地磁学在考古研究中的应用

中国地质大学（武汉）《地磁学》课程论文报告地磁学在考古研究中的应用姓名：彭中学号：20131004402院（系）：李四光学院专业：地球物理任课教师：李媛媛评阅人：二○一六年一月地磁学在考古研究中的应用彭中中国地质大学李四光学院摘要随着高灵敏度的磁力仪的问世，利用文物和遗迹记录的当时的古地磁场信息，用来寻找古代文物和磁场特征之间的关系，成为考古研究的一个新手段和新方法。通过对剩余磁性的观测，可以很好的反映文物的各种性质，包括空间特性和时间特性。多年的实践证明，利用地磁学方法来进行考古研究，是一种简单经济而又很有效的手段。关键词考古，剩磁，古地磁，文物AnapplicationofgeomagnetisminthearcheologicalresearchPENGZhongLisiguangShool，TheGeoscienceofChina，Wuhan.Abstractwiththeinventionofhigh-sensitivitymagnetometer，observingtheinformationofpaleomagnetisminthehistoricalrelicsandseekingtheinteractionofpaleomagnetismandhistoricalrelicshavebecameanewmethodforthearcheologicalresearch.Byobservingthevalueofpaleomagnetism，thepropertyofhistoricalrelics，includingtimefeatureandspacefeature，canbepresented.Many-yearspracticinghasprovedthatresearchingacheologybythemagnetismtechnologywaseasyandeconomical.Keywordsarcheological，residualmagnetism，paleomagnetic，historicalrelic1引言考古学是社会科学的一类，是根据古代人类通过各种活动遗留下来的物质资料，以研究人类古代社会的历史，过去考古学主要通过田野的调查发掘和文献对照等工作来进行研究，但随着科学技术的发展，特别是科学仪器的发展，传统的考古学也正在吸收现代科学技术的精华，转化为现代化的实验考古科学。考古学和地磁学技术的结合，形成一门新兴的交叉学科——考古磁学[1]。目前国内外已经开展了大量的考古地磁的研究和应用，取得了不少的成果，表明地磁学的理论和技术在考古学中有很大的发展潜力。国内现在主要应用与考古前期的普查阶段，而国外则多用于研究古地磁与考古断代和文物鉴定方面。2磁学机制（1）史前的古遗存，包括墓葬、古建筑等，或古人类化石及其所在地层的磁性、磁化率和剩余磁场强度等和周围的环境都存在不小的差异，这种差异保留了当时的磁性信息，构成了考古地磁学的物理基础。通过观测这些磁性差异，人们可以获得关于这些对象的时间和空间的特性，从而获得考古信息。这些磁性的获得是通过不同的方式，有火的烧烤、人类活动、有机质腐蚀和化学反应等[4]。①热剩余磁性：古代的窑、炉、灶等遗存和砖、瓦、陶器、瓷器等文物，其原材料(粘土)中含有简单盐类、氧化物类和次生铝硅酸盐类等矿物。在烘烧过程中，由于热运动和地磁场的作用，使这类遗存和文物获得了在外加磁场方向的磁化强度即热剩余磁性(也称温差顽磁性)，因而该样品将通过热剩磁记录下磁场的强度和方向；②化学剩余磁性：古代的藏物窖、窟以及一些含有腐殖质土层的遗址，长期处于封闭环境中，随着温度和压力的变化产生氧化还原作用，使其中的铁氧化物转换生成新的磁性物质，如Fe2O3氧化还原为Fe3O4等，致使这类古代遗存中磁性物质生成，获得了以化学剩磁为主的磁性。③压力剩余磁性：地下古建筑夯土基础以及后来埋人地下的古代夯土建筑，在其营造过程中，土质材料受到压力作用，磁化率出现增大的趋势，加之夯土中又掺入了一些陶片和瓷片等磁性物质，使得这类古代遗迹与周围环境存在较大的磁性差异。表1列出了几种常见考古材料的磁性参数。（2）数百年的直接观测表明，地球磁场的方向和强度是处在不断变化当中的，不仅在时间上有差异，在空间上也有很大的不同；大量的古地磁场研究结果表明，地磁场在其存在的漫长历史过程中所遵循的演化规律远比近数百年的观测记录所显示的要复杂的多；例如，无论是在极性稳定时期还是极性倒转过程中，地球磁场的方向和强度都经受着周期为数十甚至数千年的长期变化。因此，地球磁场的方向和强度与时间都是有对应关系的。3.考古地磁学的应用方向3.1.空间考古3.1.1.空间考古的特点空间考古是利用高精度磁测和磁性调查法，寻找底下遗存的维空间分布状态，如寻找地下墓葬，地下古城池等。考古对象的规模大小不一，小的有几厘米到几米，大的有几十上千米，且形态不确定，埋葬一般在几米范围内；考古对象与其周围环境虽然有一定的磁性差异，但往往强度较弱，且受到背景磁场的严重干扰，所以，考古对象所产生的磁异常，其特点是范围小、强度低、梯度变化大、形态多样，有时干扰严重。因而在考古调查中的磁力勘探必须采用高灵敏度的质子磁力仪或光泵磁力仪，并辅以其他物探手段(如重力探测和探地雷达)等。勘查中测网的比例尺一般为1:100~1:200[4]，测量的值包括磁异常总强度及其垂直梯度变化，磁探头高度可以从0.1m到1m范围内变动。磁测工作的速度很快，每天可测量1200~2400点/每台仪器。通常需使用两台以上的仪器，其中一台负责记录测区附近地磁场随时间的变化，以消除地磁场的各种变化引起的误差，便于校正。表1考古标本的磁性参数（张寅生[6]，1999）3.1.2.空间考古的实例（1）秦始皇陪葬陵墓的地磁场特征[5]图1：秦始皇陵陪葬墓坑磁力异常曲线（袁炳强，2015）Fig.1秦始皇帝陵区陪葬墓规模大小不一，大者长、宽约30ｍ，底部深16ｍ左右；小者长、宽一般小于10ｍ，底部深10ｍ。墓坑顶面埋深一般1～2ｍ左右，墓穴经过开挖，改变了原有的土层结构，再加之后期坍塌，墓穴内基本为花土充满。高精度磁力测量试验结果表明，不同规模的陪葬墓上都有10~20nT的弱磁异常。图1a和图1b分别为SN、EW向穿过陵区内一大陪葬墓坑布设的磁力测量剖面，大墓位于地形平坦处，周围环境干扰弱，由主墓坑和南北两条斜坡道组成，墓坑主体东西向宽26ｍ，南北向长29ｍ，坑顶埋深1ｍ，底埋深17ｍ．坑顶上部为约1ｍ厚的生土，下部为约16ｍ厚的花土。从图中可以清晰地看出，在SN向、EW向剖面上与墓坑主体对应地段有幅值约20nT左右的磁异常，类似于有效磁化强度垂直向下的均匀磁化的球体产生的异常，且墓坑的边界反映比较清楚。另外，可能是由于南北向斜坡道的存在，在南北向剖面上异常形态比较宽缓，但南北的斜坡道对应的磁异常并不是堆成的。（2）古炼炉遗址磁探[6]图2：古炼炉遗址的磁探异常等值平面图a——ΔT等值平面；b——ΔT垂向梯度等值平面商周时期，我国冶金术高度发展。冶铜炼炉温度可高达1200℃以上，并反复经历了高温—冷却—高温的热磁化过程；因此古炼炉遗址附近存在着较强的磁场异常。张寅生曾经做过冶铜炼炉的磁探模拟实验，结果表明，炼炉中心及其附近的工作台在地面上会产生较强的负值异常，且该异常呈圆形或椭圆状，炼炉中心和工作台则位于圆心附近的地下，这一模拟结果与正演中的球体的平面异常较为相似。皖南古铜矿冶炼遗址是我国东南地区发现的唯一古代大型冶矿遗址，图2a是该遗址探测高度为1m的实测ΔT平面，从图中可以看出，该地区磁场变化较大，背景场值高，估计是由于遗址内存在大量的高剩磁的炼渣和围土，同时可以清晰得看到有四个ΔT负值异常中心，其中G1和G2异常值相对更大。当探测高度为1.5m时，两个强度较小的异常消失，而在G1，G2异常周围形成两个范围较大的闭合圈。将图2向上延拓2m，负异常区消失。ΔT负值异常的垂向梯度达100nT/m，说明其为浅源异常体由此认为，G1和G2为两个炼炉中心，剩余两个异常中心为工作台的位置。考古发掘证实了这一磁探结果。3.2.时间考古3.2.1.时间考古的特征时间考古，也称为考古磁学断代，主要是利用古地磁场的强度和方向特征，陶、瓷器具加热后在外磁场中冷却时会保留当时磁场的强度和方向性质，因此，既可以用已知年代样品的TRM(热剩磁)数据，可以找出过去地磁方向和强度随年代的变化规律从而反推过去该地区古地磁情，同时又可以依据获得的年代样品磁性数据来推测生产该样品的时间，但事先要知道校正曲线，即各个年代的地磁特性。要想时间考古取得较好的效果，重要的一点是确保样品的原始状态没有变动过。考古磁学断代有两种形式，一个是地磁方向断代，另一个是地磁强度断代，都需要有当地的磁场校正曲线。磁场强度断代的优点是样品容易获得，无需考虑样品的位置，但各个时期磁场的变化强度是不同的，当某一个时间段内磁场变化很小时，该时期内的样品基本不可能通过磁场强度来断代。3.2.2.时间考古的方法开展考古地磁研究，首先是从已经确定年代的窑、灶、烧土的水平面上采集定向标本，然后在实验室测量其热剩余磁化强度分量X、Y、Z值，再换算成当时的地磁场偏角和倾角，最后利用THELILER逐步热退磁方法，即可求出地磁场总强度值。在各种标本当中，古砖和陶瓷是最容易获得准确数据的；古砖，由于烧制时，总是沿长边竖放，可求出倾角和总强度数据；瓦片、陶片、移动过的烧土也可以求出烧制年代的总强度值。由于需要大量精确的古地磁场信息，因此采集的样品数量越多，其时间跨度越长，空间分布越广，则对古地磁场的模拟就越逼真。目前，世界上进行考古地磁研究的国家很多，如法国、英国、澳大利亚、苏联、捷克斯洛伐克、保加利亚、日本、印度等。为加快古地磁数据的完善，考古磁学界正试图建立一个全球性的数据库。此前，lign和Dobson(1995)建立了一个基于计算机的不列颠考古磁学数据库；Liritzis和Lagios(1993)宣布编辑成功了一个古地磁强度数据库；Tanaka和Kono(1994)描述了IAGA（国际地磁学和高层大气物理学学会）倡议的古地磁强度数据库的进展，该数据库现由ePrrin管理；还有一个基于关系数据库原理的北美磁学考古数据库[7]，该数据库收录有1875个古地磁方向和151个古地磁场强度的结果。同时，Robert已经在IAGA委员会组织建立了一个全球考古磁学数据库。3.2.3.时间考古的实例（1）Thompson[2]对英国萨里的Hascombe的小山丘堡和Holmbury沟底的淤泥和坑中烧过的岩石进行磁性测量，Holmbury的淤泥磁偏角为9.6W±3.4º，磁倾角为64.8±1.4º，而Hascombe烧过的岩石磁偏角为8.6W±4.6º，磁倾角为65.3±1.9º，对Hascombe淤泥测得的磁偏角为7.9W±7.9º，磁倾角为66.1±3.2º这些样品的数据对应于公元前70世纪到0世纪，这个结果与取自遗址中的硬币的证据一致，这项工作表明，坑中或沟中的淤泥也可以用来对考古遗址的断代研究。（2）Brbeitt[2]对Glozel的刻字书板是古代的还是现代伪造品进行了鉴定，热释光（物体在受辐射作用后积蓄的能量会在加热过程中以光的形成释放出来的一种物理现象，经常用于对古代陶瓷断代）断代给出的年代为公元前350到公元250年之间，而有些人认为它是现代伪造的；Brbeitt对该样品进行了磁性测量，得到的强度值为47±7μT，这个数据与欧洲地区校准曲线进行了比较，结果表明，在公元前1500年到公元1500年之间，该地区剩磁强度不低于60μT，因此该样品不可能来自这个时间间隔，但是47μT在法国是常有的场强，故证实了该样品是现代伪造的，否定了热释光断代的结果。图3：近六千年虚地磁极移动曲线(魏青云.1984)图4：中保近六千年极移曲线(魏青云.1984)（3）魏青云等人[3]对来自陕西、河南、湖北、江西等地的古代窑灶和遗址居住面的夯烧黏土标本进行剩余磁场方向和强度的测量，每个采点