劉菁華 田 鋼 王祝文 丁 陽(yáng) 王幫兵

1（吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 長(zhǎng)春 130026）

2（浙江大學(xué)地球科學(xué)系 杭州 310027）

良渚古城遺址位于浙江省杭州市余杭區(qū)瓶窯鎮(zhèn)，在良渚遺址群西側(cè)，東南距離杭州市區(qū)約 20 km。目前已發(fā)現(xiàn)良渚文化遺址點(diǎn)135處，分布密集，規(guī)格極高。其中，莫角山遺址規(guī)模宏大，東西長(zhǎng)約670 m、南北寬約450 m，人工堆積厚度達(dá)10余米。其中心部位有大面積的沙泥夯筑層和建筑遺跡，是良渚古城的中心居住區(qū)[1]。

圖1 由挖掘與鉆探工作推測(cè)的城墻分布范圍及發(fā)掘位置示意圖[1]Fig.1 A sketch map showing the city wall layout of Liangzhu based on excavation of selected spots.

2006–2007年經(jīng)過(guò)大規(guī)模鉆探和試掘，確認(rèn)了古城四周城墻是圍繞莫角山和反山分布、以鳳山和雉山兩座自然山丘分別為西南和東北轉(zhuǎn)角的大型人工營(yíng)建工程(圖 1a)。從總體布局看，莫角山和反山等遺址點(diǎn)是某個(gè)時(shí)期良渚古城內(nèi)的特定功能區(qū)。根據(jù)調(diào)查和試掘的初步結(jié)果判斷，良渚古城的南北長(zhǎng)1800–1900 m、東西寬500–1700 m，其布局大致呈正南北方向，從保存較好的東南角看應(yīng)為圓角長(zhǎng)方形。城墻底部普遍鋪墊石塊作為基礎(chǔ)，其上用黃色黏土堆筑而成，底部寬度40–60 m。城墻現(xiàn)存較好的地段高約4 m[1]，城墻表土層10–40 cm。

但挖掘范圍畢竟有限，由挖掘推測(cè)的古城墻位置及走向展布具有一定局限性。科技考古是解決這一問(wèn)題的有效方法，利用地球物理方法探測(cè)古遺址，能有效地進(jìn)行目標(biāo)體的連續(xù)測(cè)量，可探明目標(biāo)體的位置、大小、空間展布(埋深、走向，延伸等)。古城墻探測(cè)使用的磁法、高密度電阻率、探地雷達(dá)法等[2–4]，主要利用文化遺跡層與原生地層的明顯物性差異，尤其是電性(電阻率、磁導(dǎo)率等)與非文化層存在相當(dāng)大的差異[3]。放射性能譜法曾試驗(yàn)性地用于考古調(diào)查，但放射性測(cè)量探測(cè)深度較淺，其應(yīng)用也受限制[5]。但作為地球物理方法之一，放射性能譜測(cè)量在古城墻的探測(cè)中也有其優(yōu)勢(shì)，如不受電磁干擾、靈活方便、操作簡(jiǎn)單、速度快等，且其探測(cè)靈敏度的提高和數(shù)據(jù)處理手段的改進(jìn)，使弱目標(biāo)體探測(cè)成為可能。在良渚古城墻確定中嘗試使用了地面γ能譜測(cè)量，以快速確定城墻位置與走向。探測(cè)結(jié)果表明，地面γ能譜測(cè)得的良渚古城墻中天然放射性元素U、Th、K含量特征，可為古城墻確定提供依據(jù)。

1 地面γ譜測(cè)量法

在圖1所示測(cè)量區(qū)域的坐標(biāo)位置挖掘坑周?chē)荚O(shè)測(cè)量點(diǎn)，間距為2 m(圖1b)，以了解城墻的放射性元素含量分布特征，并由其確定城墻的寬度、走向。

地面 γ能譜儀為 H-90B(北京核地質(zhì)研究院)，系四道能譜儀，分別測(cè)量40K(1.46 MeV)、U(1.76 MeV)、Th(2.62 MeV)的γ特征峰計(jì)數(shù)率，以及能量在0.5–3 MeV的總γ計(jì)數(shù)率。該儀器穩(wěn)定性好，大氣壓86–106 kPa，環(huán)境溫度為+40℃或0℃時(shí)，其計(jì)數(shù)率與常溫(20±2℃)的誤差不超過(guò)±15%，被測(cè)體積達(dá)飽和的情況下，放射性比活度測(cè)量誤差≤±20%。用出廠(chǎng)標(biāo)定而得換算系數(shù)和含量計(jì)算公式，計(jì)算出地面測(cè)點(diǎn)放射性元素含量，不確定度12%。

地面γ能譜測(cè)量受植被、淺表放射性元素富集以及放射性統(tǒng)計(jì)漲落誤差等因素的影響，古遺跡的放射性能譜的微異常[5]，較難發(fā)現(xiàn)，須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、修正以消除干擾。我們采用了低通濾波法消除局部隨機(jī)干擾，主要為熵平均法[6]，其能對(duì)局部突變點(diǎn)有較好的抑制作用，而對(duì)異常的抑制較少。對(duì)原始數(shù)據(jù)低通濾波后，算出放射性元素含量、成圖。

發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的城墻底部鋪墊石塊作為基礎(chǔ)，其上堆筑較純凈的黃色黏土，底部寬度40–60 m，城墻現(xiàn)存較好的地段高約4 m，城墻兩側(cè)為壕溝。經(jīng)過(guò)數(shù)千年的演變，城墻的黏土已被破壞，上覆褐色土、黃色土、黃褐土、近代土、耕土，壕溝中也填有不同的粘土和粉沙土，對(duì)開(kāi)挖處不同的土質(zhì)進(jìn)行放射性能譜測(cè)量而得的鈾含量、釷含量、鉀含量平均值(分別為QU、QTh、QK)及總道計(jì)數(shù)率(NTc)列于表 1。

表1 城墻內(nèi)外放射性元素含量(樣本數(shù): 20)Table 1 Radionuclide content of the city wall and in soils outside the wall (n=20)

由表1，城墻基石與城外土壤(壕溝)放射性元素含量有明顯差別，一般大于平均值加2–3倍圴方差，只有釷含量相差較小。城墻堆筑土與城外土壤的放射性元素含量也有明顯差異，由此可為確定城墻提供依據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 東城墻

東城墻挖掘地點(diǎn)的鉆探結(jié)果為：石頭地基較高；堆積層的表土層厚約0.4 m，表土下有厚0.1–0.4 m的良渚文化層(褐色土)，包含紅燒土顆粒及少量良渚文化陶片；良渚文化層下為城墻堆筑土，以黃土為主，部分區(qū)域?yàn)榍嗷彝?；底部鋪墊石頭地基，石塊為自然礫石，石頭地基呈東高西低(外高內(nèi)低)；東邊石頭距離地表約 1.4 m，中間的石頭距離地表約 2.5 m；城墻外側(cè)表土以下為良渚文化生活堆積層，顯示出逐漸往外斜向的堆積，有較多的灰燼和陶片，陶片特征同其他地段城墻壕溝堆積所出陶片。

在該挖掘地點(diǎn)北側(cè)進(jìn)行了γ能譜測(cè)量。根據(jù)已開(kāi)挖的城墻，布設(shè)了垂直于城墻方向的測(cè)線(xiàn)若干(圖1b)，測(cè)量土壤中放射性核素計(jì)數(shù)率及總計(jì)數(shù)率值，得到各測(cè)點(diǎn)的放射性元素含量，繪制成等值線(xiàn)圖(圖2)。由圖2，放射性元素含量偏高地段的寬度為40 m右左，方向?yàn)楸蔽飨?，這與開(kāi)挖外所推測(cè)的城墻寬度和方向一致，此異常對(duì)于東城墻的反映清晰，位置準(zhǔn)確，寬度誤差小，原因是此處城墻保存較好，破壞少，城墻較高，基石厚，故城墻與兩側(cè)的護(hù)城壕溝間有明顯的放射性差異。此處的γ能譜測(cè)量能提供地質(zhì)基礎(chǔ)信息，測(cè)量效果較好。

圖2 東城墻放射性能譜測(cè)量含量等值線(xiàn)圖 (a) 總計(jì)數(shù)率，(b) 鈾，(c) 釷，(d) 鉀Fig.2 Contour map of radionuclide contents of the east city wall. (a) total counts, (b) U, (c) Th, (d) K.

2.2 北城墻

2007–2008年在北城墻處開(kāi)挖了TG1和TG2，TG2是北墻中段保存較好的地段，布設(shè)4 m×30 m的南北向探溝1條，發(fā)掘面積120 m2。地層堆積情況如圖3所示，地層共分12層，第12層為外壕溝底部的淤土；第5–11層為城墻使用過(guò)程中形成的生活廢棄堆積，出土陶片與西城墻內(nèi)發(fā)現(xiàn)陶片的年代一致；第4層是城墻毀棄后水浸形成的自然沉積層；第3層是自然淤積層形成之后漢代人的活動(dòng)層，留有少量漢代陶片。

圖3 北城墻東壁剖面圖1) 青灰色土；2) 深灰色土；3) 灰褐色塊土；4) 黃褐色粉沙土; 5) 黃褐雜色土；6) 深灰褐色土；7) 黃褐色土；8) 深灰褐色土；9) 深褐色土；10) 黑褐色土；11) 深黑色細(xì)泥Fig.3 Excavation profile in the east part of the north city wall.1) greenish grey soil; 2) Oxford soil; 3) Dust-color soil blocks; 4) Drab sand soil; 5) Yellowish brown soil; 6) Dark dust-color soil;7) Drab soil; 8) Deep dust soil; 9) Chocolate soil; 10) Black brown soil; 11) Aterrimus fine mud.

在TG2的西側(cè)布設(shè)了4條測(cè)線(xiàn)進(jìn)行 γ能譜測(cè)量，測(cè)線(xiàn)方向垂直于古城墻走向，即為南北向。測(cè)量結(jié)果(圖4)表明，在測(cè)線(xiàn)的中部、南側(cè)各有一異常區(qū)。根據(jù)測(cè)線(xiàn)的布設(shè)可知，中部異常系道路造成，其寬度與道路寬度相符，南側(cè)異常的寬度約為 60 m，方向?yàn)闁|西展布，這與TG2開(kāi)挖所見(jiàn)的基石寬度相近，方向一致，可見(jiàn)γ能譜測(cè)量對(duì)城墻有異常反映，表現(xiàn)為城墻上放射性元素含量高，其中40K含量與總計(jì)數(shù)率異常反映最為明顯，Th含量的異常次之，鈾含量異常則較亂，可能其受地面的局部隨機(jī)干擾影響較大。

2.3 西城墻

由考古挖掘可知，此段城墻的堆土被后世搬運(yùn)去修筑東苕溪大堤，早已夷平為稻田，大多數(shù)地段在0.2 m厚的耕土層下即見(jiàn)到黃土和石頭。城墻內(nèi)外均有壕溝，外壕的坡上鋪墊石頭護(hù)坡。內(nèi)、外壕溝的邊緣均有良渚文化堆積。在該段布設(shè)了11條測(cè)線(xiàn)，橫跨城墻，P1和P2剖面布設(shè)在開(kāi)挖的城墻上，P80、P90、P95、P100、P105、P120在開(kāi)挖的北側(cè)，P3、P30、P60在開(kāi)挖的南側(cè)。

P1剖面(圖5a)的測(cè)量在城墻的基石上進(jìn)行，由放射性元素含量剖面曲線(xiàn)，城墻有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即城墻上較城墻外土壤上放射性元素含量高，而基石的放射性元素含量與壕溝填土放射性元素含量有所差異。P2剖面(圖5b)的測(cè)量在城墻的黃土層上進(jìn)行，從測(cè)量剖面可見(jiàn)，放射性元素含量高值的寬度大于實(shí)際城墻的寬度，含量高值區(qū)右邊界分界較清楚，含量高值區(qū)左邊界比開(kāi)挖處的基石邊界要寬。

圖4 北城墻放射性能譜測(cè)量含量等值線(xiàn)圖 (a)鈾 (b)釷 (c)鉀 (d)總計(jì)數(shù)率Fig.4 Contour map of radionuclide contents of the north city wall. (a) U, (b) Th, (c) K, (d) total counts.

對(duì)開(kāi)挖兩側(cè)的測(cè)量進(jìn)行了熵平均處理，繪制了平面等值線(xiàn)圖 6，從北側(cè)的平面等值線(xiàn)圖可見(jiàn)，城墻右側(cè)邊界與放射性元素含量相對(duì)高值邊界有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，左側(cè)邊界對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯，放射性元素含量相對(duì)高值邊界較實(shí)際邊界要寬，與 P2剖面的情況相對(duì)應(yīng)。原因是此處城墻后期破壞嚴(yán)重，城墻堆土已被搬運(yùn)走，基石出露淺(0.2 m)，受后期洪水或流水作用，使基石發(fā)生了改變或被沖走，基石并非連續(xù)，有一道道的沖溝，方向北西向，這與放射性元素含量分布的展布方向一致。由圖6，在P3測(cè)線(xiàn)處放射性元素含量高值有明顯的邊界，其寬度與城墻寬度相近，展布方向?yàn)楸睎|向，但P60和P30剖面異常不明顯，這是因?yàn)閷㈤_(kāi)挖土堆積在表層造成了測(cè)量的均一化，元素含量差異不明顯。

3 結(jié)論

在良渚已知古城墻位置進(jìn)行的地面 γ能譜測(cè)量，對(duì)于古城墻探測(cè)取得一定效果：

(1) 地面 γ能譜測(cè)量對(duì)于良渚古城墻的探測(cè)具有測(cè)量前提，城墻的基石和填土與天然溝濠處填埋的土壤放射性元素含量有明顯差異，古城墻表現(xiàn)為相對(duì)高放射性元素含量。

(2) 放射性元素相對(duì)高含量與城墻的展布有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其是東城墻，放射性元素含量變化明顯，邊界清晰，放射性元素含量相對(duì)高值的寬度與城墻寬度吻合好。

(3) 不同位置城墻上放射性元素含量值大體相近，但由于不同的地質(zhì)背景，保存條件不同，含量大小有所差異，城墻保存越完整效果越好，含量變化對(duì)城墻的識(shí)別越明顯。

圖5 已開(kāi)挖西城墻的基石(a)和城墻(b)的放射性元素含量剖面圖Fig.5 Radionuclide content profiling of the excavated west city wall. (a) the wall foundation, (b) the wall.

圖6 西城墻放射性元素含量等值線(xiàn)圖 (a) 鈾 (b) 總計(jì)數(shù)率 (c) 釷 (d) 鉀Fig.6 Contour map of radionuclide content of the west city wall. (a) U, (b) total counts, (c) Th, (d) K

致謝數(shù)據(jù)采集過(guò)程中得到了浙江大學(xué)地球科學(xué)系林金鑫，趙文軻，黃凱等研究生的大力協(xié)助，浙江省文物考古研究所的劉斌研究員給予了現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，在此表示感謝！

1 劉 斌. 考古, 2008, (7): 3–10 LIU Bin. Archaeology, 2008, (7): 3–10

2 張寅生. 物探與化探, 1999, 23(2): 138–145 ZHANG Yinsheng. Geophysical & Geochem Ical Exploration, 1999, 23(2): 138–145

3 沈鴻雁, 袁炳強(qiáng), 肖忠祥, 等. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2008,23(4): 1291–1298 SHEN Hongyan, YUAN Bingqiang, XIAO Zhongxiang,et al. Progress in Geoph Ysics, 2008, 23(4): 1291–1298

4 楊宏智, 呂小紅. 華北地震科學(xué), 2008, 26(3): 57–59 YANG Hongzhi, Lü Xiaohong. North China Earthquake Sciences, 2008, 26(3): 57–59

5 吳其斌, 王 超. 國(guó)外地質(zhì)勘探技術(shù), 1997, 1: 1–5 WU Qibin, WANG Chao. Foreign Geology and Exploration Technology, 1997, 1: 1–5

6 吳慧山主編. 核技術(shù)勘查. 北京: 原子能出版社, 1998 WU Huishan. Exploration of nuclear technology. Beijing:Atomic Energy Publishing House, 1998