海洋地球物理测量 -海洋地球物理学国家线

文|阿明

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编辑|地缘

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联合国最近发布关于“海洋十年”涉海倡议，水下文化遗产保护作为重要内容之一，认识到保护水下文物遗迹对于实现海洋的可持续发展具有重要意义。

我国海洋资源丰富，水下文化遗产丰富，但由于工程发展和人类活动的涉及，大量文物已经被破坏和盗取。

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保护水下文化遗产已经成为当今时代的重要海洋课题。我们可以通过科学技术手段、管理制度和法律法规等多种手段来探测、寻找和保护这些珍贵的水下文物遗迹。

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加强公众教育和文化传承，让更多人了解和关注水下文化遗产的保护，这也是我们遵从本心保护不可缺少的条件之一。这样才能将水下文物遗迹的历史和文化价值传递给后代，推动人类文明的不断发展。

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水下文化遗产中，沉船数量最多、分布最广。这些沉船在经历了数百年、甚至千年的沉积和化学反应后，形成了独特的生态系统，因此不仅具有重要的历史文化价值，也成为了海洋生态系统中的独特存在。

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保护水下文化遗产，需要综合运用技术手段和管理制度，采取适当的措施保护这些珍贵的文化遗产。

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本文将以沉船为例，分析海洋地球物理声学对水下文化遗产的探测应用，以及未来发展情况。

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一、声学探测的优势

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根据沉船与海底的接触关系，可将沉船分为出露、半浅埋和浅埋三种类型。

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出露于海底面的沉船由于海水冲刷、腐蚀、海洋生物分解和人类活动的破坏等原因，难以保留船沉没时的全貌，连部分船身样子都未能保存完好，此类沉船多数已经严重破坏。而浅埋和半浅埋的沉船，由于被海底沉积物所覆盖，往往能完整或者部分保存。

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针对如今的沉船，我国一般都是综合使用各种技术手段来确保沉船的位置和顺利解救。但我国的水下沉船大多数都具有时代的印记，主要以木头为原材料制作船身。

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相比于磁力探测、船载激光测量和卫星遥感等技术方法，在寻找木质沉船时，声学探测可能更有优势。

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声学探测通过利用海底物质的弹性这一特性来判断水下是否存在沉船遗迹，并能够高分辨率地获取沉船遗迹的形态和大小等信息，能够更准确地确定沉船的位置和渐进角度。

除此之外，声学探测还兼具安全性好和测量经济性高等优点。目前针对木质沉船的海洋地球物理声学探测设备主要包括侧扫声呐、多波束测深系统、合成孔径声呐、浅地层剖面探测系统等。

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侧扫声呐和多波束测深系统可以对出露于海底面的沉船进行有效探测，并获得具有高分辨率、连续直观的海底二维图像，是较为常用的出露沉船海洋地球物理声学探测仪器。

合成孔径声呐是一种新型声呐，可对水下悬浮和沉底目标形成高清影像，但对掩埋目标的公开报道还较少，仅有的一些例子多应用于出露沉船的探测。

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浅埋沉船的有效探测方法主要是使用浅地层剖面探测系统进行调查，这个技术手段基于水声学原理进行连续走航探测，能够高效获取高分辨率的水下浅部地层结构，并且能够辨识海底地层中的异常现象。

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随着现代科学技术的进步，沉船探测和发掘技术不断提高，有激光测绘、水下相机和声纳等设备的应用，不仅使得探测和发掘成本不断降低，而且能够更加精确地定位和勘察沉船遗迹。

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这些技术的应用，会使得更多类似于“丹东一号”和“南海Ⅰ号”这样保存相对完整的浅埋沉船被发现，更加有利于帮助人们更好了解和保护水下文化遗产，浅埋沉船探测和发掘必将成为我国今后水下考古调查的一个重要方向。

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二、海洋地球物理声学在浅埋沉船的应用

海底深不可测再加上浅埋沉船被海底沉积物覆盖，位置难以琢磨，目前对浅埋沉船的研究大多数都是针对有明确沉船遗址的位置进行展开。

这种研究存在很大的局限性，因为它忽略了那些未知的浅埋沉船，很有可能那些沉船具有很高的历史价值，这样缺少了对整体浅埋沉船的代表性。

在这种情景下，海洋地球物理声学探测方法可以为浅埋沉船的探测和研究提供新思路。

在通过得出浅埋沉船的反射系数和极性变化与周围环境关系，海洋地球物理声学技术能够获取反射特征，通过对数据进行处理和分析，进而判别出区域内可能存在的浅埋沉船位置和方位。

海洋地球物理声学方法不仅可以实现浅埋沉船的判别，还能应用于浅埋沉船降解程度评估以及沉船遗骸3D重建等方面。

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浅埋沉船的判别方法仅仅依靠绕射现象具有不完整性，因为声波也可以在遇到孤石、基岩或地形畸变等障碍时发生绕射波。

这需要采用其他方法来提高浅埋沉船判别的可信度。海底浅部地层结构成像技术是一种有效的方法。

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声波穿透不同声阻抗界面时会发生反射，这些反射能量的强度不同可以用来成像海底浅部地层结构。

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海底沉积物的密度和声速与木材和钢材等材质的差异很大，通过计算不同材质的反射系数和极性特征来识别浅埋沉船。

浅埋沉船的降解状态评估存在一定的困难，基于海洋地球物理声学探测方法，在理论上可以得出浅埋沉船的降解程度。

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为了评估声学测量对浅埋沉船降解程度变化的敏感性，采用了浸泡在不同海底沉积物中的橡木样品。

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通过测量压缩波速和密度的变化，计算出不同降解程度样品与海底沉积物之间的反射系数，将它们拿去沉船遗址声学探测数据中进行对比，就可以估算出木质沉船的常规密度和降解程度。

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不过值得注意的是取样时，必须要了解沉船的埋藏环境和船体结构，以避免对沉船造成无法修复的损伤，同时也要避免破坏沉船的稳定性。

这种方法可实现浅埋沉船降解情况的快速评估和量化表征，但目前尚缺乏采用海洋地球物理声学探测方法，在浅埋沉船原址上进行沉船遗址反射系数研究的实际应用例证。

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目前有研究发现，声学反射率分析和声呐影像处理方法在理论上可以运用到浅埋沉船3D建模。

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声学反射率分析可以通过提取数据中的振幅信息来确定海底沉积物类型和特征，更准确地反演沉船底部的形态和位置信息。

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声呐影像处理通过对多波束声呐数据进行后处理，提取出沉船遗址附近的区域表层地形和物体特征，这两种技术的结合可以实现浅埋沉船的3D模型重建。

通过精细的3D重建，可以更好地了解沉船底部形态和环境特征，为遗址的保护、发掘和研究提供更加丰富的信息和技术支持。

海洋地球物理声学探测作为沉船探测应用最广泛的方法，不仅在沉船方面颇有成就，还广泛应用于海洋底质分类、海洋地质调查、近海工程勘察、海底管线的探测与监控等领域同样取得了丰硕的成果。

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三、海洋地球物理声学探测发展状况

如今的海洋地球物理声学探测在浅埋沉船方面运用的更加广泛，对于浅埋沉船的探测和挖掘也作出了更多的贡献。

但海洋地球物理声学并不能解决所有问题，在未来的发展中还是需要对一些不足的方面精进。

海洋环境错综复杂，声波传播容易受到海底地形、海水温度和盐度等多种因素的影响，使得声波传播路径难以精确定位，对确定沉船底部形态和位置的精度有很大影响。

除此之外，声波传播对于微小物体的探测能力也会受到影响，探测效果有限。

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浅埋沉船一般经历了多年的海水和淤泥的侵蚀，很容易与海底微生物产生化学反应，使得沉船船体结构发生了变化，难以准确地判断其降解程度。利用声学探测技术对沉船降解程度的评估在实践上难以准确可靠。

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浅埋沉船作为我国水下考古的一个重要方向，海洋地球物理声学探测技术在浅埋沉船探测方面发挥了重要作用。

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但为了满足探测小目标物体的需求，必须要与自然科学与工程科学相结合，研制出更加专业的设备来提高探测的广度和深度，并提高探测的时效和分辨率。

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在探测技术不断进步的情况下，为水下文物的保护和研究带来更大的发展。

四、结语

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虽然我国目前在浅埋沉船方面取得了一定成绩，但是为了满足不同环境和不同材质的浅埋沉船探测需求。

为了我国乃至世界的水下文化遗产的发展，我们还必须更加努力，创造出更加先进的探测技术手段，带动我国水下文化遗产保护整体事业的全面进步，催生出更加先进的水下文化遗产保护理念、方法和成果，建设具有中华特色的水下考古学科。