综合物探技术在海洋考古中的应用——以川岛水下考古为例

马　永, 李家彪, 吴自银*, 高　抒, 赵荻能,3,崔　勇, 李守军

(1.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京210046; 2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012;3.浙江大学 地球科学学院，浙江 杭州310027; 4.广东省文物考古研究所，广东 广州 510075)



综合物探技术在海洋考古中的应用
——以川岛水下考古为例

马永1,2, 李家彪2, 吴自银*2, 高抒1, 赵荻能2,3,崔勇4, 李守军2

(1.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京210046; 2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012;3.浙江大学 地球科学学院，浙江 杭州310027; 4.广东省文物考古研究所，广东 广州 510075)

摘要:水下考古已成为考古领域的重要组成部分。在中国沿海，尤其在古海上丝绸之路沿线，留存了大量前人活动的遗迹。水下考古需要使用高新探测设备，并配合合理的操作流程。本文以广东川岛水下考古为例，由多波束测深系统、浅地层剖面仪、侧扫声呐系统和磁力仪等新型高精度海洋物探设备构成水下考古系统，建立了水下考古的基本流程。川岛是古海上丝绸之路的重要泊靠点，在此次川山群岛海域考古调查中，根据多波束大规模覆盖和侧扫声呐拖曳式作业，在泥湾水道、打铁湾以及乌猪洲等处有新的发现，包括清代瓷器碎片和古代铁炮等。川岛水下考古文物的发现，对于进一步沿古海上丝绸之路的文物调查具有重要促进作用，也使水下考古得到更多关注。

关键词:水下考古；海洋物探；海上丝绸之路；川岛水域

0引言

地球物理勘探是地球物理学的一门分支学科，是研究探查地壳上层及寻找有用矿物的理论、方法和技术[1]。20世纪20年代初，英国科学家首先采用航空照片进行考古，40年代，物探技术在陆地考古得到广泛应用。水下考古起步于1960年，美国考古学家乔治-巴斯在土耳其格里多亚角海域，调查和发掘了7世纪拜占庭时期沉船遗址[2]。当前，水下考古是一门新兴的行业，在全球范围内得到广泛重视，包括遗址、古墓、地下及水下文物的勘察和遗存的年代测定等方面。由于受到人体本身限制(我国规定空气或氮氧混合气体潜水不能超过60 m，国际规定不能超过50 m),无法仅靠潜水员在辽阔海域探摸海底文物遗迹，必须要辅以地球物理勘探的技术手段来进行水下考古。2014年至今失联的MH370航班飞机残骸搜索，以及2015年6月在长江流域对“东方之星”沉船探测，也是利用现代物探技术，搜寻沉入水底的残骸，其本质是物探技术在现代“考古探测”中的应用。水下考古不同于海洋地形地貌调查，主要是在有一定史料依据的特定区域搜查。

我国历史文化悠久，陆上古迹遗址众多，有些出露于地表，有些深埋于地下。地球物理勘探技术具有“无损伤探测地下文物”的优点，通过物探技术，可以给考古工作者提供地表以下一定深度考古目标的位置分布、外形轮廓和类型特征等。目前我国物探考古工作重点主要聚焦于陆地考古，如：西安秦始皇陵墓、商丘东周时期宋国城区遗址、河北邺城探测[3-5]都基于现代物探技术对地下文物进行无损探测，但以河、湖、海为对象的水下考古，在我国发展还非常滞后。水下考古学20世纪80年代才被引入我国[6]，近年来，已进行了辽宁绥中三道岗元代沉船遗址、东海平潭碗礁一号清代沉船遗址、西沙华光礁一号宋代沉船遗址、南海一号宋代沉船遗址、南澳一号明代沉船遗址[7-11]的探测与发掘等水下遗址的调查。2015年10月，水下考古队更在黄海发现了北洋水师致远舰沉船[12]。现代水下考古逐步得到关注和重视。在“海上丝绸之路”的研究中，水下考古也得到了沿海各省份的高度重视。从已有的研究看，大多是成果展示，而对于水下考古的探测设备及过程鲜有介绍，因此本文结合水下考古物探实践，展示水下考古工作的特殊性。

本文以国家文物局水下文化遗产保护中心、广东省文物考古研究所最近实施的广东川岛镇水下考古物探工程为例，剖析了海洋物探技术应用于水下考古的潜力，并展示了本次水下考古的一些新发现实例。由于是考古文物，标明经纬度很有可能引起盗捞者的偷盗，同时也应项目方负责人要求，故文中地图均省略了地理坐标。

1海洋考古物探技术与流程概述

海洋水下考古的前提是对水下文物遗迹的发现以及地理位置的大致确定。根据考古目的、对象及其与周围介质的物性差异，可借助现代物探设备进行海底目标物的探测。当前，多波束测深系统、浅地层剖面仪、侧扫声呐和高精度磁力仪是主要的水下考古物探技术设备(图1)。

图1　海洋物探调查技术示意图(据文献13改绘)Fig.1　Sketch of marine geophysical prospecting survey techniques (according to reference[13])

多波束测深仪适合大规模扫海，是现代水下考古的必备设备，在水下考古的前期普测中，多使用多波束测深系统探测海底疑似目标物。多波束测深仪通过换能器向水下发射短脉冲声波，当声波遇到海底时发生反射，反射回波返回声呐，并被换能器接收，将声波旅行时间换算成水深即可完成海底地形的测量[14-15]。探测数据经过多波束专业后处理软件Caris处理后(图2)，可以识别海底精细的数字地形特征和一些较大地貌，包括海底出露沉积层的古沉船等文物外形。

图2　Carise 处理多波束数据流程图Fig.2　Flow chart of Caris processing multibeam data

侧扫声呐也是一种重要的水下考古设备，可以探测海底微地貌特征，适合较小体积或破损古文物的探测。侧扫声呐通过声呐线阵向左右两侧发射扇形波束，在水平面内波束较窄，一般为1°～2°，垂直平面内的波束角较宽，一般为40°～60°[16]。利用声波的反射原理，获取海底反向散射，直观地提供海底地貌灰度图像。

浅地层剖面仪是另一种重要的水下考古设备，可用于探测和发现被泥沙淹埋的海底遗迹。浅地层剖面系统发射的短声波有较强穿透力，能够有效穿透海底数十米的地层，形成海底地层结构剖面图，可用于探测海底沉积物、岩层分布的界线，包括淹没于沉积地层中的较大的古文物，如年代久远被泥沙淹没的沉船等物品。浅地层剖面仪在侵蚀冲刷为主的海域探测到海底岩层界线，无法反映掩埋的遗迹，另外剖面式测量勘探效率低下，所以在侵蚀冲刷为主的海域较少使用浅地层剖面仪。

磁力仪是现代水下考古的另一种重要设备，主要用于金属磁性古文物的探测。海洋磁力仪按工作原理分为质子旋进式、欧弗豪塞式和光泵式[17]。磁力仪基于磁力学原理，可以透过海水层、地层探测出海床或海底磁性异常(如船舶、飞机、水雷及导弹等)的信息。

现代水下考古多采取综合的物探调查技术，前期多采用多波束测深系统进行大面积扫海，并进行测扫声呐或磁力仪的拖鱼作业，如果发现海底目标物可能被淹没，则采用浅地层剖面仪进一步详查。综合上述信息，确定海底目标范围后，使用逐渐逼近的方法，之后派潜水员采用海底相机及照相设备进行海底文物确认，对于有价值的文物遗迹进行水下文物的查证。

2考古区域背景

本次水下考古区域位于珠江口西侧的川岛镇，隶属于广东省台山市。川岛镇是一座海岛镇，拥有上川岛、下川岛两个主岛及26个小岛(洲)，又称川山群岛(图3)。据历史资料记载，川岛、广海一代曾是海上丝绸之路的重要中转站和主要贸易场所。20世纪80年代在附近海域发现的“南海一号”宋代沉船，印证了当年贸易繁荣的海上丝绸之路[18]。

本次水下考古主要使用物探技术调查了泥湾水道和打铁湾两个区域，另外，在当地居民的指引下，对乌猪洲近岸海域进行了潜水员水下探查(图3中的C附近海域)。泥湾水道位于上川岛和围夹岛之间，呈NE—SW走向，两侧海岛上灌木丛生，岸边岩石裸露，受到潮汐、波浪和海流等影响，有大量岩石碎屑崩落于水道边坡。打铁湾呈NNE向的“U”型结构，最大水深约为10 m。乌猪洲位于上川岛东南，周围多从山顶崩解滚落到海中的岩石，水深小于20 m。

图3　川岛地理位置及物探地点Fig.3　Geographical position and geophysical prospecting sites in Chuan Island sea area

3川岛水下考古方法

本次水下考古使用了RESON公司的SeaBat 7125_SV2中浅水多波束系统、Klein System 3900高分辨率侧扫声呐和水下摄像机潜水查证等技术手段，由于浅地层剖面仪波段对多波束和侧扫声呐有影响，因此只在个别区域有使用，图4为主要的水下物探设备。

多波束系统不是单独的一个仪器设备，是由多波束声学系统、多波束数据采集系统、数据处理系统和外围辅助设备传感器共同组成的一套完整的测深系统(图5)[14-15,19]。SeaBat 7125_SV2是丹麦Reson公司新一代高精度中浅水多波束系统，最多可测量512个波束点，扫宽可达水深的3.5倍，测深精度达6 mm，可以探测海底微地形地貌特征，适合现代水下考古。为满足高精度海底地形地貌数据测量，还配有OCTANS姿态传感器、表面声速仪SVP-70和Hemisphere A31全球定位系统。采用PDS2000 V3.7软件进行多波束数据的导航、采集和实时显示，最后使用多波束数据处理软件Caris HIPS and SIPS 8.1进行数据的后期降噪处理，对各“U”型幅度较大的曲线进行等效声速剖面的改正。

图5　SeaBat 7125_SV2多波束测深系统组成Fig.5　Multibeam bathymetric system of SeaBat 7125_SV2

根据川岛水下考古项目的特点和相应的数据采集规范，每次必须使用水下多波束测深系统进行考古作业，使用多波束测深设备的作业方法流程如下：

(1)安装姿态罗经OCTAN传感器，进行声呐探测数据的实时校正。并以该传感器所在位置作为坐标原点，船的右舷为X轴正方向，船头方向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向。

(2)在船左舷安装多波束声呐系统的探头支架，支架保证和船体成为一个整体，船体姿态测量能够很好地反映探头的发射和接收位置。安装SeaBat 7125声呐发射接收设备，连接表层声速仪SVP-70,于支架顶部安装GPS信标机。

(3)在物探船舱安放7-P主机、显示器、GPS接收器，连接好各辅助设备，输出的数据到7-P主机控制器，通过软件PDS2000实时显示、采集、记录数据。

(4)在测区内使用Valeport mini SVP做至少一次全水深的声速剖面测量，Datalog Express数据导出，在Caris中校正水深值。

(5)多波束数据使用CARIS HIPS and SIPS软件的HIPS模块进行内业处理，导入声速剖面数据，生成格网数据，导出为海底地形图，识别并标出海底疑似沉船点。

侧扫声呐系统，工作频率双频可选，445 kHz适用于低频高分辨率远距工作，900 kHz对识别的目标物有更高的分辨率。配有横摇、纵摇、航向传感器和实时校正声呐探测目标。侧扫声呐采用船尾拖曳式作业方式，避免工作频率与船舷安装的多波束设备工作频率互相干扰。数据采集使用TVG自动模式，扫宽调至最大单侧75 m。物探过程中船速低于5 kn。当在显示器发现异常点时，双击屏幕以记录该点图像及地理坐标等信息。

此外，精确的GPS导航定位对于水下考古至关重要，不仅可以直接和物探设备连接，为设备航船进行导航，还可以单独对水下疑点进行精确的经纬度定位。此次调查中的岛屿附近水深很浅，物探船难以安全靠近岛屿，对于船舶难以到达的地点(如乌猪洲近岸)，一般由潜水员下水探摸，确认得到遗迹后再使用GPS进行地理定位。

4考古发现与成果

此次水下考古中，于泥湾水道和打铁湾两地探查到古文物碎屑，在乌猪洲近岸海域探查到水下古铁炮，其地理位置如图3所示。

4.1泥湾水道水下遗存

泥湾水道位于上川岛和围夹岛之间，长3 km，最宽处600 m，最窄处250 m。海岛上岩石裸露，低矮灌木植被发育。水道内水面平静，多波束测量的海底地貌较为清晰。该地区为基岩质海岸，泥沙质沉积物少，水道内异常突起物多为两边岛屿上的岩石受生物、物理和化学分解崩裂后滚落到海中，潮间带多崩解的岩石堆积(图6)。

泥湾水道水下遗存位于水道内靠上川岛一侧，是一处近岸水下遗存，分布在5～8 m水深，分布范围沿岸长约200 m。初步推测，在此范围打捞到的大量水下瓷器碎片为清代文物。

图6　泥湾水道内海底地形Fig.6　Submarine topography in Mud Bay waterways 图a为岩石滚落到水道边沿；图b为海水拍打岸边基岩形成大量碎屑堆积；图c为一处由岩石围起形成的水下凹地；图d为崩解后进入水道的岩石被分解a: the rocks rolled to the edge of waterways; b: large amount of clastic sediment from shore rock after seawater flap; c: underwater hollow surrounding by rocks; d: broken rocks collapsing into the watercourse

图7为在泥湾水道内使用Klein System 3900侧扫声呐进行文物探测的影像图，以及打捞的文物实物图片。图7a中斑点状明亮处为海底异常物质反射形成的；图7b中暗色线条为附近渔民拖网时在海底造成的划痕，而上部明亮区域是由于底质类型决定的。沿海区域海底碎瓦片繁多，专业潜水考古人员已识别出古代、当代和现代等不同时期的文物。经后期表面化学清理、分类整理和计算机复原，可得到古瓷器相应的原貌图。图7c和7d为潜水员水下采集的瓷器样品碎片，由于年代久远表面附着壳体类生物和钙质堆积。

图7　侧扫声纳水下影像图及文物实物Fig.7　Underwater side scan imagery and cultural relic

4.2打铁湾水下遗存

使用Caris软件HIPS模块对打铁湾内的多波束数据进行后处理并成像，建立0.2 m分辨率格网可知，打铁湾由湾外向湾内水深逐渐减小，从外到内由-8 m过渡到-5 m。海湾内海面平静风浪小，因此多波束探测的海底面较为平整，个别地方有凸起及凹陷(图8)。多波束图像反映，在打铁湾内锚地海底有较明显的海底“沙波”。如图9a所示，海底沙脊线沿NW—SE向平行排列，波高约0.2 m，波长约1 m，波脊线最长约11 m，范围约160 m×18 m。但是港湾内海流很小，理论上不可能形成如此大规模沙波群，而且沙波只是出现在图9a中两条红色夹线1、2之间，有明显的分布界线，尤其以1线为界其上方的沙波界线很清晰。在未经潮位、声速改正条件下，该地貌极有可能是测量船在转弯后和前期测线重叠造成的假波状海底地貌。图9b为沿图9a中方框内实线所作的地表剖面，从剖面图中可以明显看出该地“伪沙波”地形的起伏状况。另外，图10a所示为打铁湾内的岩石凸起，图10b为渔民船只铁锚状物体，受底流影响，锚周边被掏蚀形成了低凹陷。

打铁湾内海底也有碎瓷片发现，经专业考古潜水员的海底调查后发现，打铁湾海底不仅有古代明清瓷器碎片，也有现当代的瓷器发现，如碗和其他碎瓷片。据考古学者推测这些瓷器是经古泉州港出发的船只在此处停泊中转时候的遗留，以及现当代渔民生活用品的遗弃物。另外岛上岸边也有不同年代碎瓷器的发现，这主要是受到涨落潮以及特殊天气使海平面变化、海流冲刷和沉积的产物。

图8　打铁湾海底地形图Fig.8　Submarine topography of Datie Bay

图9　打铁湾海底“沙波”(a)及地表剖面(b)Fig.9　“Sand waves” (a) and profile (b) in seabed of Datie Bay

图10　打铁湾内局部不平整海底面Fig.10　Part uneven ocean floor of Datie Bay

4.3乌猪洲水下遗存

经陆地寻访指引，在上川岛东部6 km处的乌猪洲近岸水下发现铁炮遗存。由于海岛周围水浅，物探船无法靠近探测，因此由潜水员下水探摸，发现4门锈迹斑斑的铁炮，被大量岩石堆积碎屑掩埋。由潜水员确认好水下相对位置后，使用GPS对水下遗址点进行具体定位。广东省文物考古研究所将其命名为“乌猪洲Ⅰ号船”，遗物为4门铁炮、压在石头下的铁板以及磨圆度较好的压舱石。铁炮残长110～160 cm，最大直径35 cm，最小直径17 cm。潜水员采集了部分铁质船体铁板以供金相分析。“乌猪洲Ⅰ号船”铁炮水下影像图见图11。

图11　4尊铁炮的水下照片Fig.11　Underwater photos of four cannons

5结语

根据当代海洋高精度物探设备的技术特点，建立了包含多波束、侧扫声呐、浅地层剖面、磁力仪、摄像和潜水为一体的水下考古技术体系与作业流程。基于该技术体系，对广东岸外川岛水下遗存进行考古实践，获得了多处水下文物新发现。川山群岛水下考古的发现及确定，对古海上丝绸之路的研究有重要意义。岛周围的铁炮和大量瓷器碎片的发现，印证了上川岛被称为“贸易之岛”的事实。为后续开展更大海域调查提供了有力证据，也为“莱茵堡号”沉船的探测打捞提供了更多支持。

在将来，考古工作大范围由陆地走向水下探测，由浅水区(河流、湖泊、近海)走向深水区，其探测设备组成也悄然发生变化，并逐步摆脱由潜水员下水摸索的工作流程。深水区更需要高精度多波束测深系统，并需要ROV或载人潜水器进行水下拍照、取样；在水下使用超短基线(SBSL)定位会更准确；水下激光扫描和海底声呐对于水下考古工作也会有重要的帮助。

水下文物考古在我国尚属新兴领域。中国是文明古国，不仅陆地古墓陵园、古文明众多，在海上丝绸之路沿线，也有大量的古代文物有待进一步发现。近代时期，我国受到列强的侵略，在中国沿海发生了多次海战，战船的发掘和打捞对这段历史有很强的教育意义。另一方面，为应对日益严重的海上盗采盗挖，水下古遗迹也亟待探索发现。

致谢感谢国家文物局水下文化遗产保护中心李滨老师对本项研究的帮助，以及广州考古所崔勇老师的协助，并向此次项目的所有物探人员及潜水员表示感谢！

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收稿日期:2015-11-23修回日期:2016-05-20

基金项目:国家自然科学基金项目资助(41476049)；科技基础性工作专项项目资助(2013FY112900)；国家海洋公益性行业科研专项项目资助(201105001)；国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项项目资助(JT1403)

作者简介:马永(1990-)，男，河北定州市人，主要从事多波束地形地貌及海洋地球物理勘探方面的研究。E-mail：myforever@smail.nju.edu.cn *通讯作者：吴自银(1972-)，男，研究员，主要从事多波束海底地形地貌探测与研究。E-mail:ziyinwu@163.com

中图分类号:P631;K878

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2016)02-0043-10

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.006

The application of an integrated geophysical prospecting system to underwater archeology——An example from Chuan Island, Guangdong Province

MA Yong1,2, LI Jia-biao2, WU Zi-yin*2, GAO Shu1, ZHAO Di-neng2，3, CUI Yong4, LI Shou-jun2

(1.SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210046,China;2.SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China; 3.DepartmentofGeology,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China; 4.InstituteofArchaeology,GuangdongProvince,Guangzhou510075,China)

Abstract:Underwater archeology is a new research field in China. In China’s coastal waters, there exist a large number of sunken ships along the ancient “Maritime Silk Road”. Recently, underwater archeology has become an active research for the coastal provinces. As such, it is necessary to establish an appropriate survey procedure, using high precision marine geophysical prospecting equipments, e.g., the multibeam sounding system, shallow seismic profiler, side scan sonar, magnetometer, and even ROV systems. In the present contribution, we report the basic procedures adopted for underwater archeological survey over the Chuan Island sea area, Guangdong Province, together with a preliminary description of some new archeological findings. Chuan Island is an important mooring place associated with the ancient “Maritime Silk Road”. Using the multibeam bathymetry system and the side scan sonar, some relict pieces of ancient porcelain in Qing Dynasty, as well as some iron cannons, have been found in the coastal waters of Mud Bay, Datie Bay and Wuzhuzhou Island. The discovery of underwater cultural relic in Chuan Island can promote the activity on the cultural relic investigation along the ancient “Maritime Silk Road”, and the underwater archeology can also gained more attention.

Key words:underwater archaeology; marine geophysical prospecting; Maritime Silk Road; Chuan Island waters

马永,李家彪,吴自银，等.综合物探技术在海洋考古中的应用——以川岛水下考古为例[J].海洋学研究,2016,34(2):43-52, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.006.

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