于仲 張平松 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001

文化古跡微地球物理檢測方法應(yīng)用概述

于仲 張平松 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001

文物古跡的保存和修復(fù)等安全問題一直以來備受各界人士的關(guān)注。如何針對性檢測這些物質(zhì)文化遺產(chǎn)內(nèi)部缺陷和風(fēng)化程度，確定最佳的修復(fù)措施是文物管理保護(hù)工作者所關(guān)心的主要問題之一。因此針對此類安全檢測問題，充分利用地球物理無損探傷技術(shù)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法，其重點(diǎn)是觀測系統(tǒng)的布置和探測精度等問題。目前通過超聲波CT技術(shù)和雷達(dá)測試技術(shù)在文物微觀測試中發(fā)揮著重要作用。筆者通過總結(jié)其探測特征及實(shí)例分析說明其可行性及適用性。同時(shí)可為我國相關(guān)微地球物理探測技術(shù)應(yīng)用的開展提供參考。

文物古跡;無損檢測;觀測系統(tǒng)；UCT；GPR

Cultural heritage；Noninvasive investigation,；Observing system；Ultrasonic Computed Tomography；Ground Penetrating Radar

引言

長期以來，在進(jìn)行土木工程勘測和設(shè)計(jì)過程中，利用地球物理探測方法對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行無損探傷取得了較為理想的效果。無損探傷檢測技術(shù)作為土木工程中的一種檢測和分析手段日益顯示它的重要性，已正成為工程質(zhì)量控制和構(gòu)造物使用過程中可靠性監(jiān)控的一種工具。而實(shí)現(xiàn)對文物古跡（例如古紀(jì)念碑、古建筑墻壁、古樹、陶器、雕像等）內(nèi)部的探傷檢測已在國外一些國家進(jìn)行大量的開發(fā)性研究，其涉及的方法主要由傳統(tǒng)地球物理探測方法衍生而來。這些非傳統(tǒng)的地球物理探測手段往往能夠解決被探測目標(biāo)體內(nèi)部變質(zhì)破損結(jié)構(gòu)的定位，以及為安全修復(fù)工作等問題提供參考依據(jù)[1～5]。

早在上世紀(jì)50年代，出于評估新的地球物理探測方法，國外一些研究人員就已經(jīng)嘗試?yán)昧诵⌒臀锢砟Ｐ?。但由于傳統(tǒng)地球探測方法未能良好適應(yīng)小型目標(biāo)的探測要求，同時(shí)出于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，許多涉及地球物理領(lǐng)域中的問題未能深入處理，而且只是建立在物理模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并沒有進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對于分辨率等細(xì)節(jié)問題未能很好研究。目前，計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)發(fā)展使得人們可以運(yùn)用各類儀器進(jìn)行探測作業(yè)，并通過使用大型計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行快速、精確地?cái)?shù)據(jù)處理，使得地球物理微型化勘察成為可能。

受自然（風(fēng)化、氧化、雨水侵蝕、內(nèi)部材質(zhì)降解以及地殼震動等）和人為因素（拍賣、運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、盜竊、仿制、戰(zhàn)爭破壞等）作用下，部分歷史悠久的古董（瓷器、陶器、雕像等）及古紀(jì)念碑、古建筑物結(jié)構(gòu)（墻壁、梁柱、樓臺等）相應(yīng)受到不同程度的損壞。對這些文物的現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)檢測、評價(jià)相當(dāng)重要，其對藝術(shù)、收藏、歷史研究帶來的價(jià)值不可估量。同時(shí)，有針對性檢測其內(nèi)部缺陷和風(fēng)化程度，確定最佳的修復(fù)措施成為文物管理保護(hù)工作者所關(guān)心的主要問題之一。

1 主要探測方法及其適用性

在解決土木工程安全檢測的問題中，層析成像探測技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。超聲波層析成像技術(shù)[6～8]（UCT：Ultrasonic Computed Tomography)是在不損傷研究對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，利用震波場射線源，通過儀器設(shè)備從探測目標(biāo)外部獲得數(shù)據(jù)，在特定的物理背景下依照一定數(shù)學(xué)關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)反演探測目標(biāo)內(nèi)部相關(guān)物理量的分布，生成二維及三維圖像，重現(xiàn)探測目標(biāo)內(nèi)部特征。該探測方法是一種由數(shù)據(jù)到圖像的重建技術(shù)，同時(shí)探測過程中所獲得的彈性波速度值和阻尼值與被探測的物體的力學(xué)性能密切相關(guān)，可定性定量分析被測材料或制件內(nèi)部質(zhì)量及其缺陷。

在土木工程建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的安全檢測過程中地質(zhì)雷達(dá)[6～8]（GPR：Ground Penetrating Radar）的運(yùn)用越來越受到業(yè)內(nèi)人士的青睞。該檢測技術(shù)是一種高精度、高效率、經(jīng)濟(jì)適用的無損檢測技術(shù)。其基本原理是利用高頻電磁波在目標(biāo)體內(nèi)部傳播中遇到不同介質(zhì)界面產(chǎn)生反射的特性，通過天線接收相應(yīng)的反射波從而來判斷物體內(nèi)部異常情況。探測過程中獲得的大量雷達(dá)電磁剖面可用于解釋各類工程領(lǐng)域內(nèi)的問題。

同時(shí)還可以利用表面直達(dá)波速度、介質(zhì)電阻率等參數(shù)相輔助進(jìn)行相應(yīng)的探測。在進(jìn)行文物古跡檢測中，探測目標(biāo)體材質(zhì)不只局限于巖體，金屬、玻璃、陶瓷等甚至木制工藝品都可作為探測目標(biāo)。與傳統(tǒng)地球物理探傷應(yīng)用相比，其主要特點(diǎn)是目標(biāo)體的微型化，要求進(jìn)行無損精細(xì)探測。因此需要注意以下幾點(diǎn)：

1.1 為適應(yīng)探測目標(biāo)尺寸的問題，同時(shí)確保獲得可靠的、豐富的探測數(shù)據(jù)體，還需要適當(dāng)改進(jìn)小型化探測傳感器[9]，并能夠良好耦合于各種接觸面（無論是在粗糙的、垂直的、倒置的平面或曲面），從而提高空間數(shù)據(jù)采集密度。因?yàn)獒槍Υ朔N探測要求分辨效果的好壞直接取決于采樣獲得的數(shù)據(jù)。

1.2 在利用物探技術(shù)解決此類問題時(shí)，由于探測目標(biāo)體形狀難以保證其規(guī)則性，所布置的探測傳感器往往不在一個(gè)平面，因此目標(biāo)體的幾何參數(shù)需要考慮在內(nèi)[10]。這將對探測觀測系統(tǒng)的布置及后期的層析成像處理中具有一定的參考價(jià)值。

1.3 為提高對最小目標(biāo)體尺寸的分辨能力，在對探測深度與分辨精度的取舍中，先要保證分辨精度；相反如果要求較高的探測深度，對于震波探測方法而言，利用低頻波段的震波時(shí)，低頻震波的繞射將會帶來更多復(fù)雜的問題[10]，即使繞射波可以利用于研究內(nèi)部細(xì)微的結(jié)構(gòu)。因此探測時(shí)應(yīng)使用高頻段的探測傳感器。同樣由于探測深度的局限性應(yīng)最大成度保證探測點(diǎn)完全覆蓋探測目標(biāo)體，同時(shí)縮小傳感器布置間距，從而確保足夠的探測數(shù)據(jù)量。

2 探測應(yīng)用舉例與分析

2.1 利用超聲波法測定材料表面薄層厚度

受時(shí)間環(huán)境的影響，多數(shù)石質(zhì)雕像、古碑的表面材料在氧化、風(fēng)化作用下會形成一層質(zhì)地疏松的薄層，薄層厚度等相關(guān)參數(shù)對文物的保存和修復(fù)工作具有一定的參考價(jià)值。而往往在不運(yùn)用侵入式探測方法條件下難以測定這些參數(shù)。針對如何測定該薄層的厚度人們進(jìn)行了相關(guān)研究[11]（GTT：Global Tomographic Traveltime），此項(xiàng)檢測方法可謂一種將三維層析成像問題轉(zhuǎn)化為一維時(shí)間軸的問題，在假設(shè)薄層內(nèi)部結(jié)構(gòu)各向同性的條件下，可快速精確獲得薄層厚度及波速值。

利用超聲透射原理，文獻(xiàn)首先對大理石石像進(jìn)行不同方向的穿透（圖1(a)），統(tǒng)計(jì)得出透射波波速分布，其整體波速值在3500～6000 m/s范圍內(nèi)（受平均速度不超過2500 m/s表面薄層的影響）。時(shí)間域隨收發(fā)距的變化的擬合曲線如圖1(b)所示。

圖1 [11] 超聲波透射檢測及其速度擬合

然后將收發(fā)探頭安置在同一平面不同間距進(jìn)行探測（圖2(a)），接收探頭獲得的初至波，其到時(shí)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，tn為直達(dá)波的延遲時(shí)間，x為收發(fā)探頭的距離，Vdm為薄層的波速。在該情形下的薄層厚度以及常規(guī)超聲波探頭的頻率難以形成折射波（即速度最快的初至波），再加上保持收發(fā)距值盡量小，基本控制在折射波盲區(qū)范圍內(nèi)。

經(jīng)過多次探測后時(shí)間域隨收發(fā)距的變化的擬合曲線如圖2(b)所示（需剔除接收到折射波的數(shù)據(jù)點(diǎn)）。因此對整體對穿的透射波到時(shí)表達(dá)式為：

此時(shí)Vm為內(nèi)部完好結(jié)構(gòu)部分的波速，S為薄層的平均厚度。若使，容易得出：

該值可由同一時(shí)間域的兩條擬合曲線的交點(diǎn)處獲得。

圖2 [11] 超聲直達(dá)波檢測及其速度擬合

2.2 利用地質(zhì)雷達(dá)法測試古建筑安全隱患

由于某些古建筑年久失修，在自然環(huán)境的影響下，其內(nèi)部石質(zhì)結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的變化，同時(shí)可能導(dǎo)致建筑墻壁表面的附著體破損垮落[12]。這些存在的難以預(yù)測的安全隱患往往給人們的日常生活帶來不便。文獻(xiàn)中利用地質(zhì)雷達(dá)可以快速精確地測試其內(nèi)部破損狀況，達(dá)到安全性檢測的目的。實(shí)際探測中首先進(jìn)行一次校準(zhǔn)的步驟（圖3上）：沿著梁托外壁不同的位置安置鐵棒用于雷達(dá)天線接收反射波，一方面可獲得探測目標(biāo)內(nèi)部材質(zhì)的介電常數(shù)；另一方面用于速度分析，后繼進(jìn)行時(shí)距轉(zhuǎn)換。為保證探測精度，利用電磁波的頻率在1000～1600MHz范圍的地質(zhì)雷達(dá)天線在梁托外側(cè)掃描。雷達(dá)所獲得的第一個(gè)反射界面是梁托外側(cè)頂端的界面，最后一個(gè)界面則是其嵌于建筑體內(nèi)尾端界面，因此這兩個(gè)反射界面之間所出現(xiàn)的其他反射界面便反映了梁托內(nèi)部不安全因素（裂隙、濕氣、巖石降解變化等），探測雷達(dá)剖面如圖3（下）所示。

與傳統(tǒng)的聲波探測相比，雷達(dá)通過內(nèi)部材質(zhì)的介電常數(shù)的差異獲得的反射界面更能直觀反應(yīng)內(nèi)部裂隙狀態(tài)；同時(shí)電磁波與內(nèi)部介質(zhì)相互作用使得波在傳播過程中其極化狀態(tài)發(fā)生改變，無疑這些改變都反映了介質(zhì)和目標(biāo)的信息，所以研究回波的極化狀態(tài)能反映更多的探測目標(biāo)內(nèi)部的問題。

圖3 [12] 建筑表面附著體內(nèi)部狀況檢測及其效果

2.3 利用綜合物探法探測石板裂隙

為檢測某一存在裂隙的浮雕石板內(nèi)部裂隙狀況，綜合運(yùn)用超聲波和地質(zhì)雷達(dá)層析成像方法可以獲得理想效果[9,13,14]。文獻(xiàn)試驗(yàn)研究中，超聲波探測施工了65個(gè)探測點(diǎn)，其中40個(gè)點(diǎn)平均分散在石板四周側(cè)邊的層面上，另外25處分布在浮雕表面。測試時(shí)超聲波發(fā)射頻率的平均值約為55kHz，成像反演過程中將層析三維單元體設(shè)為2×2×2 cm3。通過統(tǒng)計(jì)采樣獲得的所有數(shù)據(jù)，超聲波在石板內(nèi)部傳播速度變化范圍在1500～5000 m/s，可見石板內(nèi)部的破損程度。圖4(a)反映通過層析成像反演后石板內(nèi)部振幅變化分布。

地質(zhì)雷達(dá)探測法并不針對檢測介質(zhì)內(nèi)部連續(xù)性特征，但其對于定位介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷裂、縫隙有較為顯著的效果?，F(xiàn)場探測是運(yùn)用頻率2GHz高頻偶極雷達(dá)天線，在沿橫軸方向上獲得7組剖面，沿縱軸方向上探測12組剖面。通過在Matlab環(huán)境下對深度切片剖面進(jìn)行插值，獲得了1/2深度處迭代反演后的速度變化分布（圖4(b)）。

根據(jù)超聲波振幅大小分布及電磁波速度分布，可以綜合分析目標(biāo)體裂隙發(fā)育特征。

圖4 [9] 石板內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像結(jié)果圖

3 結(jié)論

對于微地球物理無損檢測目標(biāo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測方法，當(dāng)探測目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在裂隙問題時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)的探測效果比超聲波探測方法更易于分辨；而對于研究探測目標(biāo)內(nèi)部介質(zhì)的連續(xù)性，超聲波層析成像法是首要選擇，且超聲波在檢測雕像一類探測接觸面起伏變化較大的目標(biāo)體時(shí)，觀測系統(tǒng)的布置較為靈活，采樣密度更高。在探測條件允許的情況下，采用兩種方法綜合對比探測是提高分辨效果的重要方法。同時(shí)，還可以利用表面波波速、溫度、電阻率等多屬性參數(shù)進(jìn)行綜合評價(jià)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部特征及其變化[15,16]。

目前，國內(nèi)開展該項(xiàng)研究的內(nèi)容相對較少，因此需要得到更多的關(guān)注，其重點(diǎn)是對高精度微觀地球物理方法的研究與提升，為相關(guān)介質(zhì)條件檢測提供有效的技術(shù)手段。

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YuZhong Zhang Pingsong
Institute of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China

Much attention has been paid in a wide range of aspects to solve the problem about cultural heritage, such as preservation, restoration, and diagnosis,etc..How to detect the internal deficiencies and inspect the external degradation of these cultural heritage specifically has become one of the main issues concerned for Conservation managers and restorers, as well as determinating the optimal renovating measure. Therefore, taking full advantage of non-invasive geophysical technology for such security matters is an economical and practical approach, which focuses on observing system layout, detection accuracy and other issues. The Current situation is that ultrasonic computed tomography and penetrating radar technology has played a significant role in micro-geophysical test. With the examples analysed,the detection characteristics has been summarized for the sake of illustrating its feasibility and Applicability. Meanwhile, the reference for the exploration of carrying out some relevant micro-testing applications will be provided.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.024

于仲（1987-），男，山東棗莊人，碩士研究生。主要研究方向：工程地球物理探測技術(shù)。