瞬變電磁法在淺層古墓探測中的應(yīng)用

劉才華 劉寬宏 冉軍林 劉建利 沈銘成

摘要：物探方法中的瞬變電磁法（TEM）和高密度電阻率法（HDRM）作為野外考古工作常用的無損探測方法之一，技術(shù)比較成熟。本文以陜西省西安市某考古現(xiàn)場作為研究對象，利用瞬變電磁法和高密度電阻率法聯(lián)合探測古墓葬遺址，通過分析地下電性特征，初步確定了墓室的位置、寬度、頂部埋深。經(jīng)挖掘證實(shí)瞬變電磁法在該區(qū)域更準(zhǔn)確有效，且更滿足無損探測要求。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法;高密度電阻率法;視電阻率;考古;無損探測

一、引言

瞬變電磁法（transient electromagnetic method，簡稱TEM）和高密度電阻率法（high-density resistivity method，簡稱HDRM）是考古領(lǐng)域常用的無損探測方法，以地下巖礦石之間的電性差異為基礎(chǔ)，根據(jù)視電阻率變化推斷地下幾何結(jié)構(gòu)，在文物遺址勘探和搶救挖掘方案制定中發(fā)揮著重要作用，已有諸多成功案例[1-6]。由于墓葬存在土體的挖掘擾動與回填致使墓室或墓坑與周圍存在較大的物理性質(zhì)差異[7]，因此具備采用瞬變電磁法和高密度電阻率法進(jìn)行古墓遺址探測的前提條件。通過兩種方法在此兩條測線開展聯(lián)合探測，根據(jù)處理結(jié)果對墓室的頂部埋深、位置、大致空間走向和是存在回填物進(jìn)行評估，為搶救性挖掘施工提供基礎(chǔ)依據(jù)。

二、方法原理

（一）瞬變電磁法

瞬變電磁法（TEM）也稱時(shí)間域電磁法或過渡過程法，是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域人工源電磁探測方法，利用不接地回線（磁性源）或接地回線（電性源）向地下發(fā)送一次脈沖磁場（通常稱為一次場），在發(fā)射間歇期，使用接收線圈或高靈敏度磁強(qiáng)度計(jì)來觀測地下地質(zhì)體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場（通常稱為二次場）。由于二次場包含地下地質(zhì)體豐富的地電信息，通過對這些響應(yīng)信息進(jìn)行提取和分析，獲得地下介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)參數(shù)從而達(dá)到探測地下地質(zhì)體的目的[8-24]。

該方法于20世紀(jì)40年代由蘇聯(lián)科學(xué)家A.H.TNXOHOB的理論為基礎(chǔ)應(yīng)用于油氣田地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查，隨后至20世紀(jì)80年代儀器裝備、數(shù)據(jù)處理和成果解釋系統(tǒng)得到了完善的發(fā)展形成了技術(shù)體系，隨后適用于鉆井、海洋和航空領(lǐng)域的方法技術(shù)，《脈沖感應(yīng)電磁法勘探》和《金屬物探過渡過程法應(yīng)用指南》等標(biāo)志性專著相繼問世并快速應(yīng)用普及。西方國家于1951年由J.R.Wait率先提出瞬變電磁法找導(dǎo)電礦體的應(yīng)用理念，隨后至20世紀(jì)90年代美國、加拿大、澳大利亞等西方國家領(lǐng)先完成了地面和航空瞬變電磁探測裝備系統(tǒng)研發(fā)和普及應(yīng)用。我國自20世紀(jì)70年代開始理論研究，20世紀(jì)80年代末研發(fā)出WDC、SD等系列地面瞬變電磁探測裝備系統(tǒng)，以原長春地質(zhì)學(xué)院樸化榮、中南大學(xué)牛之璉、原西安地質(zhì)學(xué)院方文藻、中國地質(zhì)科學(xué)院物化探勘查研究所蔣邦遠(yuǎn)、長安大學(xué)李貅等為代表的學(xué)者針對此技術(shù)結(jié)合研究成果已先后出版多部專著。

對于中心回線裝置其視電阻值計(jì)算可根據(jù)公式[25]：

點(diǎn)擊并拖拽以移動（1）

點(diǎn)擊并拖拽以移動（2）

其中，點(diǎn)擊并拖拽以移動為延時(shí)t時(shí)刻視電阻率，單位為歐[姆]米;點(diǎn)擊并拖拽以移動為真空磁導(dǎo)率，值為點(diǎn)擊并拖拽以移動;M為發(fā)射磁矩，單位為安[培]平方米;點(diǎn)擊并拖拽以移動為接收線圈等效面積，單位為平方米;t為衰減時(shí)間，單位為毫秒;點(diǎn)擊并拖拽以移動為磁場感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù);I為發(fā)射電流，單位為安[培];L為發(fā)射回線邊長，單位為米。

該方法近年來在考古、滑坡治理、管道工程探測、堤壩滲漏檢測、水資源勘查、有色金屬礦產(chǎn)勘查、鐵路隧道勘查、地基勘查、煤田采空區(qū)勘查、土壤污染調(diào)查等方面應(yīng)用廣泛且成效顯著[26]。

（二）高密度電阻率法

電阻率法（DRM）是以巖、礦石導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地下介質(zhì)中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律進(jìn)行找礦和解決地質(zhì)問題的一種勘探方法[27-33]。高密度電阻率法（HDRM）在20世紀(jì)80年代初由日本引進(jìn)至原長春地質(zhì)學(xué)院（今吉林大學(xué)）等科研院所開展儀器裝備和數(shù)據(jù)處理軟件研發(fā)攻關(guān)獲得了成功，很快在全國大面積推廣應(yīng)用，取得了非常多的優(yōu)質(zhì)成果。其與常規(guī)電阻率法原理相同，差別在于高密度電阻率法將多個(gè)電極一次性布設(shè)在觀測剖面的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)上，將多通道電極轉(zhuǎn)換器、數(shù)字電路微處理器、多芯電纜高效集成為分布式多通道數(shù)字智能測量系統(tǒng)，其快速自動跑極和數(shù)據(jù)采集提高了傳統(tǒng)人工跑極和冗雜的儀器操作的野外工作效率，此外與傳統(tǒng)的電阻率法相比，數(shù)據(jù)采集信息更豐富，經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本更低，便于數(shù)據(jù)處理和成果解釋，已發(fā)展成為一種“多、快、好、省”的勘探方法，在含水破碎帶調(diào)查、地基勘查、地裂縫探測、煤田采空區(qū)探測、水庫堤壩滲漏檢測、巖溶塌陷探測、有色金屬礦山勘查、地質(zhì)滑坡治理與風(fēng)險(xiǎn)評估、尾礦渣堤壩重金屬污染調(diào)查、垃圾填埋場污水滲漏和土壤污染調(diào)查等方面發(fā)揮著重要作用。其視電阻率計(jì)算原理如下：

視電阻率點(diǎn)擊并拖拽以移動的求取通過給AB極供電I，利用MN測量電位差點(diǎn)擊并拖拽以移動而獲得，在實(shí)際工作中，通過下述公式（2）求得測點(diǎn)x處的電阻率值。

點(diǎn)擊并拖拽以移動（2）

其中K為裝置系數(shù)，滿足關(guān)系式：

點(diǎn)擊并拖拽以移動（3）

盡管該方法計(jì)算獲得的電阻率不是巖石的真實(shí)電阻率，但觀測的卻是地下電性介質(zhì)中存在不均勻體和地形起伏效應(yīng)的一種綜合地電特征反應(yīng)。因此根據(jù)其觀測的視電阻率變化規(guī)律來達(dá)到有色金屬勘探、考古、環(huán)境災(zāi)害評估和解決其他工程地質(zhì)問題的目的。

三、野外工作方法

本文在考古人員圈定的可疑區(qū)域布設(shè)G01和G02共2條測線，線距1m。瞬變電磁法采用自主設(shè)計(jì)的5匝1m x 1 m發(fā)射線圈的小型中心回線瞬變電磁探測裝置，測量點(diǎn)距1m，發(fā)射電流0.5A，接收線圈等效面積3000m2，增益1，疊加次數(shù)64，儀器采用驕鵬科技（北京）有限公司生產(chǎn)的無人機(jī)載和地面兩用型EMT1200中功率發(fā)射機(jī)和EM3W多功能采集站;高密度電阻率法電極間距0.5m，輸出電壓300v，平均接地電阻800Ω，儀器采用重慶頂峰地質(zhì)勘探儀器有限公司生產(chǎn)的EDJD-1A型多功能直流電法儀。

四、墓葬區(qū)概況及地球物理特性

（一）墓葬區(qū)概況

該墓葬區(qū)位于西安市某基礎(chǔ)建設(shè)用地內(nèi)考古施工現(xiàn)場，地表為黃土黏土層，附近露頭位置多見墓葬夯土遺跡，附近考古資料顯示該區(qū)域近地表埋深1m內(nèi)存在大量無棺槨直接掩埋在泥土內(nèi)的仰韶文化時(shí)期古墓葬群，其下部可能存在其他歷史時(shí)期的墓室。經(jīng)考古人員通過澆純凈水觀察地表滲透差異和干燥快慢差異圈定可疑區(qū)之后，本研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在可疑區(qū)開展地球物理勘探方法來探測可疑區(qū)地下幾何結(jié)構(gòu)，對其是否存在墓室、墓室位置、頂部埋深進(jìn)行評估。

（二）探測結(jié)果分析

點(diǎn)擊并拖拽以移動

（a.G02測線高密度電阻率法;b.G01測線高密度電阻率法;

c.G02測線瞬變電磁法;d.G01測線瞬變電磁法）

Fig2. The inversion results of HDRM and TEM

（a. HDRM result of G02 profile; b. HDRM result of G01 profile;

c. TEM result of G02 profile; d. TEM result of G01 profile）

實(shí)測數(shù)據(jù)反演結(jié)果如圖1所示，得到G01、G02測線下方電阻率和視電阻率斷面圖，根據(jù)斷面圖進(jìn)行推斷解譯。兩種方法實(shí)際采集數(shù)據(jù)起點(diǎn)存在差異，瞬變電磁法的起點(diǎn)0m對應(yīng)高密度電阻率法的4m處。通過對比圖中a）和c）、b）和d）發(fā)現(xiàn)兩條測線上高密度電阻率法橫向距離10.5m-14m處與瞬變電磁法橫向距離6.5m-10m處在深度約2m以下均存在顯著的電性異常。高密度電阻率法（圖a）、圖b））在該區(qū)域顯示的是高阻異常，而瞬變電磁法反演結(jié)果（圖c）和圖d）顯示的是低阻異常，這與兩種方法原理差異有關(guān)，從橫向上能夠明顯看到地層的電性特征在橫向上不連續(xù)，異常區(qū)域和周圍存在明顯的電阻率差異。此外，瞬變電磁法反演結(jié)果（圖c）和圖d））顯示該異常區(qū)域?yàn)榈妥璧娘@著特征可排除測線下方墓室內(nèi)存在空洞的可能性，表明該墓室內(nèi)可能與周圍的土層存在電性差異較大的回填物，埋深2m至地表部分橫向連續(xù)性好可能存在密實(shí)齊整的封土層。

綜上，推測G01測線與G02測線下方可能存在一個(gè)走向與兩條測線近似垂直的墓室，其頂部埋深約2m，寬3m-4m，內(nèi)有回填物，頂部至地表存在密實(shí)的封土層。

點(diǎn)擊并拖拽以移動點(diǎn)擊并拖拽以移動

如圖2所示，經(jīng)挖掘測量證實(shí)墓室頂部埋深為2m，墓室寬度為3.5m，內(nèi)有較地表更細(xì)膩的黏土回填物，頂部封土比較密實(shí)均勻，走向近似垂直于G01和G02兩條測線走向。

高密度電法的探測結(jié)果僅能夠體現(xiàn)出墓室頂部埋深，電性異常寬度受數(shù)據(jù)質(zhì)量影響一致性較差而無法準(zhǔn)確估算墓室寬度和墓室大致走向，墓室上部封土狀態(tài)和有無回填物無法評估。

瞬變電磁法在此可疑區(qū)域探測效果優(yōu)勢更明顯，能夠很好地反映出封土層狀態(tài)、墓室頂部埋深與寬度、回填物的存在以及墓室的大致走向均與實(shí)際情況吻合。

五、結(jié)論

本文通過使用瞬變電磁法和高密度電阻率法對該墓葬區(qū)進(jìn)行探測，初步確定了墓室頂部埋深、位置、寬度和空間走向，為進(jìn)一步考古探測和發(fā)掘提供了重要依據(jù)。通過本次考古探測，可得出以下結(jié)論：

（一）通過兩種方法探測結(jié)果分析，兩種方法都能夠發(fā)現(xiàn)墓室引起的電性異常，能夠準(zhǔn)確估計(jì)出墓室頂部埋深。但瞬變電磁法在此區(qū)域優(yōu)勢明顯，成效顯著，還能夠進(jìn)一步評估墓室寬度、頂部封土狀態(tài)和有無回填物等更詳實(shí)的信息;

（二）相比高密度電阻率法電極需要與地表土壤耦合，存在破壞表層遺跡的風(fēng)險(xiǎn)，磁性源瞬變電磁法不會對墓葬造成任何破壞，是最適合此區(qū)域探測古墓葬遺跡的有效方法之一;

（三）挖掘證實(shí)，瞬變電磁法探測成果與實(shí)際情況吻合。

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通訊作者：劉才華，1990年11月，男，漢族，陜西商洛人，現(xiàn)任中陜核工業(yè)集團(tuán)二一四大隊(duì)有限公司地球物理勘查與遙感工程師，研發(fā)工程師、項(xiàng)目經(jīng)理，碩士。研究方向：工程物探、航空物探。

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“基于小型無人直升機(jī)平臺的低空大比例尺航磁測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2018GY-05）、中陜核工業(yè)集團(tuán)二一四大隊(duì)有限公司“小型無人機(jī)探測淺地表未爆彈藥（UXO）應(yīng)用研究”（201912）和“小型無人機(jī)磁性源瞬變電磁探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用”項(xiàng)目（201913）聯(lián)合資助。