海洋物探技术在水下考古中的应用综述

刘文杰

摘 要：海洋物探技术在水下考古中的应用，是指以声呐、磁力仪、潜水器等为代表的先进设备与技术在水下考古调查和发掘过程中的发展与综合应用。在山东威海湾定远舰遗址水下考古调查过程中，海洋物探技术得到了充分应用。在大幅度降低遗址发现与定位的难度、提高工作速度方面，物探技术发挥了不可替代的重要作用。物探调查与人工潜水调查相结合，使水下考古在效率、准确度、安全性等多个方面实现了最佳匹配，可以说是目前水下考古物探调查的最佳实施方案。充分发挥海洋物探技术的“助力”作用，对于我国水下考古事业的发展而言大有裨益，具有十分重要的现实意义。

关键词：物探技术;水下考古;定远舰遗址

19世纪末，清政府于内忧外患之际，于1888年建立了中国第一支近代意义上的海军舰队—北洋海军。这支舰队成军时，综合实力居亚洲之首。其旗舰“定远”号（图1）购自德国，是一艘采用钢铁装甲和蒸汽动力的一等铁甲舰，排水量达7430吨，在当时堪称“亚洲第一巨舰”。1894年，中日甲午战争爆发。黄海海战中，北洋舰队遭受重创。翌年，北洋舰队全军覆没于威海卫，包括旗舰“定远”在内的数艘北洋海军舰船折戟沉沙于威海湾内。这些沉舰在战后遭到日方成系统破拆，仅剩部分舰体残骸。这些舰船的遗骸已成为珍贵的历史文化遗产，采用海洋物探技术探明这些舰船的遗存情况，有针对性地开展水下考古与保护工作，具有重要的历史意义和现实意义。

1 海洋物探技术与设备简介

海洋物探技术在水下考古中的应用，本质上是部分地球物理勘探技术在现代水下考古中的应用。海洋环境的复杂性和危险性，使水下考古调查工作在很大程度上要依靠水下物探技术和相关设备才能完成。其典型技术与应用主要有三类（图2）。

1.1 磁法探测

通过测定地球磁场强度的地域变化，探测水下铁磁体，如铁壳沉船等能够引起地磁场强度变化的物体。磁力仪作为磁法探测的代表性设备，是开展水下考古调查重要设备之一，主要用于铁磁体的探测。地球磁场在某一局部区域通常处于均匀分布状态，当铁磁体物质进入该区域则会造成其磁力线的异常扰乱，且干扰量和物品质量与组合方式息息相关，其异常变化具有函数关系。根据被探测区域磁异常的变化，我们由此可以测算出铁磁体的大概质量和分布范围。这一被磁力仪捕捉到的区域磁异常点，就成为可供进一步人工潜水探摸及发掘的潜在考古价值点所在。从20世纪初至今，磁力仪经历了灵敏度和精度由低到高、从简单到复杂的发展经历。按照其工作原理，磁力仪大概可以分为机械式、质子旋进式、欧弗豪泽效应式和光泵式四种。其中，光泵式磁力仪目前应用最为广泛，其分辨率已达0.01nT的级别。

1.2 声学探测

声学探测是利用声波在水中传播的过程中遇到物体反射的特性，由声呐设备主动向水下发射声波，通过测算该声波反射回波的返回时长或强度变化，来探测水下甚至淤埋在海床下的物体。声学探测方法的代表性设备主要有侧扫声呐、多波束测深系统、浅地层剖面仪、合成孔径声呐等。

侧扫声呐，又名“旁侧声呐”或“海底地貌仪”，是一种专门用来探测海底地貌起伏变化的拖曳式扫海测量设备。与多波束测算回波“往返时间”不同的是，侧扫声呐测算的是回波的“强弱”。侧扫声呐由拖鱼（声呐拖曳阵列）经两侧向海底发射高频声波，声波在传播过程中被海底沉积物反向散射后按照由近及远的顺序形成序列回波，通过连续测算该回波强度就可以获得海底的二维地形地貌图像。被探测海区的海底材质和形态决定了回波强度，当侧扫声呐发出的声波信号遇到坚硬的、粗糙的、突起的海底则回波强，遇到柔软的、平坦的、下凹的海底则回波弱，如坚硬的岩石、木头和金属比淤泥具有更好的反射特性。通过持续勘测，侧扫声呐就可以获得反映海底地形地貌、材质等信息的二维灰度或伪彩色图像，供考古物探人员进行研判。

多波束测深系统，又名“多波束条带系统”“多波束测深声呐”，是一种可以同时获得多个（典型值有256个、512个）相邻窄波束回波的测深系统。与传统的单波束测深系统每次只能依靠单个波束获得单个测量深度值相比，多波束系统能一次计算出一个条带覆盖区域内上百个甚至更多的被测点的水深值和距离船体的水平位置，经过数据处理，可生成精细的海床覆盖和海底遗址的三维数字地形图。多波束测深系统的技术特点决定了它在水体深度测量方面拥有不可比拟的优越性。在近海进行水下考古作业中，多波束能够发挥其高精度、高分辨率的特点，能够兼顾工作效率和需求。

浅地层剖面儀是另一种利用声波探测水底浅地层剖面结构和构造的声呐设备。相较于多波束和侧扫声呐，浅地层剖面仪采用较低频率声波，以获得足够的穿透力穿透海床（河床）继续向更深层传播。由于声波在不同的沉积物层中传播速度不同，声波会以能级递减的方式穿透各层并在各层界面处反射。浅地层剖面仪可以通过测算声波发射—传回这一过程所消耗时间，用以获得海床之下各沉积物的分布和构造，从而用于探测和发现被泥沙掩埋的海底遗迹。相较于磁力仪只能探测含有大量铁磁体的水下遗址而言，浅地层剖面仪还可以被用来探测被掩埋于海床泥沙下木质遗迹。

合成孔径声呐是一种使用小孔径的声呐换能器阵，通过运动形成虚拟大孔径的方法，来获取更高的航迹向分辨率的声呐设备。相比于上述几种实孔径声呐，合成孔径声呐最突出的优势是航迹向成像理论分辨率与探测距离、探测信号的频率无关①。相较于其他声学探测设备，合成孔径声呐在我国水下考古中的应用案例相对较少。以2012年中国-阿曼“郑和沉船遗骸探查”国际合作项目二期为例，该水下考古调查项目采用了我国自行研制的、成像分辨率达5cm×3.75cm的高频合成孔径声呐设备，对阿曼海域共计12个目标海区，经14天、总航程1000余千米的探测，并对10个目标区域进行高精度扫测后，确定了6个沉船目标，取得了圆满成功。

1.3 潜水器

潜水器分为载人型（HOV）、遥控型（ROV，无人有缆）和自主式水下航行器（AUV，无人无缆）三种。潜水器在水下考古调查中的应用，在一定程度上使考古人突破了水压极限和下潜时长的限制。潜水器可以在一些超过人体生理极限的极端环境执行包括视觉搜索和摄影、采集标本等任务，替代水下考古队员完成一些危险任务。以我国自行研制的“深海勇士”号载人深潜器为例，该型潜水器在西沙群岛北礁海域开展的“2018年南海海域深海考古调查”作业中，载人深潜至水下1003米，发现与提取器物标本6件，实现了中国深海考古“零的突破”。遥控型的应用则更加广泛，从2001年抚仙湖到2017年江口沉银水下考古，都采用了遥控型潜水器。自主式水下航行器，则彻底摆脱了线缆的控制，一定程度上实现了自主航行。

在实际考古应用中，通常采取多种物探技术和设备相结合的方式进行水下扫探，获得物探数据互为补充，取长补短，以达到最佳的探測效果。对于近现代沉舰水下考古调查而言，通常会先使用磁力仪进行大面积海域扫测，根据前期扫测结果对重点目标使用多波束测深系统和侧扫声呐进行更高精度的扫测勘察。如果发现高价值考古疑点位于海床沉积物之下，则采用浅地层剖面仪结合人工潜水调查进行详细勘察。在具体考古工作中，会综合考量现场水文环境、资料收集等因素，对物探方案进行相应的调整。

2 海洋物探技术在定远舰遗址水下考古中的应用

2017年，为探明威海湾内北洋海军沉舰位置及残留情况，经国家文物局批准，受山东省文化和旅游厅委托，国家文物局水下文化遗产保护中心联合山东省水下考古研究中心、中国甲午战争博物院和威海市博物馆，调集国内各地水下考古队员来威组成联合考古队，启动了清甲午沉舰遗迹调查与研究项目，也正式开启了为期4年的威海湾水下考古调查工作。在2017年、2018年进行的水下物探调查阶段，考虑到威海湾海域平均水深仅有7米、水体能见度差、遗址主体为铁质文物等因素，考古队仅采用了磁法探测和声学探测两种方法，并利用磁力仪、侧扫声呐、多波束测深系统、浅地层剖面仪等海洋物探设备对威海湾海域进行了“拉网式”物探调查，总计完成了威海湾海域20.943平方千米的探测面积，获得了扫测区域的磁力分布图、二维声像图、水下三维地形图、浅剖数据，分辨疑点18处，并进行了详细的疑点判读和定位。

在调查前期，考古队首先应用了中船重工715所研制的GB-6A型海洋氦光泵磁探仪，对环刘公岛海域（包括威海湾）进行了全覆盖式搜索探测①，并发现多处磁异常点，为下一步声学探测和人工潜水探摸缩小了范围，奠定了基础。在后续调查中，则应用了EdgeTech 4200-MP型侧扫声呐和Reson T50-R型多波束测深系统，针对磁异常点进行了重点扫探。4200-MP拥有发射脉冲宽频带、高能量和回声数据高分辨率、高信噪比的优点，在前期“扫海”作业中发挥了其能实时连续显示海底声学图像的优势，对威海湾海域进行了大面积快速扫测。T50-R拥有高精度和快速性等优点，可以快速生成海底三维地形地貌影像，其不仅是前期物探阶段不可或缺的重要技术工具，还是后期考古发掘阶段用于不定期监测水下遗址因考古发掘产生的变化，追踪和动态评估考古发掘工作进展和效果的重要工具。在定远舰遗址点，由于泥沙覆盖等原因，侧扫声呐和多波束测深系统都未能在海床之上发现沉船遗迹。由于该遗迹点有明显的磁异常信号，考古队又采用了浅地层剖面仪以探测埋藏在淤泥下的遗迹遗物。物探结果表明：定远舰遗址点所在海域海底表面平整，临近遗址点北部有几道人工堆砌的鱼礁，海床表层浮泥堆积厚30～50厘米，浮泥之下为板结状灰褐色淤泥。定远舰遗存长约84米，南北宽18～22米，掩埋于海床淤泥下2～3米深处②。前期物探作业所取得的成果为下一步潜水探摸调查和考古发掘奠定了坚实的基础。2020年9月，一件关键证物—重达18.7吨的定远舰装甲板的出水，则完全锁定了定远舰遗址的身份。定远舰遗址的考古大发现获得了社会各界的广泛关注，影响力巨大，定远舰遗址水下考古调查也因此获评2020年山东省五大考古新发现之一。

3 结语

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③。由于人体极限和潜水员体力的限制，在辽阔海域搜寻定位水下文化遗迹必须依靠海洋物探技术和现代物探设备的“助力”。物探技术与设备在水下考古中的应用，在特定方向上大幅度降低了水下考古调查“大海捞针”的难度和危险性，也极大地提高了水下考古调查工作的速度。定远舰遗址的精准定位，有赖于海洋物探技术的综合应用。相较于人工探摸，海洋物探无疑拥有极高的调查效率，也更为经济、安全。物探调查与人工潜水调查相结合，使水下考古在效率、准确度、安全性等多个方面实现了最佳匹配，可以说是目前水下考古物探调查的最佳实施方案。充分发挥海洋物探技术的“助力”作用，对于我国水下考古事业的发展而言大有裨益，具有十分重要的现实意义。