南海一号18万件文物破水而出,水下考古是如何进行的?

作者:殷元宗来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-08-15

泰塔尼克号残骸2030年前后即将消失,希望水下考古技术能快快进步!

18万件出水文物!8月6日国家文物局召开“考古中国”重大项目新进展工作会,公布了一条爆炸性消息,不久前已对著名的“南海Ⅰ号”沉船舱内的货物清理完毕,出水文物达到18万件,而且以重要的铁器、瓷器为主。通过各种影视作品,我们对陆地的考古工作应该有大概的印象。但在广阔的江河湖海中也有大批文化遗存,人们知之甚少的水下考古工作是如何进行的呢?

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2水下考古前期准备:一套衣服、一台相机、一盏灯

考古队内部也是有分工的,总不能一队人马一起游到水下遗迹去吧?水下考古,特别是水域面积比较大的海洋考古工作,考古单位都会给考古队提供地下考古队没有的——考古船。考古队人员以及相应的设备均置于考古船上进行作业。

考古队在水域上有了待的地方,负责潜水探测的队员就要下水了。哦!先不要急着知道它们是用什么方法找水下遗迹的,先了解下水得带些什么东西吧!水下考古的下潜装备简称为“一套衣服、一台相机和一盏灯”。

一套衣服,其实就是潜水员的个人潜水装备,包括潜水服、面镜、脚蹼、水肺、浮力调节装置等。

一台相机,是为水下拍摄做准备的。因为潜水员一旦发现水下遗址,可移动的文物是可以带走的,不可移动的遗迹只能通过照片来研究。不过,一般能满足水下遗迹拍摄的相机都不防水,所以需要给相机定制专门的防水外壳。

一盏灯,指的是给水下遗迹摄影的时候需要打灯光。原因有二:其一,水下环境昏暗;其二,太阳光是复合光,在水中传播的时候,水偏爱其中的红橙二色。所以呀,为了避免水“吞掉”这二色导致照片色彩失真,必须辅助灯光。

万事俱备,开始下水寻找!


2传统水下遗址的确认方法及其风险

水下考古的一般流程分为三步:

其一,利用声呐技术在大范围水域内搜索,圈定可能存在遗址的大致范围,称“大范围搜索阶段”;

其二,潜水员下潜至圈定水域,进行水下遗址的寻找、照片的拍摄,称为“确认阶段”;

其三,考古队联合确认该区域为水下遗址,开始对其进行发掘,称“发掘阶段”。

其中,大范围搜索阶段可借助声呐设备,无需人员亲为;发掘阶段却必须由考古队员亲临现场,而在过去,发掘之前的确认阶段也是需要人员亲临的,给考古队员的安全带来不必要的风险。

总的来说,传统水下遗址确认的方法包括“漂浮线法”和“圆圈法”两类。

漂浮线法:先在水底放一根超级长的绳子,然后每隔一段固定距离,就在绳子上订一个塑料浮标,作为记号。然后,潜水员从绳子的一头开始,沿着绳子寻找,如果在“摸爬”绳子的过程中发现了某处水下遗迹,马上低头看看现在所处的位置是绳子的第几个浮标(或者离哪个浮标近)给其做上记号。

漂浮线法,矩形表示绳子,ABCD四点设置浮标,假设潜水者在C浮标处附近发现有遗迹,则在C浮标处做记号(殷元宗绘制)

漂浮线法,矩形表示绳子,ABCD四点设置浮标,假设潜水者在C浮标处附近发现有遗迹,则在C浮标处做记号(作者绘制)

圆圈法:浮标线法适合光线较好的水域,那么如果大规模搜索后确定的水域光线昏暗,该怎么呢? 这时候就要用到圆圈法了。比如说,考古队在一片海域借助声呐设备确认了4处疑似有水下遗址的水域,如果这时候水下昏暗,就可以用圆圈法对4处水域进行一一排除。我们将其设为A区、B区、C区、D区。

首先排查A区:在A区水底定一个桩子,此点为A1,然后将绳子一头拴在木桩上,一头拴在潜水员身上,潜水员向外拉紧绳子,以A1为圆心,以绳子为半径化圆圈而游,排查周围状况,如果没有,则在A区水域放浮标,以示排查过。B、C、D以此类推地排查。

虽然这两种方法都算行之有效,然而我们忽略了一个重要因素,那就是:在水底“放一根绳子”、“打一根木桩”、潜水员下潜......这些绝非说说那么简单。

原因如下:

随着潜水深度的增加,水压会逐渐增大。当潜水员处于高水压环境(约3至4大气压力以上),肺内氮气会因高压缘故,而对潜水员产生麻醉作用。按照这个高水压深度推算,考古潜水员下潜至水下60-70m的深度,就不宜在往下潜了,否则会有较大的氮醉风险。

而我们再来看看一组水下遗迹所处深度的数据吧:中国云南抚仙湖水下古城遗址,水深70余米;印尼、新加坡和马来西亚沿海水域二战沉船遗址,水深80余米;地中海古商船遗址,水深800米;泰坦尼克号沉船遗址,水深3800米。

地中海水下遗址分布图(来源:CNKI)

地中海水下遗址分布图(来源:CNKI)

泰坦尼克号的船头,拍摄于2004年,位于3800米左右的深海(来源:维基百科)_副本

泰坦尼克号的船头,拍摄于2004年,位于3800米左右的深海(来源:维基百科)

如此深邃的水下遗迹,远远超出考古队的常规下潜极限,那么,怎么确认这些遗迹?

2水下考古“托儿”来了——机器鱼

机器鱼是一种在水下考古界十分好用的水下机器人。我们以北京航空航天大学设计的著名机器鱼SPC-Ⅱ为例,看看机器鱼对水下考古的巨大帮助。

1、 外形采用流线形设计,具有内置的运动控制模块为仿生推进,可支持前进、左转、右转、上浮、下潜五个基本动作。就算是潜水员亲自下潜,也难免要在遗址间游来游去,倘若因为运动对文物造成损坏,那将无法弥补,而且如果扰动比较大,激起的底部泥沙也会影响图像采集。机器鱼运动系统的灵活,使得文物损害降到最低。

机器鱼内部结构图(来源:CNKI)1.胸鳍舵面 2.运动控制模块 3.通讯模块 4.电源模块 5.尾鳍关节电机 6.尾鳍 7.传动机构 8.任务调度模块 9.导航模块 10.视频模块

机器鱼内部结构图 1.胸鳍舵面 2.运动控制模块 3.通讯模块 4.电源模块 5.尾鳍关节电机 6.尾鳍 7.传动机构 8.任务调度模块 9.导航模块 10.视频模块(来源:CNKI)

2、 机体为玻璃钢骨架,支持定向深游,耐高水压。上述地中海古船遗址的照片,就是由水下机器人采集来的。(潜水员表示瑟瑟发抖)

3、 内置视频模块,具备视频、图像采集功能。除了当潜水员之外,还兼任“摄影师”。

机器鱼系统通讯示意图(来源:维基百科)

机器鱼系统通讯示意图(来源:维基百科)

不过,到此我们可以看出,机器鱼解决了水下考古的第二阶段,即遗址确认阶段的问题,可是最重要的考古发掘,以现在的技术来讲,虽然机械手、机械臂在也有相关研究,但尚不能应用到考古工作中,毕竟考古工作精细复杂,需要考古队员的知识储备和经验。所以,水下机器人或说机器鱼如何介入第三阶段,作业型水下机器人如何设计,将是未来水下机器人研究要解决的问题。

2亲力亲为的水下考古发掘

水下机器人没办法涉及水下考古的发掘阶段,考古队只能在常规潜水范围内亲自进行水下考古发掘了。说到水下考古发掘方法,要引入一个概念:探方。

探方其实是陆地考古发掘的主要方法。由于遗迹或文物埋在地下,考古队员并不清楚它们是如何排列、布局的(因为不仅文物本身蕴含着考古信息,文物的排列也是历史信息的重要反映!!!),所以要用试探性的方法来发掘,即打探方

先在选定的发掘区域内画好方格网,在每个十字线交叉点打下一根木橛。方格的大小亦即“探方”的大小。不管探方多大,相邻的两个探方之间要保留0.5-1米的隔梁,等到发掘末尾再将其挖掉。每个探方还要做好编号。这样一来,选择小区域试探性发掘,能最大程度保护文物及其排列状态。

由于水中无法画线,所以水下考古的发掘,便将探方法做了更新,衍生出“水下硬探方”和“水下软探方”。水下硬探方就是用木质或金属制框架“架”起网格,软探方则是用绳子“拉”起网格。

水下硬探方(来源:百度文库)

水下硬探方(来源:钱江晚报)

到今天为止,水下考古对考古队员来说仍具有很高的危险性,随着人工智能技术的发展,相信我们前面提到的“作业型水下机器人”研制必将成功助力水下考古工作。

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       [参考资料]

《水下考古学研究》中国国家博物馆水下考古研究中心 科学出版社,2012年8月

《中国考古通论》张之恒 南京大学出版社,2009年10月

摄影技术在水下考古工作中的运用,韩飞《河南科技》2013年第8期

《机器鱼》王硕 北京邮电大学出版社,2007年6月

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