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大雁塔唐代内嵌石碑厚度的探地 雷达无损探测

2019-07-16  来自: 西安大雁塔保管所 孙祺 浏览次数:60

一、前言

唐永微三年(公元 652 年),为保护从印度带回的佛经和舍利,高僧玄奘在西安市城南的大慈恩西院修建了一座砖表土心、印度窣堵坡式五层塔,命名为雁塔。此塔于五十年后倾圮,长安年间(公元701-704 年),武则天于旧址上重修翻建,改形制为七层阁楼式塔。后经历代修缮,形成雁塔今貌。为与小雁塔区别,称之为大雁塔。

塔底层南门洞两侧砖龛内分别嵌有《大唐三藏圣教之序》碑(以下简称《序》碑)和《大唐三藏圣教序记》碑(以下简称《记》碑)。两碑建于唐永徽四年(公元 653 年),其中《序》碑置于西龛,碑文由唐太宗李世民撰文,自右向左竖向排列,;《记》碑置于东龛,碑文由唐高宗李治(撰文时在春宫作太子)撰文,自左向右竖向排列。两碑均由唐代书法名家褚遂良书丹,规格形制相同,碑头为蟠螭圆首,碑身呈上窄下宽的梯形(唐碑典型形制),碑座呈方形,通高 337cm,碑面上宽 86cm,下宽 100cm,。这两通唐碑是研究大雁塔相关历史、玄奘生平及唐代书法的珍贵实物,具有重要的历史、艺术和科学价值。

 

文物

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目前,两碑均深嵌于砖龛之内,碑面无明显结构性破损(如上图 1,图 2),但厚度未知,给进一步的科学研究和文物保护带了很大不便。为此,在不破坏古塔原有结构的基础上,拟采取物探技术,对石碑的厚度进行无损探测,[3] 进而为其保存状况的进一步评估和保护方法的选择提供科学依据。

二、方法选择

两通石碑材质均为石质,与背景介质砖墙之间存在较大的电阻率、电导率等电性差异,满足探地 雷达无损探测的前提条件,即被探测目标体与其所处的周围介质存在一定的物理特性差异。因此,采用电性差异探测能够准确识别岩石与粘土砖墙之间的反射界面,获得准确性较好的探测结果。所以,采用探地 雷达进行探测是一个较好的选择。 

三、测试原理及工作思路

高频电磁波以宽频带短脉冲形式被定向送入地下,经存在电性差异的地下底层或目标体,反射后返回地面,由接收天线接收。高频电磁波在介质中传播时,其传播路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性特征与几何形态不同而变化。因此,通过对时域波形的采集、处理和分析,可确定地下分界面或地质体空间位置及结构。

将探地 雷两块板式天线(发射天线与接收天线)紧贴石碑表面,由发射天线将高频电磁波垂直送入,遇反射层(即石碑与粘土砖墙交界处)后产生反射回波信号,然后由接收天线接收并将该信号数字化。依据电磁波的传播特性,通过计算机分析反射数字信号,对反射界面进行判断,进而得出石碑与粘土砖墙临界面的几何形态并推算出石碑厚度。

四、现场探测

1、设备

瑞典RAMAC公司生产的CUⅡ型探地 雷达主控单元, 配置主频为800MHz的一体式屏蔽天线。测试参数如下:采样点数, 600;窗口时间, 65ns;触发方式, 测量轮触发。

2、资料处理方法

使用仪器附带的REFLECW软件进行资料处理。首先对数据进行预处理、增益调整、滤波等处理, 最终得到各条测线的成果图, 据此对石碑厚度进行分析。

3、现场数据采集

将发射天线和接收天线与石碑表面密贴, 沿测线滑动, 进行快速采集。本次探测使用500MHz屏蔽天线。天线发射接收间距0.19m, 测点点距0.02m, 记录时间140ns, 叠加次数2, 采样频率7000MHz

(1) 参数选择

为了探测石碑的厚度, 需要准确测定石碑所用材料 (青石) 的电磁波速度, 为此, 首先对位于塔一层北门裸露的石柱 (该石柱与石碑介质相似, 均为同一时期青石) 进行地质雷达探测。

在一层北门西侧石门柱的北柱面从上往下布置了一条垂直测线, 该测线的地质雷达图像如图3所示。

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从图3可以看出, 在约9.5纳秒 (时间T) 处存在一个反射界面,该反射界面为西侧石门柱的南柱面与空气接触界面的反射。现场实际测量显示, 西侧石门柱南北向得厚40.5厘米, 由此可知电磁波在青石中的传播速度V1=2H/T=2×40.5厘米/9.5纳秒=8.5厘米/纳秒。

(2) 《序》碑探测

在该石碑所在的砖龛内布置了四条垂直测线和一条水平测线, 测线布置情况具体如下图4A所示:

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从现场五条测线地质雷达剖面图来看, 除了垂直测线三和垂直测线四由于这两条测线的位置不在石碑的范围内而没有明显的反射界面外, 其余两条垂直测线和一条水平测线的雷达图像都反映在约5.85纳秒位置存在明显的反射界面, 该反射界面为石碑与砖墙之间的反射界面, 因此本文只列出《序》碑垂直测线一 (4B) , 及水平测线一 (4C) 两条探地 雷达剖面图。由此可知《序》碑的厚度H约为:H= (V1×T) /2=8.5×5.85/2=24.9厘米。

(3) 《记》碑探测

从《序》碑探测结果看, 不在石碑范围内的两条测线没有明显反射界面, 已充分说明石碑范围外粘土砖墙结构均一, 故在《记》碑所在的砖龛内省略石碑范围外测线, 仅在石碑范围内布置了两条垂直测线和一条水平测线, 测线布置情况具体如图5所示:

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从现场三条测线的地质雷达剖面图可见,三条测线都表明在约6.2纳秒位置存在明显的反射界面, 应为石碑与砖墙之间的反射界面, 因此本文只列出《记》碑水平测线地址雷达剖面图 (5B) 。由此可知《记》碑厚度约为H= (V1×T) /2=8.5×6.2/2=26.4厘米。

从图4B所示的《序》碑的垂直测线一的探地 雷达剖面图还可以看出,该测线反映的青石与砖墙间的反射界面并不是一条水平直线, 而是一条略向上倾斜的斜线。这就说明这块石碑各部分也并不是绝 对等厚, 其左上部分的厚度要比其余部分的厚度要略薄一点 (大概要薄约1.5厘米) 。其余探地 雷达剖面图所反映的反射界面也并非绝 对直线, 说明石碑不同位置厚度略有不同。

五、结语

此次地质雷达无损探测表明, 《序》碑碑体厚度约为24.9cm,《记》碑碑体厚度为26.4cm,两块石碑均无明显空洞及裂隙,两碑所选石材的各个部分并非绝 对等厚,但厚度差异不大,两通石碑的长、宽、高与其厚度比例适当。

现代物探技术最 大的优势是可在不破坏文物本体结构的前提下, 通过分析文物内部不同材料的电性差异进而了解文物内部的结构特征, 充分符合文物保护工作的无损要求。此次对大雁塔内嵌《序》、《记》两碑的探地 雷达探测, 因石质与砖体电性差异较大, 石碑结构规则, 且选取设备较为先进, 因而具有过程相对简单, 结论清晰可见的特点, 属物探方法在文物保护方面应用的典型案例。

参考文献:

关键词: 文物   无损探测   圣教序     

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