良渚古城墙的地面γ能谱测量含量特征分析

刘菁华 田 钢 王祝文 丁 阳 王帮兵

1（吉林大学地球探测科学与技术学院 长春 130026）

2（浙江大学地球科学系 杭州 310027）

良渚古城遗址位于浙江省杭州市余杭区瓶窑镇，在良渚遗址群西侧，东南距离杭州市区约 20 km。目前已发现良渚文化遗址点135处，分布密集，规格极高。其中，莫角山遗址规模宏大，东西长约670 m、南北宽约450 m，人工堆积厚度达10余米。其中心部位有大面积的沙泥夯筑层和建筑遗迹，是良渚古城的中心居住区[1]。

图1 由挖掘与钻探工作推测的城墙分布范围及发掘位置示意图[1]Fig.1 A sketch map showing the city wall layout of Liangzhu based on excavation of selected spots.

2006–2007年经过大规模钻探和试掘，确认了古城四周城墙是围绕莫角山和反山分布、以凤山和雉山两座自然山丘分别为西南和东北转角的大型人工营建工程(图 1a)。从总体布局看，莫角山和反山等遗址点是某个时期良渚古城内的特定功能区。根据调查和试掘的初步结果判断，良渚古城的南北长1800–1900 m、东西宽500–1700 m，其布局大致呈正南北方向，从保存较好的东南角看应为圆角长方形。城墙底部普遍铺垫石块作为基础，其上用黄色黏土堆筑而成，底部宽度40–60 m。城墙现存较好的地段高约4 m[1]，城墙表土层10–40 cm。

但挖掘范围毕竟有限，由挖掘推测的古城墙位置及走向展布具有一定局限性。科技考古是解决这一问题的有效方法，利用地球物理方法探测古遗址，能有效地进行目标体的连续测量，可探明目标体的位置、大小、空间展布(埋深、走向，延伸等)。古城墙探测使用的磁法、高密度电阻率、探地雷达法等[2–4]，主要利用文化遗迹层与原生地层的明显物性差异，尤其是电性(电阻率、磁导率等)与非文化层存在相当大的差异[3]。放射性能谱法曾试验性地用于考古调查，但放射性测量探测深度较浅，其应用也受限制[5]。但作为地球物理方法之一，放射性能谱测量在古城墙的探测中也有其优势，如不受电磁干扰、灵活方便、操作简单、速度快等，且其探测灵敏度的提高和数据处理手段的改进，使弱目标体探测成为可能。在良渚古城墙确定中尝试使用了地面γ能谱测量，以快速确定城墙位置与走向。探测结果表明，地面γ能谱测得的良渚古城墙中天然放射性元素U、Th、K含量特征，可为古城墙确定提供依据。

1 地面γ谱测量法

在图1所示测量区域的坐标位置挖掘坑周围布设测量点，间距为2 m(图1b)，以了解城墙的放射性元素含量分布特征，并由其确定城墙的宽度、走向。

地面 γ能谱仪为 H-90B(北京核地质研究院)，系四道能谱仪，分别测量40K(1.46 MeV)、U(1.76 MeV)、Th(2.62 MeV)的γ特征峰计数率，以及能量在0.5–3 MeV的总γ计数率。该仪器稳定性好，大气压86–106 kPa，环境温度为+40℃或0℃时，其计数率与常温(20±2℃)的误差不超过±15%，被测体积达饱和的情况下，放射性比活度测量误差≤±20%。用出厂标定而得换算系数和含量计算公式，计算出地面测点放射性元素含量，不确定度12%。

地面γ能谱测量受植被、浅表放射性元素富集以及放射性统计涨落误差等因素的影响，古遗迹的放射性能谱的微异常[5]，较难发现，须对数据进行处理、修正以消除干扰。我们采用了低通滤波法消除局部随机干扰，主要为熵平均法[6]，其能对局部突变点有较好的抑制作用，而对异常的抑制较少。对原始数据低通滤波后，算出放射性元素含量、成图。

发掘现场的城墙底部铺垫石块作为基础，其上堆筑较纯净的黄色黏土，底部宽度40–60 m，城墙现存较好的地段高约4 m，城墙两侧为壕沟。经过数千年的演变，城墙的黏土已被破坏，上覆褐色土、黄色土、黄褐土、近代土、耕土，壕沟中也填有不同的粘土和粉沙土，对开挖处不同的土质进行放射性能谱测量而得的铀含量、钍含量、钾含量平均值(分别为QU、QTh、QK)及总道计数率(NTc)列于表 1。

表1 城墙内外放射性元素含量(样本数: 20)Table 1 Radionuclide content of the city wall and in soils outside the wall (n=20)

由表1，城墙基石与城外土壤(壕沟)放射性元素含量有明显差别，一般大于平均值加2–3倍圴方差，只有钍含量相差较小。城墙堆筑土与城外土壤的放射性元素含量也有明显差异，由此可为确定城墙提供依据。

2 结果与讨论

2.1 东城墙

东城墙挖掘地点的钻探结果为：石头地基较高；堆积层的表土层厚约0.4 m，表土下有厚0.1–0.4 m的良渚文化层(褐色土)，包含红烧土颗粒及少量良渚文化陶片；良渚文化层下为城墙堆筑土，以黄土为主，部分区域为青灰土；底部铺垫石头地基，石块为自然砾石，石头地基呈东高西低(外高内低)；东边石头距离地表约 1.4 m，中间的石头距离地表约 2.5 m；城墙外侧表土以下为良渚文化生活堆积层，显示出逐渐往外斜向的堆积，有较多的灰烬和陶片，陶片特征同其他地段城墙壕沟堆积所出陶片。

在该挖掘地点北侧进行了γ能谱测量。根据已开挖的城墙，布设了垂直于城墙方向的测线若干(图1b)，测量土壤中放射性核素计数率及总计数率值，得到各测点的放射性元素含量，绘制成等值线图(图2)。由图2，放射性元素含量偏高地段的宽度为40 m右左，方向为北西向，这与开挖外所推测的城墙宽度和方向一致，此异常对于东城墙的反映清晰，位置准确，宽度误差小，原因是此处城墙保存较好，破坏少，城墙较高，基石厚，故城墙与两侧的护城壕沟间有明显的放射性差异。此处的γ能谱测量能提供地质基础信息，测量效果较好。

图2 东城墙放射性能谱测量含量等值线图 (a) 总计数率，(b) 铀，(c) 钍，(d) 钾Fig.2 Contour map of radionuclide contents of the east city wall. (a) total counts, (b) U, (c) Th, (d) K.

2.2 北城墙

2007–2008年在北城墙处开挖了TG1和TG2，TG2是北墙中段保存较好的地段，布设4 m×30 m的南北向探沟1条，发掘面积120 m2。地层堆积情况如图3所示，地层共分12层，第12层为外壕沟底部的淤土；第5–11层为城墙使用过程中形成的生活废弃堆积，出土陶片与西城墙内发现陶片的年代一致；第4层是城墙毁弃后水浸形成的自然沉积层；第3层是自然淤积层形成之后汉代人的活动层，留有少量汉代陶片。

图3 北城墙东壁剖面图1) 青灰色土；2) 深灰色土；3) 灰褐色块土；4) 黄褐色粉沙土; 5) 黄褐杂色土；6) 深灰褐色土；7) 黄褐色土；8) 深灰褐色土；9) 深褐色土；10) 黑褐色土；11) 深黑色细泥Fig.3 Excavation profile in the east part of the north city wall.1) greenish grey soil; 2) Oxford soil; 3) Dust-color soil blocks; 4) Drab sand soil; 5) Yellowish brown soil; 6) Dark dust-color soil;7) Drab soil; 8) Deep dust soil; 9) Chocolate soil; 10) Black brown soil; 11) Aterrimus fine mud.

在TG2的西侧布设了4条测线进行 γ能谱测量，测线方向垂直于古城墙走向，即为南北向。测量结果(图4)表明，在测线的中部、南侧各有一异常区。根据测线的布设可知，中部异常系道路造成，其宽度与道路宽度相符，南侧异常的宽度约为 60 m，方向为东西展布，这与TG2开挖所见的基石宽度相近，方向一致，可见γ能谱测量对城墙有异常反映，表现为城墙上放射性元素含量高，其中40K含量与总计数率异常反映最为明显，Th含量的异常次之，铀含量异常则较乱，可能其受地面的局部随机干扰影响较大。

2.3 西城墙

由考古挖掘可知，此段城墙的堆土被后世搬运去修筑东苕溪大堤，早已夷平为稻田，大多数地段在0.2 m厚的耕土层下即见到黄土和石头。城墙内外均有壕沟，外壕的坡上铺垫石头护坡。内、外壕沟的边缘均有良渚文化堆积。在该段布设了11条测线，横跨城墙，P1和P2剖面布设在开挖的城墙上，P80、P90、P95、P100、P105、P120在开挖的北侧，P3、P30、P60在开挖的南侧。

P1剖面(图5a)的测量在城墙的基石上进行，由放射性元素含量剖面曲线，城墙有较好的对应关系，即城墙上较城墙外土壤上放射性元素含量高，而基石的放射性元素含量与壕沟填土放射性元素含量有所差异。P2剖面(图5b)的测量在城墙的黄土层上进行，从测量剖面可见，放射性元素含量高值的宽度大于实际城墙的宽度，含量高值区右边界分界较清楚，含量高值区左边界比开挖处的基石边界要宽。

图4 北城墙放射性能谱测量含量等值线图 (a)铀 (b)钍 (c)钾 (d)总计数率Fig.4 Contour map of radionuclide contents of the north city wall. (a) U, (b) Th, (c) K, (d) total counts.

对开挖两侧的测量进行了熵平均处理，绘制了平面等值线图 6，从北侧的平面等值线图可见，城墙右侧边界与放射性元素含量相对高值边界有一定的对应关系，左侧边界对应关系不明显，放射性元素含量相对高值边界较实际边界要宽，与 P2剖面的情况相对应。原因是此处城墙后期破坏严重，城墙堆土已被搬运走，基石出露浅(0.2 m)，受后期洪水或流水作用，使基石发生了改变或被冲走，基石并非连续，有一道道的冲沟，方向北西向，这与放射性元素含量分布的展布方向一致。由图6，在P3测线处放射性元素含量高值有明显的边界，其宽度与城墙宽度相近，展布方向为北东向，但P60和P30剖面异常不明显，这是因为将开挖土堆积在表层造成了测量的均一化，元素含量差异不明显。

3 结论

在良渚已知古城墙位置进行的地面 γ能谱测量，对于古城墙探测取得一定效果：

(1) 地面 γ能谱测量对于良渚古城墙的探测具有测量前提，城墙的基石和填土与天然沟濠处填埋的土壤放射性元素含量有明显差异，古城墙表现为相对高放射性元素含量。

(2) 放射性元素相对高含量与城墙的展布有着对应关系，尤其是东城墙，放射性元素含量变化明显，边界清晰，放射性元素含量相对高值的宽度与城墙宽度吻合好。

(3) 不同位置城墙上放射性元素含量值大体相近，但由于不同的地质背景，保存条件不同，含量大小有所差异，城墙保存越完整效果越好，含量变化对城墙的识别越明显。

图5 已开挖西城墙的基石(a)和城墙(b)的放射性元素含量剖面图Fig.5 Radionuclide content profiling of the excavated west city wall. (a) the wall foundation, (b) the wall.

图6 西城墙放射性元素含量等值线图 (a) 铀 (b) 总计数率 (c) 钍 (d) 钾Fig.6 Contour map of radionuclide content of the west city wall. (a) U, (b) total counts, (c) Th, (d) K

致谢数据采集过程中得到了浙江大学地球科学系林金鑫，赵文轲，黄凯等研究生的大力协助，浙江省文物考古研究所的刘斌研究员给予了现场指导，在此表示感谢！

1 刘 斌. 考古, 2008, (7): 3–10 LIU Bin. Archaeology, 2008, (7): 3–10

2 张寅生. 物探与化探, 1999, 23(2): 138–145 ZHANG Yinsheng. Geophysical & Geochem Ical Exploration, 1999, 23(2): 138–145

3 沈鸿雁, 袁炳强, 肖忠祥, 等. 地球物理学进展, 2008,23(4): 1291–1298 SHEN Hongyan, YUAN Bingqiang, XIAO Zhongxiang,et al. Progress in Geoph Ysics, 2008, 23(4): 1291–1298

4 杨宏智, 吕小红. 华北地震科学, 2008, 26(3): 57–59 YANG Hongzhi, LÜ Xiaohong. North China Earthquake Sciences, 2008, 26(3): 57–59

5 吴其斌, 王 超. 国外地质勘探技术, 1997, 1: 1–5 WU Qibin, WANG Chao. Foreign Geology and Exploration Technology, 1997, 1: 1–5

6 吴慧山主编. 核技术勘查. 北京: 原子能出版社, 1998 WU Huishan. Exploration of nuclear technology. Beijing:Atomic Energy Publishing House, 1998