史朝洋，高維強(qiáng)，張利明，張林，馮旭亮，何滔，鄭有偉

(1.陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068；2.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

唐昭陵是太宗李世民和文德皇后長孫氏的合葬陵，位于陜西省禮泉縣東北約22.5 km的九嵕山上，是唐代帝王以山為陵的首例，且因太宗制《九嵕山卜陵詔》，號(hào)召功臣密戚陪葬，使昭陵形成了一個(gè)規(guī)模龐大且禮制嚴(yán)格的陪葬陵園，其規(guī)模在世界上首屈一指[1]，其形制反映了唐封建帝國嚴(yán)格的禮法制度[2]。

李世民是我國封建社會(huì)杰出的政治家、軍事家，開創(chuàng)了“貞觀之治”，奠定了大唐帝國文明昌盛的基礎(chǔ)。昭陵作為中國規(guī)模最大、陪葬墓最多的帝王陵園，是“貞觀之治”的實(shí)物見證，是了解、研究唐代乃至中國君主立憲制社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、文化難得的文物寶庫；其墓葬禮制在中國歷史長河中具有重要的地位，盜或被盜社會(huì)關(guān)注度極高，但目前昭陵景區(qū)的開發(fā)、旅游熱度與其歷史、文化價(jià)值極不匹配。本次將在韋貴妃墓開展綜合地球物理方法試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地選擇方法技術(shù)開展昭陵地宮精細(xì)探測工作，研究并再現(xiàn)地下遺址景觀，結(jié)合景區(qū)旅游發(fā)展需求開發(fā)特色地學(xué)產(chǎn)品，以助推昭陵文化旅游事業(yè)發(fā)展。

目前已確定的昭陵陪葬墓有200余座，這些墓依構(gòu)建形式可以分為五類：① 因山為墓；② 覆斗型封土墓；③ 山形封土墓；④ 圓錐型封土墓；⑤ 墓而不墳，無封土墓；其所代表的墓主地位和與太宗李世民的關(guān)系親疏依次降低，其中與主陵一樣因山為墓者，只有唐初名臣魏征之墓和太宗后期主掌后宮十余年的韋貴妃之墓，是最高等級(jí)的陪葬墓制，同時(shí)韋貴妃墓也是距離主陵九嵕山最近一座的陪葬墓，屬于九嵕山余脈，距離昭陵僅一溝之隔，見圖1。

圖1 唐昭陵主陵遺址分布

韋貴妃名珪，字澤，京兆杜陵(今陜西長安)人，出身貴族，唐麟德三年(666年)陪葬昭陵冶姑嶺[3]，此嶺上覆黃土，下為礫巖，呈南北走向，梁頂北側(cè)緩坡，南側(cè)坡度較大，東西側(cè)則為陡崖。20世紀(jì)80年代末，韋貴妃墓多次被盜墓者挖開，其封土堆的南側(cè)也多次發(fā)現(xiàn)盜墓痕跡[1]，為保護(hù)該墓文物，禮泉縣昭陵博物館于1990年對(duì)該墓進(jìn)行了搶救性發(fā)掘，是迄今為止發(fā)掘清理的唯一一座唐代“因山為墓”的墓葬，其墓葬形式對(duì)研究唐代王陵具有重要意義，也是本次昭陵地球物理精細(xì)探測工作理想的試驗(yàn)場所。

從韋貴妃墓的考古發(fā)掘過程看，除了進(jìn)入墓室直接發(fā)掘外，常規(guī)文勘手段(即使用洛陽鏟鉆探)在此處非常受限：韋貴妃墓實(shí)際埋深超過10 m，地宮開鑿于奧陶系唐王陵組礫巖、含礫頁巖山體中，洛陽鏟無法進(jìn)行全面探測；2006年陜西省考古研究院和禮泉縣昭陵博物館在勘測和鉆探工作中發(fā)現(xiàn)，墓室上方地表只有約1 m厚的夯土層，或出于防盜考慮，或?yàn)殚_挖后封填便利，其下便是夾雜巖塊的土層，常規(guī)鉆探工作只能到此為止。地球物理勘探是利用物理學(xué)的基本原理和參數(shù)，探測地下不均勻體的方法[4]。多年來，在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查等方面應(yīng)用甚廣，在工程勘察方面也取得非常多的成果，同樣，地球物理探測方法也適用于文物勘察，地下文物遺存由于人工挖掘、修建、埋藏，破壞了原始地層的結(jié)構(gòu)，與周圍土層或巖石存產(chǎn)生了物理性質(zhì)差異，成為地下的局部不均勻體[5-7]。但是，相較傳統(tǒng)的地質(zhì)問題，地下文物遺址在規(guī)模、分布范圍上往往比地質(zhì)體、構(gòu)造等空間規(guī)模小的多，而且文物勘測的對(duì)于分辨率和精度要求較地質(zhì)問題更高，因此對(duì)于地球物理考古工作，既有其可行性，又具有非常大的挑戰(zhàn)性[8-9]。

本次在韋貴妃墓開展的綜合地球物理探測工作旨在通過對(duì)已經(jīng)清楚結(jié)構(gòu)的墓室及甬道進(jìn)行探測，驗(yàn)證各方法的有效性，為下一步探測昭陵地宮提供技術(shù)積累。由于昭陵“因山為陵”的特殊性質(zhì)，以往在秦始皇陵和漢武帝茂陵開展的地球物理考古工作雖然提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)和資料[10-13]，但仍和昭陵的現(xiàn)實(shí)存在巨大的差異，利用在已經(jīng)發(fā)掘完成的韋貴妃墓上開展試驗(yàn)性探測工作，總結(jié)技術(shù)方法，從而為下一步探測昭陵玄宮提供積累。

1 工作方法

1.1 韋貴妃墓形制及工作布置

韋貴妃墓鑿山為陵，地宮由墓道、過洞、天井、前甬道、前墓室、后甬道和主墓室組成，見圖2，甬道和墓室地面、墻壁和頂壁均由條磚壘砌，墻壁和頂壁涂抹白灰并繪有壁畫，壁龕中有陶俑等陪葬文物。

圖2 韋貴妃墓形制與結(jié)構(gòu)

韋貴妃墓所處山梁近南北走向，東西跨度較窄(約80 m)，地宮南北向構(gòu)建，平面長約46 m，墓道寬約2 m、甬道寬約1.6 m，主墓室約4.7 m×4.6 m，墓室為穹窿頂，最高處達(dá)5.12 m，墓室地面距離地表約15 m?；靥畹貙m由下至上形成含礫雜填土和薄夯土層[1]。

依據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局2002年在秦始皇陵[10-12]、2018年在漢武帝茂陵探測投入的地球物理考古探測技術(shù)手段和取得的成功經(jīng)驗(yàn)[13]，結(jié)合韋貴妃墓地宮的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)、規(guī)模及其埋深，選擇地面高精度重磁與土壤測氡技術(shù)手段用于圈定地宮的平面范圍，選擇高密度電法測量與地質(zhì)雷達(dá)用于探測地宮的縱向結(jié)構(gòu)。

由于韋貴妃墓SN向展布，本次綜合剖面穿過地宮頂部EW向或斜交布置。在主墓室和后甬道頂部分別布置了兩條綜合剖面ZP10和ZP20，開展重、磁、地質(zhì)雷達(dá)和氡氣測量工作；受地形限制，高密度電法剖面GMD10與主墓室斜交，方向130°，剖面中心位于主墓室上方，以期探測墓室完整結(jié)構(gòu)，工作布置見圖3。

圖3 綜合地球物理勘探工作布置

1.2 地面高精度重磁測量

從地球物理探測的角度看，發(fā)掘后的韋貴妃墓地宮為一個(gè)埋藏于礫巖中的規(guī)則空洞，內(nèi)有條磚卷砌的內(nèi)壁，上覆有含礫石的雜填土和厚約1 m的夯土層，反映在地表即可形成低重和高磁異常[14]。本次工作使用加拿大SCINTREX公司CG-5型重力儀和美國玻璃球公司EREV-1型質(zhì)子磁力儀，完成重磁ZP10剖面17 m，點(diǎn)距0.5～2 m不等，測點(diǎn)22個(gè)，重磁ZP20剖面14 m，點(diǎn)距0.5～2 m，測點(diǎn)17個(gè)。

1.3 高密度電阻率法

高密度電阻率法是常規(guī)電阻率法在自動(dòng)化采集上的一大進(jìn)步，具有工作效率高、數(shù)據(jù)量大和成果直觀等優(yōu)勢。韋貴妃墓地宮雖然規(guī)模不大，但是其內(nèi)部為空洞，與基巖、回填土存在顯著的電性差異，為高密度電法探測提供了良好的物性基礎(chǔ)[15-16]，本次高密度電法工作使用重慶地質(zhì)儀器廠DZD-6A型高密度電法儀，120道采集，道間距1 m，采用溫施裝置。

1.4 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)探測是近年來迅速發(fā)展的工程物探方法，儀器向地下發(fā)射高頻脈沖電磁波，通過反射波攜帶的地下地質(zhì)信息進(jìn)行地下空間成像，相較傳統(tǒng)物探手段，具有無損探測和分辨率高等獨(dú)有優(yōu)勢[17-18]。韋貴妃墓主墓室與上部的回填土層是一個(gè)理想的電磁波反射界面，地面與墓室也是一個(gè)反射界面，這為本次地質(zhì)雷達(dá)探測提供了探測基礎(chǔ)。

本次工作使用加拿大鳳凰公司的pulse EKKO PRO地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)在ZP10剖面完成探測，測線長度25 m，使用50 MHz主頻天線，0.2 m點(diǎn)距。

1.5 氡氣測量

氡及子體測量是常用于尋找斷裂構(gòu)造和地下熱水[19]，在考古工作中可用于墓室的完整性探測，考察是否存在人為擾動(dòng)[10],一般墓室可成為氡及子體的富集空間，其上部的人為擾動(dòng)封土或裂隙可形成運(yùn)移上升通道，可在墓室頂部附近形成氡氣濃度正異常，從而間接指示墓室位置。

本次土壤氡濃度測量技術(shù)采用的儀器為石家莊核工業(yè)航測遙感中心研發(fā)的HDC型高靈敏度環(huán)境測氡儀，取氣深度為40～60 cm,采樣和測量時(shí)間均為2 min；采樣點(diǎn)距為0.5～2 m,其中ZP10剖面完成測點(diǎn)18個(gè)，長度35 m；ZP20剖面完成測點(diǎn)29個(gè)，長度24 m。

2 探測成果分析

2.1 地面高精度重磁測量結(jié)果分析

穿過主墓室頂部和后甬道頂部完成了兩條重磁剖面ZP10和ZP20，其中觀測重力異常使用1∶1000無人激光雷達(dá)測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維地形影響校正，計(jì)算出了布格重力異常；磁測異常為進(jìn)行各項(xiàng)改正后的總場異常。從圖4可以看出，兩條剖面中段皆呈現(xiàn)明顯的重力低磁力高組合異常，且異常強(qiáng)度高；由于地宮規(guī)模較小，為了研究與地宮有關(guān)的弱異常，采用平均場法求取了“西低東高的”磁異常斜背景，獲得了剩余磁異常；對(duì)于布格重力異常減去剖面西側(cè)背景區(qū)變化穩(wěn)定幅值約為0.35×10-5m/s2的常數(shù)，獲得了剩余重力異常，見圖5。

圖4 重磁實(shí)測異常曲線

圖5 重磁異常推斷解釋

本次對(duì)地宮地表附近風(fēng)積黃土、夯土、雜填土和地宮內(nèi)部條磚進(jìn)行了磁化率測量，風(fēng)積黃土的磁化率在150×10-5SI左右，夯土的磁化率為(150～550)×10-5SI，雜填土磁化率略低于夯土，而唐王組礫巖基本無磁性，低于10×10-5SI；地宮卷拱的條磚磁性變化大，表現(xiàn)為強(qiáng)磁性，但其規(guī)模小，埋深大，對(duì)地表磁異常的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)。在借鑒秦皇陵物性資料的基礎(chǔ)上，在韋貴妃墓頂部采用大樣法測量了3個(gè)夯土標(biāo)本，密度均值為1.4 g/cm3,唐王陵組礫巖工作區(qū)采集了近200塊，統(tǒng)計(jì)均值為2.75 g/cm3,而雜填土未出露地表只在地宮甬道頂部盜洞中可見，沒能測量其密度值。從以上物性資料可以看出，風(fēng)積黃土、夯土和雜填土相對(duì)大范圍分布的基巖表現(xiàn)為強(qiáng)磁、低密度特征。

基于上述物性資料，結(jié)合文物部門考古勘探資料和地宮形制實(shí)地調(diào)查結(jié)果，定性認(rèn)為如此強(qiáng)度的重磁剩余異常具有“同源性”，與大規(guī)模的風(fēng)積黃土、夯土和雜填土關(guān)系密切。利用RGIS軟件進(jìn)行了2.5D重磁聯(lián)合正反演擬合，見圖5，把ZP10地下劃分為三層工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分別為：風(fēng)積黃土、夯土層，雜填土層和唐王陵組礫巖，這三層工程地質(zhì)層正演的重、磁異常強(qiáng)度與曲線異常強(qiáng)度基本吻合，只是由于剖面長度有限，兩側(cè)背景區(qū)擬合程度誤差較大。地宮本身引起的重磁異常低于測量精度，可忽略不計(jì)。經(jīng)過后甬道的ZP20剖面剩余重力異常極值與ZP10基本相當(dāng)，但磁異常極值明顯減小為29 nT,與夯土層的不均勻分布有關(guān)。

2.2 土壤測氡結(jié)果分析

兩條土壤測氡剖面與重磁剖面重合，從圖6和圖7可以看出，土壤氡濃度背景較低，在1 000 Bq/cm3左右,兩條剖面反映的墓室或后甬道頂部并沒有出現(xiàn)異常，說明地宮結(jié)構(gòu)是完整的。ZP10剖面的異常極值點(diǎn)分別出現(xiàn)在56點(diǎn)和84點(diǎn)，幅值分別為5 200 Bq/cm3和2 933 Bq/cm3；ZP20剖面的異常極值點(diǎn)分別出現(xiàn)在56點(diǎn)和86點(diǎn)，與ZP10基本南北對(duì)應(yīng)，幅值分別為7 200 Bq/cm3和2 600 Bq/cm3。

圖6 ZP10土壤氡濃度曲線

圖7 ZP20土壤氡濃度曲線

從圖5可以看出異常極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)地宮東西兩側(cè)的開挖邊界，也就說明了地宮頂部的封土和唐王組礫巖的接觸面為氡氣上移的通道，在地表有夯土覆蓋，儲(chǔ)氣條件好，進(jìn)而形成了明顯的氡濃度異常。需要說明的是，兩條剖面西側(cè)異常極值大于東側(cè)，這與54～56點(diǎn)之間為現(xiàn)代通行小路有關(guān)，地表黃土固結(jié)程度高，儲(chǔ)氣條件相對(duì)好。

2.3 高密度電阻率法結(jié)果分析

由于地形限制，高密度剖面GMD10與墓室斜交，但剖面中心大致經(jīng)過主墓室中心，剖面長度120 m也保證了可以完整探測到墓室底部(深約15 m)，電阻率反演結(jié)果如圖8所示。

圖8 GMD10電阻率反演斷面解釋推斷

主墓室地面海拔約982 m，由于剖面與墓室斜交，墓室在剖面上的投影寬度約7～8 m；上述墓室空間位置在GMD10剖面上對(duì)應(yīng)電阻率斷面圖中段高阻中心，電阻率幅值大于16×103Ω·m，且該異常中心位置與墓室空間位置吻合度高，可見高密度電法對(duì)主墓室結(jié)構(gòu)反映明顯。另據(jù)韋貴妃墓考古發(fā)掘與勘探資料，墓室上方夯土層厚約1 m，其下開始出現(xiàn)礫石，且礫石與墓室內(nèi)基巖巖性相同，極有可能為開鑿墓室的礫石與素填土混合后回填形成(韋貴妃墓墓室、天井等結(jié)構(gòu)均為從地面開挖后再回填的修建方式)，因此，墓室頂部表層存在電阻率較小的夯土層，雖然較薄，但是其電阻率較含礫雜填土小的多，從而導(dǎo)致地表0～5 m電阻率偏小，其下隨著雜填土中礫石越來越多，電阻率逐步增大。這些事實(shí)與高密度電阻率斷面顯示的信息相符。

2.4 地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果分析

ZP10地質(zhì)雷達(dá)剖面與墓道垂直，剖面中段高兩側(cè)低，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加與地形校正后，獲得雷達(dá)剖面見圖9，并提取瞬時(shí)振幅屬性信息，見圖10。

從圖9可以看到，在測線中部水平位置12.5～17.4 m，海拔982～987 m區(qū)域，可見明顯的強(qiáng)反射同相軸，有多次反射現(xiàn)象，且存在微弱繞射特征，其位置正對(duì)應(yīng)墓室范圍，可見雷達(dá)已明顯探測到墓室結(jié)構(gòu)。沿墓室東西兩壁向地表追蹤，將各同相軸上的強(qiáng)振幅點(diǎn)、錯(cuò)段點(diǎn)連接起來，形成一個(gè)近似“水桶狀”的異常區(qū)，即水平位置12～18 m，海拔988～994 m范圍，該區(qū)域內(nèi)反射同相軸振幅較兩側(cè)弱，可以推測此處即為封填墓室的雜填土，其中包含礫石，造成散射，疊加振幅減弱；在向地表靠近，水平12～18 m，海拔994～996 m之間，反射同相軸又明顯增強(qiáng)，但頻率降低，結(jié)合地面鉆探可知，此處即為地表夯土層，土質(zhì)致密緊實(shí)，與周圍素填土不同。

圖9 ZP10剖面地質(zhì)雷達(dá)解釋推斷

在瞬時(shí)振幅屬性剖面(圖10)上，水平方向 12.2m、17.5 m處，海拔982～985 m之間，瞬時(shí)振幅屬性相較周圍明顯增強(qiáng)，形成2段垂直的強(qiáng)能量線，推測其為主墓室的西、東兩側(cè)墻壁的反映；在兩段強(qiáng)能量線之間還形成一個(gè)低能區(qū)域，規(guī)則如矩形，結(jié)合墓室為空洞的實(shí)際，推斷電磁波在此處自由轉(zhuǎn)播，不會(huì)形成強(qiáng)反射振幅造成；再向上，海拔985～989 m區(qū)間，瞬時(shí)振幅明顯增強(qiáng)，此處對(duì)應(yīng)墓室穹窿頂，在穹窿界面電磁波極易反射、繞射，造成瞬時(shí)振幅增大。

圖10 ZP10剖面地質(zhì)雷達(dá)瞬時(shí)振幅解釋推斷

3 結(jié)論與討論

綜合在韋貴妃墓開展的地面高精度重磁測量、土壤氡氣測量、高密度電法和探地雷達(dá)成果，可以有效地探測出地下墓室的位置和結(jié)構(gòu)，但是各種方法各具特點(diǎn)，總結(jié)如下：

1)韋貴妃墓地宮規(guī)模小，有一定埋深，引起的重磁異常非常弱，利用重磁方法直接探測地宮的結(jié)構(gòu)顯然是欠妥的，但是其能分辨修建韋貴妃墓回填的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以粗略地圈定地宮平面范圍。由于昭陵地宮的墓室埋深達(dá)50 m以上，規(guī)模有限，通過正反演計(jì)算，其引起的重磁異常接近0；但是地宮墓道依山鑿石而入，已回填，地表遺跡難覓，在墓道口開展重磁測量可取得幾個(gè)納特和幾十微伽的剩余重磁異常。

2)通過分析測氡工作的土壤濃度異常極值，可以確定出地宮的開挖邊界，進(jìn)而可間接且粗略地確定出地宮的邊界，但是這種方法受季風(fēng)、降雨、地形和地表黃土覆蓋條件影響大，觀測值極不穩(wěn)定，對(duì)操作員的綜合素質(zhì)和施工周期要求嚴(yán)格，另外對(duì)于唐代“因山為陵”的帝陵，地表黃土覆蓋厚度和范圍有限，施工前提條件一般不具備，難以在這些帝陵考古工作中推廣。

3)高密度電法本次探測中取得了比較明顯的效果，由于韋貴妃墓已經(jīng)發(fā)掘清理，墓室完整無垮塌，內(nèi)部也較為干燥，所以高阻特征明顯。假設(shè)若在墓室處于未發(fā)掘清理的情況下，墓室內(nèi)部可能存在積土甚至垮塌(韋貴妃墓發(fā)掘報(bào)告顯示，在墓室清理之前，由于盜墓等活動(dòng)騷擾，墓室內(nèi)堆積的黃土、碎石厚度達(dá)到了2 m)，那么高阻特征就不會(huì)如此明顯；更進(jìn)一步假設(shè)，如果墓室充水，相較于九嵕山一帶高阻礫巖背景，墓室甚至?xí)蔀橐粋€(gè)相對(duì)低阻體，這些情況在以后的勘探中，必須予以考慮分析。

4)本次探地雷達(dá)工作探測到了韋貴妃墓亞米級(jí)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，是所有探測方法中精度最高的，而且，探地雷達(dá)的野外工作效率和成果處理速度也是非常高的，再加上其無損探測的特點(diǎn)，可以認(rèn)為其是目前較為理想的一種地球物理考古探測方法，但是，考慮到韋貴妃墓只是昭陵的一座陪葬墓，其埋深已經(jīng)達(dá)到了10 m以上，若探測更大規(guī)模的帝王陵，比如昭陵玄宮，其探測深度估計(jì)難以達(dá)到，因此在布設(shè)雷達(dá)工作時(shí)，探測深度是最先需要考慮的問題。

5)唐十八陵中有十四座是“因山為陵”的形式，地宮開鑿于渭北奧陶紀(jì)礫巖或灰?guī)r中，墓道有條石封堵或被盜后用碎石(土)回填，與韋貴妃墓的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)雖有一定差異，但是本次試驗(yàn)性探測工作仍有一定的借鑒意義。展望這些帝陵的地球物理考古探測工作，應(yīng)首先開展面積性重磁測量工作，識(shí)別墓道口引起的弱異常；再依據(jù)這些弱異常，開展地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法縱向探測工作，識(shí)別墓道口引起的電(磁)場特征，圈定空間位置，進(jìn)而向兩側(cè)去追索墓道延伸情況或地宮墓室的空間位置、結(jié)構(gòu)等。