王瑞良
水下考古是考古學的一個重要分支,涉及海洋學、水聲學和機器人等諸多學科,是一個正在探索的充滿高新科技的領域。
撫仙湖位于云南省澄江、江川、華寧三縣間,距昆明市60千米,面積212平方千米,最深處155米,是我國僅次于長白山天池的第二深水湖,屬于斷陷型湖盆地之一。民間流傳說,這里有一座“水下古城”,但史料中沒有找到有關的文字記載。
在一次動用了多種科技手段的水下考古行動中,傳說得到了確認:撫仙湖水下存在著一個距今大約1 750年(即我國東漢時期)的古代城市或大型村落遺跡??赡苁堑卣鹪斐傻牡刭|滑坡,使撫仙湖水位升高,將其淹沒了;或者是地震造成地殼陷落,使其沉入水中。在這里,深潛作業(yè)、水下觀測和資料傳輸,靠的是水下機器人;建筑方位和水深的測定,依靠聲吶設備;而水下建筑的構成年代判定,主要依據(jù)的是對建筑物里的填充物——螺殼的放射測定。
搜索的“眼睛”
擔綱這次水下考古活動主角的,是中科院沈陽自動化研究所研制的兩套機器人設備:一套是“金魚”系列輕小型水下機器人;另一套是“CR-02”6 000米自治水下機器人。之所以出動水下機器人,是因為事先已探明,古建筑遺跡位于水下70米左右,而潛水員的一般潛水深度在60米。
“金魚”系列機器人形體小巧,能在水下環(huán)境或狹小的空間做前進、后退、平移、垂直下潛和水平轉彎等高難動作,工作人員只需在陸上操縱即可。由于采用了先進的CCD水下攝像機和合理光譜的照明燈,在水下100米深處仍能得到清晰的圖像,且圖像上疊加有文字說明的參數(shù),如年、月、日、時間、深度和方位角等,看起來非常直觀。但是它沒有機械手,也不具備探測功能,只能起到觀察作用,故需另一種機器人與之配合,協(xié)同作戰(zhàn)。
“CR-02”6 000米自治水下機器人的外形酷似魚雷。它能緊貼湖底運作,全面負責遠距離考察撫仙湖附近水域的地形地貌。它與“金魚”一大一小,一遠一近,相輔相承,出色地完成了任務。
用聲吶探測水深和方位
對目標的探測,在陸上可以依靠雷達,它利用電磁波遇到物體會反射回來的“回聲定位”原理,可以探測遠處的物體。但是電磁波在水中跟空氣中大不一樣,它的能量很快會被水吸收,而無法進行遠距離傳播。于是,研究人員把目光轉向聲學方法,發(fā)現(xiàn)水對聲波的吸收很小,聲波在水中可以傳得很遠。這樣,聲吶很快便成為水中探測目標、傳遞信息的重要工具。所以,聲吶又稱“聲波雷達”。
按照工作方式的不同,聲吶可分為主動聲吶和被動聲納兩類。前者本身能發(fā)射聲波,當聲波遇到物體便反射回來,再經過聲電轉換和放大處理,最后顯示在熒光屏上。根據(jù)聲波發(fā)射的方向、往返的時間就可以計算出被測物體的方位和距離。被動聲吶本身不能發(fā)射聲波,只能接收別的物體在水中發(fā)出的聲波。這次考古采用的是主動聲吶。聲吶技術除可用于水下考古外,更多的還是應用在軍事、通訊、勘探和漁業(yè)等領域。
靠放射性測定確定建筑物年代
經放射性碳元素測定,撫仙湖水下古建筑的年代,最晚距今1 750年(±100年),屬我國東漢時期。這個數(shù)據(jù)是怎樣測定的呢?要了解其中的奧秘,還得從物理學中的熱釋光現(xiàn)象說起。
熱釋光現(xiàn)象早在1663年時就被發(fā)現(xiàn)。那年冬天,英國的一位貴族圍爐取暖,把戴有鉆石戒指的手伸近爐火。他突然發(fā)現(xiàn),原先是微黃色的鉆石,竟?jié)u漸變成美麗的藍色。他感到十分愕然,以為這是一枚“魔戒”。直到300多年后,人們才揭開“魔戒”之謎:原來,鉆石受熱變色,是固體物質的一種物理發(fā)光現(xiàn)象,科學上稱為熱釋光。
實驗發(fā)現(xiàn),陶瓷、鉆石、貝殼之類,一般都含有微量天然放射性元素鈾、釷和鉀40,它們都能產生α、β和γ射線。其中所含的石英、長石晶體等受到射線的輻射時,某些電子就會發(fā)生躍遷,最后掉進那些由不完整晶格所造成的“陷阱”中去?!跋葳濉痹缴?,電子在里面居留的時間就越長,有時可達百萬年以上。其后,當陶瓷、鉆石、貝殼等再受熱時,“陷阱”內的電子獲得足夠的能量,就會從“陷阱”中逃逸出來,遇上一些特殊的雜原子與其復合,就會釋放出能量(光子),從而形成熱釋光。只需測定這種熱釋光的大小,就能推算出它積累了多少歲月,也就知道它存在了多少年。
撫仙湖水下考古工作者們,正是依據(jù)對水下建筑里的填充物——螺殼的放射性測定,才大致弄清了這座水下古建筑的構成年代。