秦始皇陵封土堆位于陕西西安市东约35公里处。考古工作者历经40余年探索，终于揭开秦陵地下宫殿之谜。

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秦陵地宫高科技探测法示意手册

秦陵高空卫星图

　　电阻率曲线显示椭圆状的墓室空洞

　　磁性异常证实细夯土墙的空前发现-

　　高空扫描确认千年防水渠效用犹存

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　　□本报记者高明袁凌西安北京报道

　　□本报记者李锋摄影(署名除外)

　　弧形铲头、胶木长柄。100多年前，洛阳邙山南麓马坡村一个名叫李鸭子的盗墓贼发明了这样一种盗墓工具。洛阳铲的铲头看似半圆筒，插入地下后，铲子的内面可以带上一筒土，以此可以了解地下不同层位的土质、土色、包含物，判断地下文物遗存。

　　洛阳铲长了眼睛

　　洛阳铲尖的泥土上粘着几块青石碎屑。经辨认，碎屑为石灰岩，与骊山上遍布的花岗岩和片麻岩石质完全不同。石灰岩在渭北广泛分布，这正与史料记载的秦陵地宫石材运自渭北相吻合。

　　2003年7月15日，西安秦始皇陵封土堆东坡灌木林中，一把洛阳铲在两名考古人员合力夯击下，向黄土地节节钻进。

　　这把铲子的使命，是用传统方式来检验此前运用遥感、物理探测等高科技手段勘探的成果。1米、2米……直到30米深，地下突然传来“咚咚”的异响———洛阳铲顶到了硬物。在场的秦陵考古队长段清波一阵激动，这编号第八的钻孔下面，正是此前使用物探方法推断出的石质地宫范围。这“咚咚”的异响注定将震响考古界。

　　过去几十年中，考古人员用洛阳铲在近60平方公里面积的秦始皇陵区钻探了70多万个孔，希望发现地下陵墓的秘密，但由于没有科学的定性范围，收效甚微。

　　此次，洛阳铲与高科技手段紧密合作，如同长了透视的眼睛，事半功倍。

　　考古人员将洛阳铲从钻孔里提出，铲尖的泥土上粘着几块青石碎屑。经辨认，碎屑为石灰岩，与骊山上遍布的花岗岩和片麻岩石质完全不同。石灰岩在骊山地区很少见，在渭北却广泛分布，这正与史料中记载的秦陵地宫石材运自渭北相吻合。

　　“地宫找到了！”段清波掏出手机，把电话打给了远在北京的刘士毅。

　　刘士毅是中国地质调查局的物探专家，此时承担着国家863计划地球物理综合探测考古秦始皇陵的课题项目。今年年初，在他的带领下，项目组在秦陵陵区用物探的方法对秦陵地下进行了综合探测，得出了“地宫就在封土堆下”、“地宫周围有一周细土夯墙”等系列推断，并用详细数据给出了地宫的位置、范围、大小和深度。数月之后，物探结论最终得到了考古队洛阳铲钻探的实际验证。

　　“多了句嘴，却不想改变了我晚年的命运。”2003年12月1日的北京，65岁的刘士毅一脸幸福。

　　2002年年初，从中国地质调查局退休多年的刘士毅作为地球物理探测专家，被科技部邀请参加“秦始皇陵考古遥感探测技术”863计划立项论证会。会上，刘阐述了自己的观点：遥感只能探测表面，达不到揭示秦陵地宫内部秘密的最终目的；而物理探测却能深入地下几百米。这个建议被科技部采纳。2002年11月13日，补充增加的《考古地球物理综合探测技术》子课题正式启动。

　　2003年7月15日那天，和段清波、刘士毅同样兴奋的还有中国煤炭地质总局航测遥感局的谭克龙、万余庆等专家们。在刘士毅物探组展开勘探活动的同时，谭克龙也带领一组科技人员在秦陵区展开了另一项子课题的考古研究———高光谱遥感探测。2002年年末至2003年初的3个月内，遥感组科技人员天上地下搜集了秦陵每一寸土地的光谱特征。高光谱遥感合成图像和物探方法互相验证，揭示了地宫以及阻排水渠的存在。

　　“物探和遥感方法用于考古，以前都有过。但这么大的规模，这么多的手段，效果又这么好，国内是第一次。”12月4日，北大考古学院教授、秦汉陵墓研究专家赵化成评价。

　　“封土堆相当于一个大导体”

　　表面土壤含水少，深层土壤含水高，常理应该是地表高阻，地下低阻，这样规则的椭圆状高阻体，“很可能是由一大团空气引起。这也从侧面说明墓室未坍塌，且未进水”。

　　2002年11月21日，刘士毅领着20人的队伍，扛着大大小小的各种探测仪器从北京赶到西安临潼，站到了秦始皇陵看似寻常的封土堆表面，准备使用手头的数十种物探新技术，寻找地下最细微的异常。

　　“我一辈子的工作就是在寻找异常！”刘士毅总结说，他的工作好比医生用X光给病人检查身体，因为人体病变部位和正常部位存有差异，X光片才成为有用手段。在秦始皇陵物理探测的总体设计方案中，共采用了8大类22种方法进行探测，“所有方法的突破口都是在寻找数据的异常”。

　　但探测陵墓自然要比给病人拍X光片复杂。刘士毅说，拍X光片时，为了排除衣物和金属佩饰的干扰，最简单的方法是让病人脱衣服。而在地质探测中，则麻烦得多。

　　“陵园的地面建筑早已无存，但陵丘高耸如小山包。封土堆上的各种建筑物和金属物品、园内地下埋藏的水管、部分建筑物和碑石都含有磁性和电性。墙外还不均匀地分布着许多村庄、工厂，电网密布。所有这一切在探测中都属于强干扰源，却又不能拆除。”

　　刘士毅说，最让他担心的是，如果封土里包含有大量砾石，对勘探地宫将是致命的干扰。

　　“当时对于物探到底能取得多大效果，心里尚不完全塌实”。刘士毅认为，“在秦陵物探所使用的8类22种方法中，电法和化学方法的效果最关键。”

　　刘解释，按物探设计方案，冬季地表水分最少，相应的电性干扰也最小，所以是电法测试的最佳时机。“电法我们使用了9种。”

　　在封土堆上方东西和南北两个走向上，刘的小组每隔50米布置一条剖面，沿线把用于测量电阻率大小的电法仪插入土中接收数据，“相当于把封土堆作为一个大导体，选择不同的位置作为正负极进行电击，以测定深处不同部位的电阻率。”刘士毅说，物体的导电性不一，空气电阻率高，水和金属电阻率低，人工夯土又比含气孔较多的生土易导电，电法探测利用了这些物理常识。

　　科技人员把每条剖面上收集到的数据输入电脑后，经去除地形影响及干扰源的校正处理，最终将数据合成二维断面电阻率异常图。

　　“你看到没有，在封土堆中心下方这里，一大片深蓝色，明显是一个椭圆状的高阻体。”刘士毅在电脑上向记者演示红蓝相间的电阻图，根据图中高阻体的位置和大小，可以推断出由石质还是非石质墓室空洞引起。

　　“这一下我们信心大增。”刘士毅说，按照道理，冬天气候干燥，表面土壤含水少，深层土壤含水高，常理应该是地表高阻，地下低阻，这样规则的椭圆状高阻体，“很可能是由一大团空气引起。这也从侧面说明墓室未坍塌，且未进水。因为坍塌了或者进水了，电阻都会降低”。这一推断在其后的核磁共振及α杯法氡气探测中同样得到了验证。

　　在电法探测中，科技人员在阻排水渠位置发现了一个有趣的现象：渠北侧的电阻率极高，而渠南侧的电阻率却极低。“由于封土堆地势南高北低，地下水从南侧往地宫方向流，阻排水渠内外侧电阻率的差异，说明虽然2000多年过去了，阻排水渠仍然发挥着重要的防水作用，保护了地宫免遭水侵。”刘士毅解释说。

　　刘士毅的助手、负责电法测量的物探所研究人员吕国印说，他们还在地宫中发现了由金属引起的极化率异常，经判断不是由水银引起，也不像是《史记》“下铜以置椁”透露的以铜板浇铸墓室地基，这说明地宫中有金属陪葬品。

　　细夯土墙和“百川江河大海”

　　经过不断的磁性测定后，发现封土有明显磁性，且不同位置磁性有一定差异。封土堆中部出现醒目的长方形状异常区。推断应该是环绕地宫的地下宫墙。

　　电法给了刘士毅初步的信心，但要探测出地宫的准确范围，还得倚重磁法和重力探测。

　　“地球是个大磁体，磁法探测就是寻找内部磁性的异常。”刘士毅说，经过不断的磁性测定后，发现封土有明显磁性，且不同位置磁性有一定差异。封土堆中部出现醒目的长方形状异常区。推断应该是环绕地宫的地下宫墙。

　　“夯实的土壤由于密度增大和物理结构改变，磁性也会增大，细夯土的磁性又大于粗夯土。”地质调查局发展研究中心研究人员袁丙强说。他是刘士毅的另一位助手，负责重力、磁法探测。

　　经洛阳铲验证证实，封土堆下方存在完整的细夯土墙，“细夯土墙内、外为粗夯土。这种复杂的环绕式封土结构，应是封土堆下方存在真墓的一个证据，也说明了地宫的范围。”刘士毅说。

　　“开始，考古人员都不相信，考古发掘中从来没见过地宫周围有夯土墙的，没见过这种葬制。后来洛阳铲下去，挖上来了细夯土。”刘感叹说，地宫的存在，毕竟大家都想得到；阻排水渠是以前就探测到的；只有夯土墙是前无古人的发现。

　　考古专家袁仲一先生研究认为秦陵封土由陵园北侧现鱼池村附近运来。袁丙强介绍，夯土墙使用的黄土含沙，沙非常细，细夯土墙的土质是否与粗夯土及封土一致，是否来自同处，目前尚不清楚。

　　在磁法确定夯土墙存在后，根据“细夯土的密度远大于粗夯土，导致重力异常”的原理，科技人员随后用灵敏度极高的重力仪在封土堆上对重力异常进行了探测，在细夯土上方测到了明显高的重力异常，结合矩形磁异常，经测量最终得出了145米×125米的宫墙范围，以及170米×145米的地宫开挖范围。

　　“水银为百川江河大海”的文献记载，是后人好奇心的一个焦点。“秦陵土壤中含汞，1981-1982年已经有研究人员物探发现了，这次我们的探测更为精确。”刘士毅说。

　　物探测汞的原理是：汞是具有挥发性的金属，如果地宫中存有大量的汞，封土堆表面的土壤吸附从深处挥发的汞，汞含量应高出周围土壤。

　　“我们取土化验发现的汞异常是10倍左右，最高是20—30倍，和1981年探测的结果差不多。”刘士毅说。同时，刘的小组还用取样机插入土中，抽取了土壤中的空气做测量，同样也测出了汞异常。探测中，科技人员发现地宫上方的土壤汞异常的分布很有规律：北东最强，南西次之，北西最弱，和古代中国人地理观念中的“江河湖海”位置以及秦始皇本人到过渤海的经历正相吻合。

　　关于地宫有多少水银，吕国印说，汞的地球化学扩散还没法通过公式计算，现在还不知道量有多大，“但应该没有非常大量的水银。”吕说，封土下汞含量超标20—30倍，不算是非常大，“秦陵含汞两千多年来，经过了大量蒸发”，汞的含量应该没有当初的多。

　　弹性波、放射性探测的验证作用

　　用一种机械夯源击打地面，产生动力波传入地下，经过均匀体会有均匀的反射，如果遇到不均匀体，就会产生绕射。分析绕射图像，可以了解物体的性质和位置。

　　秦陵物探使用的“8类22种”方法，除电法、重力法、磁法、化学方法之外，尚有弹性波、放射性探测、测温等，各有效果。

　　放射性探测的主要手段是收集分析惰性气体氡气。“氡气从地下缓慢上升。如夯土严实，氡气上来得就少。如裂隙发育，上来得就多。”刘士毅举例说，在封土堆北面的陪葬群坑地表，氡气值非常高，“因为这个陪葬坑经过焚烧坍塌，封土裂隙发育”。

　　测量氡气使用α杯，这是一个倒扣于地的杯子，可以吸附氡气，测量α射线数量。“我们为此专门做了一个剖面，5米一个杯子，每个杯子要扣很久，累计测量。”

　　测量氡气的结果显示夯土基本未经扰动，裂隙少，地宫封闭性好，“和电法、化学方法一起，说明了地宫保存的完整性”。刘士毅说。

　　测温的方法是把灵敏温度计(精确到百分之一摄氏度)埋入地下1米，隔5米一个点，布置了两条剖面，“共212个点。”刘士毅解释，渭河盆地热状态相对均匀，而地下建筑、空洞等会破坏地下热传导的均匀性，造成热异常。测温的结果是地宫上方温度异常，和遥感探测的结果一致。

　　“我们这次不看重这种方法，”刘说，“因为温度异常受地形和天气影响大，要进行地形异常矫正，但现在全世界都没有精确的矫正方法。”但刘士毅表示，低温测量，在考古中可能是第一次应用。

　　弹性波测量也遇到了困难。刘士毅介绍，听起来玄妙的弹性波其实简单，就是用一种机械夯源击打地面(类似一把重锤的作用)，产生动力波传入地下，经过均匀体会有均匀的反射，如果遇到不均匀体，就会产生绕射。分析绕射图像，可以了解物体的性质和位置。“本来我们想放炮，找石油测地幔的时候都这么干，上百公斤都用过。但这是秦陵啊，考古的人一听用炸药，震坏了怎么办，都吓住了。”刘说，其实用少量炸药就可以，震动可以说比机械夯源还小。

　　“机械夯源是在地表，有声波干扰，效果不好。”刘回忆，弹力波资料出来以后，请了四位教授来处理分析，有的说根本没有地宫(墓室)信息，有的认为探到了地宫，有的见解则介于二者之间。因此可以说弹性波探测在地宫发现上没有太大贡献。“但也不是全部无用。弹力波绕射的信息和磁法、重力法一起，验证了夯土墙的存在。”

　　类似的例子在秦陵物探中多有发生。例如磁法，由于地宫的顶板石为石灰石，磁性与封土土壤差别不大，因此在探测地宫存在与否上作用不大。但如上所述，在探明细夯土墙、确定地宫范围上，磁法却起了关键作用。在高科技手段和洛阳铲之间，也是这样互补、印证的关系。

　　刘士毅也提到一个特例，就是细夯土墙范围内石头宫墙的存在与否。“我们使用重力法、弹性波法、电法，都测出高度异常，且位置大体一致，显示存在石头宫墙。但洛阳铲在该位置打了一个眼下去，却没打着。这只能下一步再印证了，我反正没死心。”

　　遥感探测：背着光谱仪与飞机赛跑

　　保存于地下的遗迹是人工建成，就形成了这一地区土壤、水分、地表温度等一系列的异常，人眼在平地观察难以发现，在空中用高光谱遥感仪探测则很明显。

　　12月2日，中国煤炭地质总局航测遥感局遥感应用研究院环境所的遥感办公室墙上，挂满了秦始皇陵区的各种遥感图像。

　　“这张很珍贵！”高级工程师万余庆指着一张1956年拍摄的黑白照片说，当年航测编绘全国地形图被列入国家第一个五年计划，照片是由苏联人协助拍摄的。不久后，中国开始了平整土地运动，不少帝王陵墓地貌特征遭到人为破坏，秦陵封土堆也未能幸免，四周的缓坡被挖成了陡坡，而秦陵1956年的照片保留了大量的原始信息。

　　“我们这个项目赶得很巧。2002年9月用于高光谱的仪器才自行研发出来，年底国家863科技计划就将高光谱遥感考古探测列入了项目中。”万余庆说。

　　据段清波在秦始皇陵考古遥感与地球物理技术成果验收会上介绍，高光谱遥感考古应用在国际上是第二次采用，而在国内还是首次。

　　由于保存于地下的遗迹是人工建成，与周围没有人工扰动的土壤存在差异，就形成了这一地区土壤、水分、地表温度等一系列的异常，人眼在平地观察难以发现，在空中用高光谱遥感仪探测则很明显。

　　万介绍，高光谱遥感仪是一套高性能的红外线探测仪，由机载和地面两部分组成，是将传统二维成像技术与光谱探测技术结合，形成三维遥感图像，通过校正和反演，解读出陵墓信息。

　　2002年12月，秦陵科研项目启动后的3个月内，遥感小组人员在近60平方公里的陵区里“地毯式地收集地面特征光谱”，课题组工程师周小虎说。地面上的每个物体都有自己的光谱特征，这些特征反映在遥感图像上，就是高山、盆地、树木、湖泊，而高光谱遥感又能捕捉到地下一定深度的光谱特征，秦陵地下的秘密就会在图中露出端倪。

　　2002年3月19日上午10时30分，中煤航测遥感局在中飞通用航空公司租用的一架运-12飞机从西安阎良机场起飞，向20公里外的秦始皇陵区上空飞去。在机身下，安装了一台相当于“相机镜头”的成像光谱仪，这个“镜头”在空中对陵区地面散发的光谱逐行扫描，这些数据最终将构成合成图像。

　　为保证整个陵区图像信息的完整性，航线有着严密要求：飞行高度保持在1200米左右，在东西方向上要飞行13趟，在南北方向上飞行3趟，且两条航线之间至少要有30%的面积重合。

　　“这恐怕是难度最高的飞行了。”万余庆说，飞机在空中稍微一点的俯仰、侧滚和偏航，都会使得“镜头”偏出扫行线，最终影响到图像的真实性。为消除飞行带来的误差，科技人员在机身上安装了当年10月刚从德国进口的高精度航空定位导航姿态测量仪。机身在飞行中任何一点的抖动都会被精确地记录下来，科技人员借助飞行姿态的记录，通过数据校正和图像变形，最终将遥感图像恢复原貌。

　　“在地面，我们要与飞机赛跑。”工程师周小虎说，为了排除气温变化的干扰，飞机在陵区上空飞行逐行扫描到哪，按高光谱遥感探测的要求，他们就应在地面同步测量到哪。

　　“在飞机飞行的6个小时里，我们要背着15公斤重的测温仪，马不停蹄地把几百个点的温度都要测量并记录下来，而与飞机探测的前后时间误差最多不能超过半小时。”万余庆说，6小时的探测一结束，每个人都累得栽倒在地。

　　运-12飞机不间断飞行最长时间为6个小时，3月20日晚11时，飞机又进行了二次飞行。万余庆说，之所以选择晚上，是因为此时大地接受太阳辐射的热量基本散去，此时的地表最接近自然温度。

　　万余庆介绍，国内首次高光谱遥感探测取得了突出成果：在高光谱合成图像上，可以看出封土堆下西墓道的存在；可以确认阻排水渠在封土堆东侧和南侧的控制范围，以及它的阻水作用依然存在；通过对比，封土堆上出现的高热异常分布区与物探所得高磁异常矩形分布区一致，说明了地宫的存在和范围。

　　积极的科技部和低调的文物总局

　　以往遥感、物探考古也有过不成功的经验。三峡库区的一处墓葬，用高科技手段判断了范围和埋藏，挖下去却是生土。宝鸡秦公一号大墓的发掘也让人失望。但赵化成认为，这一次秦陵遥感、物探考古的成果是可信的。

　　“高科技和考古结合，当然是一件好事。”北京大学考古学院教授赵化成说。

　　赵化成介绍，遥感和物探方法参与考古，“从上世纪90年代就出现了”，也做过不少的项目，包括三峡库区考古和宝鸡秦公一号大墓勘探。

　　科技部高新技术司信息处处长景贵飞对高科技参与考古的前景充满了热情。“国外高科技手段与考古结合也是一个趋势，比如机器人探测金字塔，还向全世界直播。”

　　景贵飞说，遥感和物探最可贵的地方在于是无损探测，相比于发掘，“可以提前知道文物信息，确定保护和抢救方案而又不破坏文物。现在基础建设越来越多，这方面的要求很迫切。”赵化成说，由于秦陵不能开挖，用现有考古手段，很难探知地宫结构。在传统的条件下，考古含有一定破坏性。遥感、物探等高科技手段克服了考古和保护之间的矛盾，“而且不会花太多的人力代价。”

　　景贵飞对于科技参与考古的远景颇为乐观：“通过类似于在秦陵的全面试验，可以形成一整套创新技术体系，推广到其它考古地点。而且这不仅仅是一个考古的问题。中国拥有丰富的文化资源，却没有和现代意识结合。这些资源应当通过科技手段宣传、展示，应该让公众知道。”

　　12月1日，国家文物总局信息处一位工作人员称：“这件事业务部门认为不宜接受采访。”考古处李培松处长说：“我们批准了陕西省文物局就此事的报告。这是科技部的一个项目，我们是支持的，但没具体参与。”关于勘探的具体情况和下一步的计划，李培松没有透露更多信息，“主要是陕西的在做。”

　　在国家文物总局的官方网站上，没有出现此次秦陵考古的动态消息或介绍。

　　“文物总局低调有他的道理。”12月4日,赵化成称。他解释,科技手段参与考古,是一种进步,考古引起百姓的关注也是好事情,但“物探、遥感毕竟也不可能非常准确,也就是了解一个框架,还有一定模糊性,只是基本上可信。”

　　以往遥感、物探考古也有过不成功的经验。三峡库区的一处墓葬，用高科技手段判断了范围和埋藏，挖下去却是生土。宝鸡秦公一号大墓的发掘也让人失望。但赵化成认为，这一次秦陵遥感、物探考古的成果是可信的。

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