海洋地球物理测量 -海洋地球物理学

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一、引言

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联合国“海洋科学促进可持续发展十年”（2021—2030年，以下简称“海洋十年”）是近年来联合国发起的最重要的涉海倡议，旨在为全球海洋治理提供科学解决方案，实现海洋的可持续发展，得到了世界各国的普遍重视。

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“海洋十年”实施计划更为关注自然科学、社会科学和人文科学的综合研究，水下文化遗产作为这3门学科共同的研究对象，也是“海洋十年”实施计划关注的重要目标之一。水下文化遗产中，以沉船数量最多，分布最广。我国海域辽阔、海岸线漫长，开发利用海洋的历史悠久。先民们在不断探索、开发和利用海洋的过程中，形成了无比丰富的水下文化遗产。

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自20世纪80年代以来，我国沿海地区经济迅猛发展，大量沿海工程启动，滨海旅游业发展迅速，海洋渔业快速发展，使得包括沉船在内的大量水下文化遗产遭到不同程度的破坏。同时海洋水动力作用、海水化学腐蚀和海洋生物活动等自然因素也对水下文物遗迹造成了不同程度的损害。随着全社会对水下文化遗产保护的日益关注，探测、寻找和保护这些珍贵的水下文物遗迹已经成为迫在眉睫的问题。

海洋中的沉船按与海底的保存接触关系可分为出露、半浅埋和浅埋3种类型。出露于海底面的沉船由于海水的冲刷和腐蚀影响、海洋生物分解作用，以及人类活动破坏，往往难以保存沉没时的全貌。如海南西沙“华光礁Ⅰ号”和福建平潭“碗礁Ⅰ号”都曾因为渔业活动和非法盗捞遭到不同程度的损坏；而浅埋和半浅埋的沉船，由于被海底沉积物所覆盖，往往能完整或者部分保存。近年来，一些重要的水下考古发现，如“丹东一号”和“南海Ⅰ号”都属于浅埋沉船中保存得相对完整的。因此，浅埋沉船探测是我国今后水下考古调查的一个重要方向。虽然海洋磁力探测在近现代铁质浅埋沉船的调查中发挥着重要作用，但从时间尺度上看，近现代仅是我国历史长河中的一小段，而其前的船舶材质主要以木质为主。作为海洋地球物理中应用最为广泛的声学探测方法，应能在大部分的水下文物浅埋沉船遗址探寻中发挥更为重要的作用。

2021年“长江口二号”古船多波束声呐扫测合成图，上海市文物局供图

海洋地球物理声学探测方法具有分辨率高和安全性好等优点，常用于海洋底质分类、海洋地质调查、近海工程勘察以及海底管线的探测与监控等领域。虽然这些声学探测方法已经广泛应用于海底管道识别和地质异常现象研究，并取得了丰硕的成果。但就水下文物尤其是沉船探测而言，由于沉船遗址规模一般较小，形态较不完整，海底干扰较多，往往需要进行特殊的测线布设和往复调查来确认。

针对沉船的海洋地球物理声学探测设备主要包括侧扫声呐、多波束测深系统、合成孔径声呐和浅地层剖面探测系统等。侧扫声呐和多波束测深系统能够对出露于海底面的沉船进行有效探测，获得具有高分辨率、连续直观的海底二维图像，是目前较为常用的出露沉船海洋地球物理声学探测仪器。合成孔径声呐是一种新型声呐，可对水下悬浮和沉底目标形成高清影像，但对掩埋目标的公开报道还较少，仅有的一些例子多应用于出露沉船的探测。目前，针对浅埋沉船的有效探测方法主要是使用高分辨率的浅地层剖面探测系统进行调查。

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浅地层剖面探测基于水声学原理进行连续走航探测，能够高效获取高分辨率的水下浅部地层结构，并辨识海底地层中的异常现象，因此可将浅地层剖面探测系统应用到浅埋沉船的探测研究中。如Grøn等对来自不同时期、埋藏在不同类型海底沉积物中的4艘沉船（图1（a））进行了研究分析，讨论了水深、沉积物类型和采样频率等对浅埋沉船成像效果的影响，得出浅地层剖面探测系统对于识别浅埋沉船具有重要价值；Cvikel等采用浅地层剖面探测系统对马甘·米哈尔（Ma’aganMikhael）沿岸海域进行水下考古调查，发现了3处疑似沉船遗址；Geraga等运用包括浅地层剖面探测在内的多种物探技术对爱奥尼亚海（IonianSea）内沉船进行了系统研究，创建了爱奥尼亚海沉船位置地图册（图1（b）和图1（c））。总体而言，浅地层剖面探测系统是一种有效的浅埋沉船探测手段。

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（a）Akko4号沉船剖面图；（b）“Pumphouse”沉船剖面图；（c）SSArdena沉船剖面图

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图1 浅埋沉船剖面图

浅埋沉船由于被海底沉积物覆盖，难以验证，因此目前大多工作都是针对有明确沉船遗址的位置进行展开，但这种做法存在局限性：从已知的考古遗址推断，应用限于对已知沉船的研究，忽略了整个潜在文物遗迹区域的调查；而缺少成熟的针对浅埋沉船的调查方法，往往导致很难在区域尺度上发现有价值的水下文物遗址。此外，浅地层剖面仪已经应用于浅埋沉船的探测并取得一些成功，但基于绕射现象的判读具有多解性，很多浅埋物体会产生绕射现象。因此，本文通过梳理浅埋沉船的反射系数和极性变化与周围环境关系，论述了海洋地球物理声学探测方法在浅埋沉船判别、降解程度评估以及沉船遗骸3D重建中的应用，以便为我国浅埋沉船遗址调查研究提供一些新思路，并为浅埋沉船遗址后续保护措施选择提供借鉴。

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二、浅埋沉船探测进展

⒈浅埋沉船判别

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目前针对浅埋沉船的判别主要基于浅埋沉船的绕射现象进行。但声波不仅会在沉船区域发生绕射，在遇到孤石和基岩，或一些其他孤立埋藏物体以及地形畸变时也会产生绕射波。由于海洋地球物理声学解译的多解性，以及地质环境本身的复杂性，仅根据绕射现象对浅埋沉船进行判别，不够准确，同时浅埋物体埋于海底之下，若对所有浅埋可疑点进行实地验证，则成本太高，难以实现。故需采取一些其他经济有效的方法提高浅埋沉船判别的可信度。

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声波穿透不同声阻抗界面时发生反射，根据接收到反射能量强弱不同，从而对海底浅部地层结构进行成像。由于海底沉积物的密度一般为1.4～2.0g/cm3，声速为1400～1700m/s，木材是各向异性材料，其纵向、切向和径向的声速各不相同，密度远小于海底沉积物；钢材的密度和声速则远大于海底沉积物，即沉船与海底沉积物之间存在明显的物性特征差异，由公式⑴计算得出沉船的反射系数明显异于海底沉积物的反射系数。不同的材质之间，比如木质沉船、铁质沉船、礁石等与埋藏环境之间具有不同的反射系数和极性特征。

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早期的浅埋沉船判别研究是针对木质沉船进行的，通过计算自然界和沉船遗址中橡木的理论反射系数，并根据浅地层剖面数据分析沉船遗址绝对反射系数和极性，得出埋藏在海底沉积物中木质沉船反射系数表现为负（公式（2）和公式（3））（图2和表1）。对铁质沉船遗址反射系数和海底沉积物的薄层模拟研究表明，铁质沉船反射系数远大于海底面和礁石，极性波动不定（公式（2）和公式（3））（图3）。因此，可通过计算反射系数和极性特征分析对浅埋沉船做进一步识别，以提高浅埋沉船判别的可信度。

图2 橡木极性

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表1 沉船遗址反射系数和极性信息

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图3 铁质沉船绝对反射系数

理论反射系数计算公式如下：

K＝（ρ木(铁)c木(铁)－ρ沉积物c沉积物）/（ρ木(铁)c木(铁)＋ρ沉积物c沉积物）  ⑴

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式中：K为反射系数，ρ木(铁)和c木(铁))为木材或钢材的体积密度和声速，ρ沉积物和c沉积物为海底沉积物的体积密度和声速。

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绝对反射系数计算公式如下：

海底：

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K海底＝(t二次f二次)/(t一次f一次)   ⑵

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沉船：

K沉船＝K海底(t沉船f沉船)/(t一次f一次)    ⑶

式中：f一次、f二次、f沉船分别为海底一次反射、二次反射、沉船反射的振幅，t一次、t二次、t沉船分别为声波到海底一次反射、二次反射、沉船反射的双程走时。

⒉浅埋沉船降解程度评估

探明海底浅埋沉船位置以后，对于浅埋沉船遗址首选的保护方法是原址保护法。因为海底低氧、稳定的自然环境是天然的保护罩，能够较好地保存浅埋沉船，但沉船本身存在一定的降解作用。浅埋的水下文物遗址由于形成的时间不一，形成的环境各异，以及本身材质差异等因素影响，在海底的降解程度也存在较大区别，进而影响到沉船遗址后续保护措施的选择，即对沉船遗址进行发掘还是进行原址保护。

目前，对出露沉船降解状态的了解通常是根据出水水下文物进行的，或者对出露于海底的沉船取样后，在实验室采用电镜扫描、微生物分析等方法，对样品降解状态进行分析。浅埋沉船由于被海底沉积物覆盖，尚缺少有效的方法评估其降解程度。若对浅埋沉船进行发掘，当浅埋沉船从低氧的海底环境到富氧的空气中时，可能会由于沉船内部的化合物不稳定而导致文物样品化学劣化，从而降低文物的机械稳定性，如“南海Ⅰ号”为了避免这种降解损坏，而采取了整体打捞的方法，后续的发掘工作又持续了十多年。而在浅埋沉船原址取样了解其降解状态则较为困难，因为从浅埋沉船取样需要了解沉船的埋藏环境和船体结构，盲目取样会对浅埋沉船造成无法修复的损伤，破坏浅埋沉船的稳定，不利于浅埋沉船的原址保护。基于海洋地球物理声学探测方法的浅埋沉船降解程度评估，也进行了一些探索。

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为评估声学测量对浅埋沉船降解状态变化的敏感性，从而评估声学测量量化降解程度的可能性，将浸水达到饱和状态的橡木样品分别埋在不同类型的海底沉积物中不等时长，使得各木材样品的降解程度产生差异，测量所有木材样品的压缩波速和常规密度，根据测得波速和密度计算不同降解程度橡木样品与海底沉积物之间的反射系数，并与沉船遗址声学探测数据获得反射系数进行对比，得出埋藏在海底沉积物中木材降解程度越高，反射系数负得越大。此外，可进一步建立不同降解状态木材纵向、径向和切向（图4）反射系数与常规密度的线性回归关系（图5和图6）。据此可由沉船遗址声学反射系数估算木质沉船的常规密度，进而评估木质沉船的降解程度。因此，通过计算沉船遗址反射系数对浅埋沉船降解状态做无损评估，理论上是评估浅埋沉船降解程度的可能途径。但是，目前仅有通过对沉船取样，采取实验测量方法评估沉船降解程度的相关报道，缺乏采用海洋地球物理声学探测方法在浅埋沉船原址上进行沉船遗址反射系数研究，进而评估浅埋沉船降解程度的实际应用例证。

图4 木材的3个方向

图5 埋在沙、沙—泥—黏土、黏土中橡木径向和切向反射系数与常规密度关系

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图6 海底沉积物与海水中橡木样品纵向、径向、切向反射系数和常规密度关系

⒊浅埋沉船遗骸3D重建

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精细了解海底沉船的3D结构，对于保护和发掘海底文物遗迹有着重要意义，可以就遗迹的特殊或者易损部位，根据船体保存形态采取针对性措施，最大限度地避免发掘和保护过程中的文物破坏。针对沉船遗骸3D重建较为常见的方法是对出露于海底面的沉船，通过拍照和拼接，或采用声学手段探测，进而对其进行3D建模。浅埋沉船由于被海底沉积物覆盖，难以通过光学手段进行3D重建，更需要基于海洋地球物理声学探测技术来进行研究。

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目前，对浅埋沉船遗骸进行3D重建主要有2种方法：一种方法是直接使用3D浅地层剖面系统对沉船遗址进行探测，从剖面图像上提取疑似沉船遗骸特征，并绘制等埋深线图，通过测算沉船的埋深，创建沉船的真实3D图像，再结合计算机成像技术重建船体部分（图7）。这种方法能够较精细、直观地展示出浅埋沉船的3D特征，但是，该方法硬件成本较高、探测效率较低、数据处理相对较为复杂。

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图7 重建沉船船体

另一种方法是基于2D浅地层剖面数据合成浅埋沉船的3D图像，将单独处理的2Dchirp浅地层剖面数据段合并为一个单一、连贯的伪3D地震体，同时对原始道位置进行重新分配，再根据水深数据进行静校正，提高水平信号的一致性和连续性，最终得到伪3Dchirp浅地层剖面数据集。数据集中的异常区域即为浅埋沉船所在地，由异常数据集可得到浅埋沉船的轮廓，通过3D渲染技术，可生成浅埋沉船3D渲染体（图8）。此外，进一步开发的基于高分辨率2D浅地层剖面数据合成3D图像技术，可较精确地获得沉船船体形状和深度，并勾勒包围沉船的沉积单元，随后生成浅埋沉船3D图像（图9）。这种方法快速，外业操作成本较低，是目前较为通用的浅埋沉船遗骸3D重建方法。

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图8 重建沉船3D渲染体

图9 沉船3D图像

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浅埋沉船遗骸3D重建的技术可以基于尺寸和形状信息描绘沉船原始船体的轮廓，生成浅埋沉船的原始3D图像，这不仅能够获得关于浅埋沉船的有效信息，为浅埋沉船的原址保护提供参考，而且能够为浅埋沉船的发掘工作提供科学依据，减少发掘过程对浅埋沉船的损害。

随着计算机技术的发展，3D重建技术在矿产资源勘察中有着非常广泛的应用，通过分析已有的钻孔资料、物探资料和地层资料，结合计算机技术建立3D地质结构模型，可将地质体的空间分布和物性特征快速、准确地展示出来，对矿产资源的储量评价和后续开采等有着重要作用。而浅埋沉船遗骸3D重建是基于多条测线的海洋地球物理声学探测数据，通过计算机成像技术模拟生成沉船遗骸3D图像。这种方法依赖于声学数据的可靠性，而海洋地球物理声学探测方法在对沉船等微小物体的精细探测研究方面还存在一些不足，采用该方法只能重建浅埋沉船的大致轮廓，无法对浅埋沉船的内部结构和精细特征进行重建。

三、展望

海洋地球物理声学探测技术从出现伊始多用于海洋地质调查，现今被广泛地应用于水下文物调查研究，在浅埋沉船的探测中也发挥着重要作用，虽在浅埋沉船判别、降解程度评估、船体3D重建方面进行了一些探索，取得了很多成果，但也存在一些不足（图10）。其根本原因在于海洋地球物理声学探测技术在针对孤立的微小物体精细探测方面还存在一些局限性，有待进一步发展。

图10 浅埋沉船声学探测进展总结

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伴随各种海洋地球物理探测传感器的发展和计算机技术的不断进步，针对不同保存状态沉船的判别和成像能力也不断提高，这极大地促进了我国水下文物保护事业的发展。随着修订后的《中华人民共和国水下文物保护管理条例》由国务院在2022年颁布实施，必将在全社会对海洋文化遗产的探测和保护形成新的认识和研究。作为水下文化遗产的一大类型，海底浅埋沉船，也必定会逐步进入自然科学家、考古学家、社会学家和政府管理部门的视野。因此，重视水下文化遗产探测的相关工作，探讨海洋地球物理方法在其中的作用，对于进一步在全社会形成关注海洋、热爱海洋、保护海洋的氛围，有着重要意义。就我国而言，近海强烈的开发活动使得保存完整，出露海底的沉船遗址发现概率大为降低，而浅埋沉船将是今后我国水下文物遗址探索的重要组成部分。随着我国对水下文化遗产的日益重视，如何更好地利用海洋地球物理手段探测该类型沉船遗址将是我们面对的迫切课题。为此，未来我国浅埋沉船探测亟待从以下几个方面推进。

⒈基于浅埋沉船的控制实验研究

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浅埋沉船由于被海底沉积物覆盖，难于实地验证，因此，对其进行模拟、分析是必不可少的一环。浅埋沉船的主体不一定完整，甚至缺少船型分布，其在地层中的分布也较不连续，与浅埋呈线状的海底管道或者其他呈面状、片状分布的地质资源等勘查工作存在着较大的区别。在水下浅埋沉船探测中如何从背景噪音中对有效信号和干扰信号进行辨别，并对所含弱信号进行识别和提取，将是水下文物探测所面临的关键问题。

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通过水下文物的实验控制从而了解不同调查设备的实际探测效果以及不同材质的声学响应特征，将为海洋声学探测技术在水下文物遗址探寻中的应用提供科学参考和比对成果。国外对浅埋沉船降解程度的评估也是从实验室着手，对橡木等国外通用造船主体部件进行分析研究。我国幅员辽阔，木材种类丰富，古代造船往往依据实际情况就地取材，所以不同地方所造的木船，也往往选用不同的木材。但是以橡木为材质的沉船目前不是我国已发现沉船的主要材质类型。这需要大量的控制实验研究了解浅埋沉船其本身的声学特性。

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⒉数据处理技术有待提升

数据处理与解译是浅埋沉船探测工作的关键一环，目前从海洋地球物理声学剖面图像上识别浅埋沉船，主要依靠技术人员对浅埋沉船在剖面上的绕射现象进行判读，但是这种方法过于依赖解译人员的经验，可能会由于解译人员的经验不足，或者由于海底环境的复杂性，而造成浅埋沉船的误判。如声学剖面图像中的“单杆”“白斑”等异常现象在水下文物遗址探测中可能是水下考古异常特征的体现。

而这些异常特征在地质数据处理中往往被当成“噪声”滤除。虽然我国在海底浅地层探测数据处理中对噪声压制、图像质量提高等方面开展了大量的研究工作，但是针对浅埋水下文物遗址处理的公开报道几乎没有，就浅埋沉船的数据成像识别研究目前也较为少见，与水下考古领域的欧美发达国家相比尚存在一定差距，也缺少典型的案例研究和分析。

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依据等埋深线的成图方法虽然能获取浅埋沉船的轮廓，但尚缺少针对浅埋沉船内部细节部分的精细构建。因此，鼓励与水下考古相关的数据处理软件、技术的发展，提升我国在该领域的数据处理技术水平是我国水下文物遗址探测水平提高的重要依托。

⒊多学科的综合研究

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浅埋沉船作为水下文物遗址的重要一类，离不开自然科学、社会科学和人文科学的综合研究。相对而言，基于自然科学方法对于水下文物遗址的找寻目前最为关键，也是后续人文考古和社会管理的基础和前提。近年来，海洋磁力探测方法在我国海域浅埋沉船探测中取得了众多成功的案例。由于近现代战舰本体存在着大量的铁磁性物质，所以成为搜寻类似沉船的重要手段。但是从时间尺度来看，以木质材质为主的浅埋沉船将是我国今后水下文物探寻不可忽视的一类遗址。面对这类磁性反映较为微弱的物体，海洋地球物理声学探测将会扮演重要角色。由于地球物理探测手段的多解性，以及海底环境的复杂性，采用多种海洋物探技术相结合的探测方法能有效提高浅埋沉船探测的准确性和可靠性。

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除了以目前常规的浅地层剖面设备进行探测外，急需发展针对水下考古探测的专业方法和设备。以适应这种零散分布，不成规模的小目标物体探测。这需要自然科学与工程科学相结合，研制出相应的设备，以满足探测时广度与深度并重，时效与分辨率并行的要求。

四、结论

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随着全社会对水下文化遗产的广泛关注，作为发现和识别水下文物遗址的自然科学探测手段也必然引起人们重视。由于我国海洋经济迅猛发展，浅埋的水下文物遗址，尤其是浅埋沉船将是我国今后水下文物探测的重要类型。海洋地球物理声学测量方法在浅埋沉船探测乃至水下遗迹的分布、形成等研究中起着重要作用。虽然在浅埋沉船辨别、降解及成像等方面已经取得了一些进展，但是针对我国不同环境、不同材质的浅埋沉船探测需求，有必要在可控实验模拟、数据精细处理和学科交叉综合研究方面进行布局，以满足浅埋沉船探测的需求。通过对水下考古探测在理论、实践等各个方面的发展、突破，必将会在世界范围内推动水下文化遗产保护整体事业的全面进步，催生出更加先进的水下文化遗产保护理念、方法和成果，建设具有中国特色的水下考古学科。

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【作者简介】文/刘溢滂 胡毅，分别来自福州大学先进制造学院、自然资源部第三海洋研究所和福建省海洋物理与地质过程重点实验室。第一作者刘溢滂，1997年出生，男，湖南娄底人，硕士研究生，主要从事海洋地质与地球物理研究；通讯作者胡毅，1976出生，男，湖南湘乡人，教授级高级工程师，主要从事海洋地质与地球物理研究。本文为基金项目，福建省自然科学基金项目“厦门湾外的全新世潮流沉积沙体研究”（18J01063）、福建省科技计划引导性项目“海洋单道地震固态接收缆的研制与应用”（2022Y0070）。文章来自《地球科学进展》（2023年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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