地球物理勘探技术在考古勘探中的应用-中国考古.pdf

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1、中 原 文 物 CULTURAL RELICS OF CENTRAL CHINA 地球物理勘探技术在考古勘探中的应用 以河南省濮阳市戚城遗址为例 中国社会科学院考古研究所科技考古中心 1 戚城文物景区管理处 2 1. 北京100710 ；2. 河南濮阳457000 Abstract ：Technology of geographical investigation can locate, profile and analyze underground relics rapidly and harmlessly. Strong signals can lead to important disc

2、overies. The new technique not only reduces time and expenses, but is also considerably diagnostic. The Qicheng site, Puyang, is a very important walled settlement, which was in use duringthe Longshan period, the Spring and Autumn period and the Han dynasty. It isof great significance to both histor

3、icaland archaeological studies. Surveys conducted by technology of geographical investigation at Qicheng have verified previous understanding and contributed to new discoveries. Keywords ： technology of geographical investigation, high density electrical apparatus, ground penetrating radar, longshan

4、 walled settlement, Qicheng 摘要： 地球物理勘探技术能够快速、无损地对地下遗迹现象进行定位、定型、定量或定性分析，引导我们对 重点电磁信号异常区所反映出的疑似迹象进行人工钻探确认。这不但大大节省了考古调查的时间和经费，还 使以后的考古发掘工作更具有针对性。濮阳市戚城遗址是龙山文化、东周、汉代三城依次叠压的重要古城 址，具有很高的史学、考古学研究价值，通过地球物理勘探技术在该遗址的应用，印证、发现了一些已知和 未知的文物遗迹。 关键词： 物理勘探；高密度电法仪；探地雷达；龙山城址；戚城 河南省濮阳市戚城遗址是一处史前高等级聚 落，裴李岗文化时期即有先民居住，龙山文化中

5、 期开始筑城。龙山文化、东周时期二城叠压，汉 代修补加高，这样的考古奇观为全国所罕见。 2014 年 3月 3 日，戚城文物景区管理处邀请中国 社会科学院考古研究所科技考古中心钟建副研究 员、杨立为老师，对戚城遗址进行了地球物理勘 探工作，获得了大量遗址内部的遗迹分布及保存 现状信息。本次考古物探工作，发现、印证了古 城墙、护城河、古代道路、古代建筑基址、古墓 葬等重要遗迹，为全方位了解城址内部遗迹的布 局及保存现状提供了重要资料。这些新获取的资 料，可以对戚城遗址文物保护规划编制和对以后 的考古发掘、文物保护工作提供重要的参考依 据。 一遗址的位置及现状 戚城遗址位于河南省濮阳市市区南部（图

6、 一： 1） ，现辟为环境优美的遗址公园（图一： 2） 。戚城遗址地上遗存为近方形东周古城垣，周 长 1520 米，北城墙与东城墙保存较好，西城墙 仅存中段，南城墙湮灭。残存城墙最高处8.3 米，最厚处16.5 米，城内面积14.4 万平方米。东 92 二 一 七 年 第 二 期 （ 总 第 194 期 ） 文 物 保 护 与 科 技 城墙外 80 米处现存一座边长25 米、高 4 米的方 型土丘，系夯筑而成，与东周城墙属同一时期， 名曰会盟台。 二探测的对象及目的 本次物探调查对象，主要针对戚城遗址本 体、会盟台以及周边疑似墓葬区域。图一：2 为 戚城文物景区平面图，中间方形圆角黄绿色范围

7、即戚城遗址，也是本次勘探的主要探测区域。对 古城墙采取高密度电法进行探测；城址以内采取 探地雷达以及磁法、电磁法进行普探；城址外部 建筑遗存、会盟台及周边区域采取高密度电法进 行探测。 探测的主要目的是要搞清戚城遗址城墙结 构、城壕、道路走向、夯土基址等城市布局以及 墓葬、文化层分布等情况。 三物探设备工作原理 本次考古物探工作采用了四种地球物理勘探 的方法和设备，分别为磁法、高密度电法、多频 电磁法、探地雷达。 1. 磁法勘探原理及适用范围 磁法勘探是物探中运用最早的方法。由于它 具有成本低、效率高、操作简便、工作条件限制 少等优点，使该方法广泛用于地磁学和古地理环 境的研究。随着科技的发展

8、，磁法勘探仪器设备 不断更新，探测灵敏度和探测精度及仪器的稳定 性大大提高。近年来，磁法探测更加广泛地应用 于考古、水文、地热勘查等研究领域。在本次勘 探中，磁法勘探主要用于戚城遗址整体探测，以 及重点遗迹疑似区域的探测。 2. 高密度电法勘探原理及适用范围 高密度电法勘探是根据岩土层、地下(水下 ) 埋设物体的电学、电化学性质及电场、电磁场变 化规律，通过仪器测量记录其电性差异、强度的 大小，进而了解其存在的状况，达到探测目的。 高密度电法应用领域比较广，在考古勘探中，查 明古河道、墓穴和洞穴的分布，探测和寻找古城 墙、大型夯土建筑基址的埋藏深度及夯土厚度等 方面都具有较好的显示效果。在本次

9、勘探中，高 密度电法主要用于探测戚城遗址内的城墙结构、 夯土基址、疑似大型墓葬等埋藏较深的遗迹。 3. 多频电磁法勘探原理及适用范围 多频电磁勘探主要以寻找导电性较好的地 下金属埋藏物体为主，同时具有一定的查找浅 层地下水的功能。在旧城改造中多用于探测地下 电网、给排水管网分布走向。在探测文物迹象方 面，多频电磁法主要用于了解地下墓葬的分布 和保存情况，并可显示出墓室中金属随葬品的 电磁反映信号。在戚城遗址勘探中，我们使用 图一戚城遗址位置图 1. 戚城遗址2. 遗址公园 93 中 原 文 物 CULTURAL RELICS OF CENTRAL CHINA 多频电磁法对遗址区域内外进行了大面

10、积的普 探，主要为了初步探明戚城遗址内外的遗迹分 布情况。 4. 探地雷达勘探原理及适用范围 探地雷达作为工程物探的一项新技术，具有 连续、无损、高效和高精度等优点。通过探测地 下不同介质的介电常数、导电率的差异，分析遗 迹遗物的不同信号反映。探地雷达对探测地下空 洞、砖石质结构和较大的金属物品特别有效。探 地雷达在戚城遗址勘探中，起到了重要的作用， 探测范围覆盖了遗址的近80% ，是进行地毯式探 测的主要设备。 四戚城遗址物探工作方法 在物探手段广泛应用于田野考古之前，对古 代遗址的调查，通常采用人工钻探的方法。考古 物探则属于一种新兴的用于考古调查的科技手 段，在寻找大型古聚落遗址、古城址

11、中发挥出了 越来越大的作用。因此，对于像戚城这样比较大 的城址必须要有一套高针对性、高效率的方法， 并且按照工作的计划执行，才可以获得更准确、 更具参考性的物探成果。 戚城遗址由于面积较大，根据现有条件，制 定了以下探测计划。 1. 实地勘查，划分区域 进入戚城遗址现场，观察地形障碍物，制定 调查的初步计划与安排。 为了更好地进行后期的数据对接分析处理， 将整个城址内部分为四个部分，即西北，东北， 西南，东南四个部分。城址外部设东部会盟台主 体、会盟台周边区域、北城墙三个部分。共7 个 区块。 2. 分区探测，数据对接处理分析 物探需要有一个综合性的过程,应该遵循从粗 到精 ,由普探到精探的过

12、程。我们先进行大面积的 地毯式探测，采用了电磁法仪，以及探地雷达进 行普探，然后对上述两种仪器的探测结果进行后 期数据处理。发现异常点位，再使用高密度电 法仪以及磁力仪进行细致的二次精细勘探。根据 数据信号图形分析得出一个综合的物探结果图与 分 析 结 论 。 只 有 这 样 才 能 大 大 提 高 勘 探 的 准 确 率 ， 为 日 后 的 发 掘 保 护 工 作 提 供 可 靠 参 考 依据。 3. 做好记录，撰写报告。 在实际勘探中，必须做好区块勘探记录。以 便后期在数据处理反演的时候与实际地形地貌进 行综合分析考量，了解所寻找目标在设备上所反 映的特点。做好记录不仅有助于对异常现象进行

13、 分析，而且在重返现场寻找指认异常对应点时有 着极为重要的作用。可以说，没有物探实时记录 就等于勘探工作的失败。勘探的最后，我们应该 撰写一篇物探报告，以便为日后工作提供参考。 戚城遗址勘探工作进行了一周左右，每天在勘探 同时进行了实时记录，记录下每一区域的具体的 编号、面积、地形等。这些记录，在勘探之后的 数据处理时，起到了重要的链接作用，是判断、 验证异常点位的重要依据。 4. 钻探验证 钻探验证是很直观的检验物探结果的方法。 如果有条件，可以根据物探结果进行即时人工钻 探，缩小物探探测范围，节省时间，减少物探工 作量。本次戚城遗址勘探发现的疑似重要遗迹， 有的是已知的遗迹，有的是未知的遗

14、迹线索。因 此，有的疑似遗迹在物理勘探结束后进行了钻探 确认，以证实物探成果的可靠性。 五戚城遗址考古物探异常现象分析 （一）高密度电法仪勘探结果 1. 图二是以会盟台中心点南北方向各延长 60 米 的 高 密 度 电 法 的 勘 探 反 演 结 果 （0 点 为 北） ，在该反演结果图中主要发现了三处高阻异 常。 （图二）第一处出现在会盟台北32 米处（地 表下深处紫色区域），深度约9 米，怀疑为古墓 葬；第二处在会盟台台体偏北处（台体柱状红色 94 二 一 七 年 第 二 期 （ 总 第 194 期 ） 文 物 保 护 与 科 技 区域），深度约 6 米，应该属于会盟台原始夯土结 构，包围

15、它的是晚期夯土；第三处在会盟台南7 米处（地表下红色区域），深约 2.5 米，应为残存 原始夯土。 2. 图三是以戚城遗址北城墙西段近城门口一 点为中心，南北方向展开的高密度电法的勘探反 映结果（ 0 点为北）。在该反演结果中发现了三处 异常（图中标注处） 。其一出现在32 米至 44 米处 深度约 6米的低阻异常，疑似为古代城壕；其二 在 48 米至 65 米处，深度约10 米的高阻异常，疑 似早期的城墙夯土结构；其三在46 米至 88 米的 绿色区域内，该处属于晚期附筑的夯土城墙。 3. 图四是会盟台西侧疑似墓葬区由北向南方 向展开的高密度电法的勘探反演结果图（0 点为 南） ，在该反演结

16、果中发现了三处异常。其一在 28 米处，深约3.5 米的方形坑状结构（图左侧紫 方框），疑似为古墓葬；其二出现在56 米至 82 米 处，深度010 米的高阻异常（图中段红黄色三 角形），疑似为有斜坡墓道的大型古代墓葬，填 土中存在疑似不到底的盗洞或晚期扰坑；其三在 95 中 原 文 物 CULTURAL RELICS OF CENTRAL CHINA 9098 米处，深度约7 米的异常，疑似为古代墓 葬。 4. 图五是在会盟台北侧疑似古代墓葬（图二 的疑似墓葬点）位置由北向南方向展开的二次精 测反演结果图（图二的平行偏东位置，0 点为 北） ，在该反演结果中有一处高阻异常出现（图 中部红色区

17、域） ，宽约 46 米，深约 9米，底部有 三个圆形疑似金属物体反映。这处异常与图二中 第一处高阻异常位置、深度吻合，相互印证，为 一座中小型古代墓葬的可能性较大，且底部尺寸 大于开口尺寸。 （二）电磁法仪勘探结果 图六是戚城遗址电磁法探测结果。图中蓝色 区域为本次考古勘探的电磁法探 测区域，其余部分为广场、树 林、土岗等无法探测区域。电磁 法勘探区域覆盖了遗址的绝大部 分，是本次探测遗址内道路、房 屋基址的主要勘探方法之一。我 们将电磁法探测结果与遗址平面 图叠加起来进行分析，得出了以 下判断： 1. 蓝色电磁探图中的黑色 线条为古代道路且环绕整个城 址；通过南城门向北方向的中轴 主干道南、

18、北两端皆有明显的向 东、西交叉的道路，且一直延伸 到遗址的东、西部。主干道南端 东叉道上还有十字交叉道路的迹 象。 2. 图中遗址东部红、黄色的的异常区域疑似 为城内的夯土建筑基址遗存。 3. 总体判断戚城遗址的南部、北部、西部 道路的保存情况较好，东部的要差一些。城内 建筑遗迹主要集中在东部的中心区域，其他区 域 较 零 散 ， 功 能 区 分 和 后 期 破 坏 都 可 能 是 其 原因。 （三）探地雷达探测结果 图七、图八是本次探地雷达探测的两幅地层 剖面图。图中弯曲、褶皱、断裂、扰动、空洞都 是人为活动痕迹。图片下部均匀回波为未经扰动 的原生土。通过这些剖面图可以看出异常大部分 集中在

19、深度为14 米的位置，有的深达生土。 96 二 一 七 年 第 二 期 （ 总 第 194 期 ） 文 物 保 护 与 科 技 （图七红色标示处）这些异常可能与城址内的水 井、沟渠、灰坑、墓葬等较深遗迹有关。由于工 作时间短，该项工作没有全面系统铺开，只完成 了一些特定区域的探测，故选取有代表性的图七、 图八进行举例分析。 六戚城遗址考古物探结果分析与已知 钻探发掘结果的验证 （一）高密度电法仪勘探结果验证 1. 图二中第一处疑似古墓葬异常的分析验 证。戚城文物景区自1993 年建成以来，此异常 点在浇灌花木时会出现一个或数个拳头粗的黑 洞，长时间灌水不满，一定程度上证明了疑似古 墓葬存在的可

20、能性。由于异常点被青石道路覆盖 无法进行人工钻探确认，地下真实情况暂不明。 图五实际上是对图二中疑似墓葬的二次复探，更 加明了地显示出此处异常点的结构和底部的金属 物体回波信号。两次物理勘探异常反映和进水空 洞相互验证，基本可以确定此处是一座古墓葬。 图二中第二处异常点推测为疑似早期夯土的 异常分析验证。会盟台是东周时期的一座夯土 台，经过 2700 多年的风雨侵蚀，仅剩下600 余立 方体量的小土丘。为了保护这一濒临湮灭的珍贵 遗迹，戚城文物景区管理处于2013 年 3 月 7 月 进行了会盟台保护维修工程，夯筑了2000 余立 方夯土，基本包裹了残存的东周时期夯土台体。 所以，正如勘探结果

21、分析所言，此异常点（整修 后台体北侧）的确是会盟台原始夯土结构，包围 它的就是新筑夯土。“应该属于会盟台原始夯土 结构”的分析结论与实际情况无误。误差在于图 二分析结果所言早期夯土“深度约6 米” 。会盟台 保 护 维 修 工 程 施 工 前 ， 笔 者 曾 在 台 顶 进 行 了 钻 探 ， 9 米 深 时 五 花 夯 土 尚 不 到 底 。 探 测 是 在 新 筑 台 顶 开 始 的 ， 早 期 夯 土 深 度 应 该 在 9 米以上。 2. 图三勘探结果图中发现的疑似壕沟、早期 （龙山文化）城墙墙体（北侧）被东周时期附筑 城墙（南侧）叠压的城墙结构，与人工钻探掌握 的戚城遗址北城墙东段壕

22、沟、城墙结构基本一致 （图九），尺寸略有差异。 3. 图四显示出的三处异常。其一显示的疑似 小型墓葬，戚城文物景区建设初期曾在此发掘过 数座小型汉代墓葬。此异常应该与发掘过的墓葬 土坑有关，或与存在未发掘墓葬有关。第二处异 常显示的疑似斜坡墓道的大型墓葬。前述的会盟 台，原有东、西两台，今西台消失。1978 年发表 的戚城遗址调查文章 1 中图片显示，西台尚存， 此异常点就是湮灭的西台基址。笔者前几年对此 点做过专题调查，自今地面钻探至10 米深，五花 土尚不到底。濮阳旧志载：“孔悝 2 墓或云 在戚城，盖尝登戚城，见其东有二坟，高如小 丘，询之士人，云： 孔悝及其母卫良娣墓。 ” 3 综合史

23、料、钻探结果、物理勘探结果分析相互校 验，高度怀疑此异常点为一座甲字形中大型春秋 时期墓葬，且级别不低于卿大夫。图四显示出的 第三处疑似小型墓葬，尚未掌握具体情况。 97 中 原 文 物 CULTURAL RELICS OF CENTRAL CHINA （二）电磁法仪勘探结果验证 图六显示的电磁法仪勘探结果图可以看出， 通过戚城遗址南城门有一条南北中轴主干道，把 戚城城址分为东西两大部分，两端十字交叉道路 沿城墙内侧向东、西延伸构成城内环路。东南部 岔道上又有交叉道路，构成网状道路分布。 为了搞清戚城遗址的城市功能布局，寻找道 路是景区管理处多年考古调查的重点工作。2007 年，我们就在戚城遗

24、址南城门内发现了南北主干 道，并埋设了石质标志。道路上 下分 4 层，且正对应龙山文化城 墙南缺口。因此，我们把最下层 道路暂定为龙山文化时期主干 道。其上依次叠压着东周、汉 代、唐宋时期道路。物理勘探工 作结束后，我们又对探测到的主 干道进行了钻探验证，位置基本 一致，时代不能确定。 一条主干道把戚城分成东西 两大部分。图六中红、黄色的异 常区域疑似为城内的建筑遗存， 主要集中在东部的中心区域，而 其他区域比较零散。建筑遗迹分 布的巨大差异，可能与城市功能 区划分有关，也可能和后期破坏 有关系。 2008 年 试 掘 探 沟 TG3 显 示，戚城遗址和大部分龙山文化 城址一样，城内偏东部有硬

25、土高 台（有的夯筑、有的堆筑）。在 台上发掘了龙山文化大型灰沟和 井形大型灰坑以及商周时期墓 葬。高台表面与城址西城墙处龙 山文化地面高低落差达7米。当 时大的或高等级的建筑都应该建 在台地上，与探测到的建筑遗迹 “主要集中在东部的中心区域” 的物探结论相吻合。 “2014 年度，我们对戚城城内布局进行了进 一步的勘探。通过勘探，在城内发现东西向干道 2 条，南北向干道1 条。在城内，发现大面积的 夯土基址（图十中红色方块）。夯土基址主要集 中在城内的中部偏东。 ” 5 城址南城墙缺口（俗称南城门）“即是 2014 年度的一个发掘区通过发掘，此处发现宋代 道路 4 条、汉代道路3 条（依次叠压

26、） ，均呈近南 北向分布” 6 。 98 二 一 七 年 第 二 期 （ 总 第 194 期 ） 文 物 保 护 与 科 技 图六显示出的疑似道路、道路分叉、夯土基 址与人工钻探、考古发掘结果基本一致。 七结语 全国重点文物保护单位戚城遗址，是豫北地 区保存最好的古城址，龙山文化、东周、汉代三 个时期古城墙依次叠压。地面以下龙山文化四周 城垣保存完整。 戚城遗址的考古物探工作历时一周，完成面 积约 10 余万平方米。勘探使用了包括高精度磁光 泵磁力仪、电磁法仪、高密度电法仪和新型数字 探地雷达等设备，基本探明了古城布局、道路走 向、房基区域，城墙、壕沟的结构及宽度、深 度，发现了部分墓葬，了解

27、了墓葬的规模、结构 和埋藏深度。 由于戚城遗址经过了保护性开发利用，建成 了集文物保护、旅游观光于一体的遗址公园，使 城址内布满了各种管道、管线、桩基、标牌、石 质道路广场、灯杆等带磁体，磁探测设备受到很 大的影响和干扰，给本次的考古物探造成了很大 的困难。加之受设备所限，还不能提供直观性强 的三维立体遗迹图像。因此，本物理勘探结果出 现偏差和错误是不可避免的，尚待考古发掘来 验证。 本次物探工作，技术方面由钟建先生主持， 李中义研究员、杨立为、马学泽、聂保春、张彩 玲、牛素然、邓银霞、侯月杰等参加探测。报告 三、四、五节由杨立为撰写，余皆由马学泽撰 写，最后由钟建、李中义审定，一并致谢！ 执

28、笔：马学泽杨立为牛素然钟建 1 廖永民戚城遗址调查记 J 河南文博通讯，1978 （4） 2 孔悝，春秋时期卫国大夫，卫庄公蒯聩的外甥。 3 清光绪 开州志壬午年刻本，卷一，42页，转引旧 志：“孔悝墓或云在戚城，盖尝登戚城，见其东有二 坟，高 如 小 丘 ， 询 之 士 人 ， 云 ： 孔 悝 及 其 母 卫 良 娣 墓 ” 47 河南省文物考古研究院等河南濮阳戚城龙山时代 城址考古勘探与发掘2014 年度全国十大考古新发现 参评资料，2016 56 李一丕等濮阳戚城龙山城址的考古勘探、发掘及 其重要意义J 中国社会科学院古代文明研究中心通 讯第 27期， 2015（1） （责任编辑：王莉娜） 99