水区弯度大，此时拖曳不利于作业，使用水上自行车加装数字式小型化磁力仪，如图5所示。

图4 小型化探头

图5 加装在水上自行车上的数字式小型化磁力仪

3 清水石桥磁法探测结果分析

使用数字式小型化磁力仪，完成了东平湖磁测作业，探测面积达17.3 km2，测线总长572.7 km，有些疑点还多次加密补测。磁法探测数据中，共提取196个磁异常点，对这些点进行归类、分析，发现异常位置 52处。根据古石桥磁异常模型，推断了1处清水石桥疑似位置，其典型磁异常平面剖面图如图6，磁异常峰峰值约98.84 nT。从图7的平面剖面图可以看出，周围6条测线均有磁异常，异常幅值相当，图中蓝线为各异常点的连线，它们均在一条直线上，这些都符合长条状物体的磁性特征。