帶著機(jī)器人去水下考古

王瑞良

水下考古學(xué)是考古學(xué)的一門重要分支學(xué)科，是陸地田野考古向水域的延伸。它以人類水下文化遺產(chǎn)為研究對(duì)象，對(duì)淹沒于江河湖海下面的古代遺跡和遺物進(jìn)行調(diào)查、勘測(cè)和發(fā)掘。水下考古涉及海洋學(xué)、水聲學(xué)和仿生學(xué)等諸多學(xué)科，是一個(gè)充滿高新科技含量的工作。

水下考古學(xué)最早由美國(guó)人創(chuàng)立，目前以美、英、法等發(fā)達(dá)國(guó)家水平最高。我國(guó)的水下考古活動(dòng)從20世紀(jì)80年代中期才開始起步。很多人都說我們的水下考古是被“逼”出來的。

1984年5月，英國(guó)“職業(yè)撈寶人”哈徹用了兩個(gè)多月的時(shí)間，在我國(guó)海域探測(cè)到一艘沉船，并最終打撈出15萬件中國(guó)瓷器。一年后這些精美的中國(guó)瓷器被擺到了荷蘭的嘉士德拍賣行。拍賣前后進(jìn)行了9個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了2000萬美元的成交金額?？粗椎膰?guó)寶被外國(guó)人當(dāng)作拍賣物品，我國(guó)政府痛心疾首，狠下決心，于1986年11月成立了“國(guó)家水下考古協(xié)調(diào)小組”，就組建中國(guó)水下考古研究中心進(jìn)行了討論。1987年底，中國(guó)歷史博物館水下考古研究室由此誕生。

經(jīng)過20多年的創(chuàng)新發(fā)展，我國(guó)已形成了一支具有相當(dāng)規(guī)模的水下考古隊(duì)伍，取得了不少成績(jī)和經(jīng)驗(yàn)。比如1991年的宋元海戰(zhàn)水下考古，1993年的綏中水下考古，2000年的“南海一號(hào)”考古。當(dāng)然，最出名的一次水下考古行動(dòng)還要數(shù)2001年的撫仙湖水下考古，不僅中央電視臺(tái)對(duì)那次考古進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)直播，許多最新的技術(shù)也在那次考古活動(dòng)中得到了應(yīng)用。

撫仙湖

撫仙湖位于云南澄江、江川、華寧三縣之間，距昆明市60千米。湖面積為212平方千米，最深處達(dá)155米，是我國(guó)最大的深水型淡水湖泊，屬云南高原第三紀(jì)抬升過程中形成的斷陷型湖盆地之一。在云南民間，一直流傳著撫仙湖底有“水下古城”的傳說，但史料中卻始終沒有找到任何有關(guān)的文字記載。

在那次水下考古行動(dòng)中，考古學(xué)家動(dòng)用了潛水機(jī)器人、聲吶、放射測(cè)試等多種高科技裝備和手段。經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)查、發(fā)掘和研究，科學(xué)家認(rèn)定：撫仙湖水下的確存在著一個(gè)古城遺跡，距今大約1750年（即我國(guó)東漢時(shí)期）。這座古城南北長(zhǎng)約2000米，東西長(zhǎng)約1200米，最深處在水下140米，最淺處約13米。

這座古城為何會(huì)在湖底？地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，可能是由于地震造成地質(zhì)滑坡，撫仙湖水位升高淹沒了古城，也有可能是因?yàn)榈卣鹪斐傻貧は萋?，使它沉入水中?/p>

CR-02

擔(dān)綱那次水下考古活動(dòng)主角的，是中科院沈陽自動(dòng)化研究所研制的兩套機(jī)器人設(shè)備——“金魚”系列輕小型水下機(jī)器人和“CR-02”6000米自治水下機(jī)器人。它們主要負(fù)責(zé)深潛作業(yè)、水下觀測(cè)和資料傳輸，并將第一次水下考古的經(jīng)歷獻(xiàn)給了撫仙湖。之所以出動(dòng)水下機(jī)器人，是因?yàn)榭脊艑W(xué)家已經(jīng)探明，古建筑遺跡位于水下70米左右處，而潛水員的一般潛水深度只有水下60米。如果在水下60米作業(yè)，潛水員通常需要攜帶氧氣瓶。如果下潛至70米，則要使用氦氣，不僅費(fèi)用高昂（潛水員在水下呼吸1分鐘所需的費(fèi)用相當(dāng)于1克黃金的價(jià)值），而且會(huì)損害潛水員的身體健康。

“金魚”系列設(shè)備重約100千克，本體部分僅重35千克，可以安放在任何類型的工作母船或汽車上，無需其他設(shè)備支持。由于體形小巧玲瓏，“金魚”能在水下或狹小的空間中作前進(jìn)、后退、平移、垂直下潛和水平轉(zhuǎn)彎等高難度動(dòng)作，工作人員只需在陸地上操縱即可。由于配備了先進(jìn)的CCD水下攝像機(jī)和合理光譜的照明燈，在水下100米，“金魚”依然能夠?yàn)榭茖W(xué)家提供清晰的圖像，且圖像上疊加有文字說明的參數(shù)，如時(shí)間、深度和方位角等，非常直觀。但是它沒有機(jī)械手，也不具備探測(cè)功能，只能純粹作為觀察使用，所以需要另一種機(jī)器人（“CR-02”）與之配合，協(xié)同工作。

“CR-02”6000米自治水下機(jī)器人的外形酷似一枚魚雷，身長(zhǎng)4米，直徑0.8米。它能緊貼湖底行動(dòng)，全面負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離考察撫仙湖附近水域的地形地貌。它與“金魚”一大一小，一遠(yuǎn)一近，配合得相得益彰，出色地完成了考古任務(wù)。

在那次水下考古中，建筑方位測(cè)定和水深測(cè)定的任務(wù)交給了中科院聲學(xué)所和哈爾濱工程大學(xué)派遣的兩個(gè)聲吶專家組。他們采用最先進(jìn)的聲吶探測(cè)技術(shù)，很快使撫仙湖水下古建筑的全貌浮現(xiàn)在世人面前。

所謂聲吶，是指利用聲波在水中探測(cè)目標(biāo)及其狀態(tài)的一種儀器或技術(shù)。對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，在陸地上可以依靠雷達(dá)，可以探測(cè)千里以外的物體。它利用的是電磁波遇到物體后會(huì)反射回來的“回聲定位”原理。但是電磁波在水中卻沒有用武之地，因?yàn)樗哪芰亢芸炀蜁?huì)被水吸收，無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播。研究人員只得把目光轉(zhuǎn)向聲學(xué)方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聲波幾乎不被水吸收，在水中可以傳得很遠(yuǎn)。于是，聲吶便成為水中探測(cè)目標(biāo)、傳遞信息的重要工具。所以，聲吶又稱“聲波雷達(dá)”。

按工作方式的不同，聲吶可分為主動(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶。前者本身能發(fā)射聲波，當(dāng)聲波遇到物體便會(huì)反射回來，經(jīng)過聲電轉(zhuǎn)換和放大處理，便可將圖像和數(shù)據(jù)顯示在熒光屏上。根據(jù)聲波發(fā)射的方向、往返的時(shí)間可以計(jì)算出被測(cè)物體的方位和距離。后者為被動(dòng)聲吶，它本身不能發(fā)射聲波，只能接收其他物體在水中發(fā)出的聲波。那次考古采用的是主動(dòng)聲吶。聲吶技術(shù)除了應(yīng)用于水下考古外，更多的還是應(yīng)用在軍事、通訊、勘探和漁業(yè)等領(lǐng)域。

名詞解釋

洛陽鏟：又名探鏟，是陸地考古學(xué)的主要工具之一，為一半圓柱形的鐵鏟。利用半圓柱形的鏟可以將地下的泥土帶出，并逐漸挖出一個(gè)直徑約十幾厘米的深井，可以探測(cè)地下土層的土質(zhì)，以了解地下有無古代墓葬。

南海一號(hào)：1987年，廣州救撈局與英國(guó)海洋探測(cè)公司在陽江海域?qū)ふ覗|印度公司沉船時(shí)，意外在一艘宋代商船中打撈出200多件瓷器?？脊沤缯J(rèn)為這艘船可能與海上絲綢之路有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)引起世界矚目，該船被命名為“南海一號(hào)”。隨著“南海一號(hào)”的重見天日，中國(guó)水下考古中心推測(cè)，南海古沉船不少于2000艘。

經(jīng)北京大學(xué)研究人員的放射性碳素測(cè)定，撫仙湖水下古建筑的年代，最晚距今1750年（±100年），屬東漢時(shí)期。這個(gè)數(shù)據(jù)是怎么得到的呢？要了解其中的奧秘，還得從物理學(xué)中的熱釋光現(xiàn)象說起。

熱釋光現(xiàn)象早在1663年就被人們發(fā)現(xiàn)。那年冬天，英國(guó)的一位貴族圍爐取暖，當(dāng)戴有鉆石戒指的手靠近爐火時(shí)，他突然發(fā)現(xiàn)原先呈微黃色的金剛鉆，竟?jié)u漸變成美麗的藍(lán)色。這位貴族以為這是一枚“魔戒”，至死都不敢再佩戴。直到300多年后，人們才揭開“魔戒”之謎：原來，金剛鉆受熱變色，是固體物質(zhì)的一種物理發(fā)光現(xiàn)象，科學(xué)上稱為熱釋光。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，陶瓷、鉆石、貝殼等物質(zhì)，一般都含有微量天然放射性元素鈾、釷和鉀40，它們都能產(chǎn)生α、β和γ射線。當(dāng)這些物質(zhì)所含的石英、長(zhǎng)石晶體等受到射線的輻射時(shí)，某些電子就會(huì)發(fā)生躍遷，最后掉進(jìn)那些由不完整晶格所造成的“陷阱”中去。“陷阱”越深，電子在里面“居住”的時(shí)間就越長(zhǎng)，有的可達(dá)百萬年以上。當(dāng)陶瓷、鉆石、貝殼等再度受熱時(shí)，“陷阱”內(nèi)的電子就會(huì)從“陷阱”中逃逸出來，遇上一些特殊的雜原子與其復(fù)合，就會(huì)釋放出能量（光子），從而成為熱釋光。人們只需測(cè)定這種熱釋光的劑量大小，就能推算出它積累了多少歲月，也就是存在了多少年。

正是對(duì)水下建筑里的填充物——螺絲殼進(jìn)行放射測(cè)定，科學(xué)家們才大致弄清了這座水下古建筑的構(gòu)成年代。

撫仙湖水下考古行動(dòng)，為中國(guó)的考古工作者們提供了一次良好的實(shí)踐機(jī)會(huì)，我國(guó)的水下考古水平也得到了國(guó)外專家的一致肯定。如今，我們的考古專家又把目光聚焦在了潮汕地區(qū)，據(jù)說那里有不少沉船，研究這些沉船就能更加了解古代中國(guó)的海上絲綢之路。