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地球物理探测技术给芒洪八角塔“看病” 遗产撷英

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1.八角塔概况

    芒洪八角塔(布朗族语为毕努),位于云南省普洱市澜沧拉祜族自治县芒景村芒洪寨,是一座布朗族小乘佛教佛塔,始建于清代康熙年间,是全国重点文物保护单位“景迈古茶园”中一处重要的文物建筑。

    该塔为重檐攒尖顶八边形石塔,由塔基、塔身、塔顶组成,通高5.8m。塔基为砂岩,八方须弥座式,高1.6m,塔身高2.1m。檐口八角起翘,檐下绘有古代兵器图案;塔身为空心,用于收藏经书,直径3.36m,北向设门。塔上有二十三块石雕图案,一层有八副,二层有七副,三层有八副,融合借鉴佛教、道教、儒家文化,既有佛教释迦牟尼菩提树下悟道,又有汉族民间传说“鲤鱼跳龙门”,还有道教“暗八仙”图案等,反映了景迈山早在清代就存在不同地区、不同民族、不同文化的交流融合。整座塔的建筑风格独特,精雕细凿,精美绝伦,具有很高的文物价值。


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图/八角塔塔身石雕

    芒洪八角塔所处的地理环境为景迈山西南坡的一处台地之上,随着地质沉降和长期的风化侵蚀等原因,芒洪八角塔出现塔体倾斜和塔身开裂现象。是什么原因使得这座历史悠久的石塔倾斜?八角塔所在区域的地质条件是否稳定?八角塔使用的是什么材料?采用了什么样的建造工艺?八角塔的内部结构和基础是什么样的?八角塔塔体的裂缝是否严重?八角塔会继续倾斜甚至倒塌吗? 


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图/塔身倾斜和塔体裂缝

    对于八角塔的保护利用,上述问题的结论直接决定了后继的保护措施,应该如何诊断它的问题,并且给予合理的保护干预呢?这次,我们尝试通过“应用地球物理学”来进行分析研究,今年10月邀请中国地质大学地球物理与信息技术学院的钱荣毅老师一起,组成浩浩荡荡的九人团队,带着高大上的地球物理探测设备来给八角塔“看病”。

2.地球物理探测在八角塔的应用

    地球物理探测具有对不可移动文物无损害、检测结果分辨率高等特点。它的原理类似于医院的“CT扫描”,地球物理勘探就是用CT扫描的技术实现了对八角塔地下结构或塔体内部结构的无损检测。在利用一系列设备和人员配合检测后,对得到的一系列检测数据进行处理解译,就可以摸清八角塔地基地层的分布情况,八角塔内部的结构以及八角塔裂缝发育程度。

对八角塔进行地球物理探测的完整过程就相当于中西医的结合,在“望、闻、问、切”之后,再用西医设备检测。通过实地的勘察,团队制定了采用超声波检测、探地雷达探测塔身;采用二维多波地震勘探、钻孔勘察、标贯探测塔基的“CT扫描”技术路线。


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图/现场调查制定工作技术路线

    这里,主要介绍其中二维多波地震勘探以及探地雷达的工作方法。

3.维多波地震勘探及探地雷达结合探测塔体倾斜问题

    意大利标志性的比萨斜塔,其塔体倾斜的主要原因是土层强度差,塔基的基础深度不够,再加之其大理石砌筑的塔身自重非常大,因而造成塔身不均衡下沉所致。那么澜沧县景迈山芒洪寨的八角塔,倾斜的原因又是什么呢?

    二维多段地震勘探

    二维多波地震勘探能通过探测塔体周围的基岩面的深度及塔基地层的分布形态,为我们找出病因提供支撑。

    其原理是利用锤击震源的检测数据进行分析。这种人工生成的震波,有别于生活中会造成灾害的有感地震或破坏性地震,其震波强度及破坏性很小,不会对八角塔造成损害。在不同的属性岩层,震波传播的速度和振动特征不同。根据这种特征差异,我们对仪器检测记录的数据进行分析处理,最终反演成图,从而推断塔体基岩地层速度的分布情况。

    首先围绕塔身,在其周边布下 “井”字测线四条,每条测线长度约100米,炮距4米,道距2米,48道接收。之后,便是抡起大锤开始生成震波啦。

  

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图/地震勘探布线示意图


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图/现场布线工作以及锤击瞬间

    由于地震波在回填土中的传播速度慢,在基岩中的传播速度快,两者相差很大,通过速度分析,我们可以大致划定塔体所在区域基岩面的位置。此外,我们还要分析地基的完整性和地层的倾斜度。基岩若不存在破碎带,利用地震波反演的速度图像在其水平方向速度变化基本不大;如若存在破碎的话,那么在速度图像上,破碎位置其速度显示相对降低。 地层的倾斜度也是通过速度图像的观测,如果同一速度分布呈水平直线,无明显倾斜,则可以判断地层水平;若同一速度有倾斜趋势,则可以推断地层大致倾斜方向。

    探地雷达检测

    世界上没有地层模型是一顿勘探分析建立不起来的,如果有,那就两顿,嗯。

    于是,我们还利用了地球物理的另一种方法——探地雷达,对其进行探测。这样既能使地震勘探未能反映的现象得以呈现,避免造成错误结论;又能使结果有对比性,从而提高探测精确度。

探地雷达是以不同介质间电性差异为基础的一种物探方法。通过雷达发射天线向地下发射脉冲式高频电磁波,当遇到不同电性差异的界面或目标体时,即发生反射波和透射波。通过接收天线接收并记录反射波,通过连续发射和接收电磁波形成时间记录剖面。同样,对记录的数据进行分析处理,从而获得不同电性性质的地下地层与岩石的形态。因此,在地震勘探的“井”字测线上,我们同样进行了探地雷达探测布线。


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图/探地雷达工作原理图


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图/塔基探地雷达测线图

    从探地雷达测线的结果可以看出,基岩面基本水平(上图红线),基岩岩层略微倾斜,基岩面以上有杂乱的反射。

    地震勘探和探地雷达的结果显示,八角塔坐落在砂岩上,回填土大约1m深,基岩岩层略微倾斜,导致了八角塔顺层倾斜。

    进一步论证

    因为地球物理的干扰因素太多,除了锤击,人的走动、过往的车辆都会产生震波。为了进一步验证分析结论,团队在澜沧县文物管理所的帮助下,在塔基外围开挖探槽。通过探槽,可以清晰地看到八角塔地基有1m左右厚度的回填土,下面是基岩面,整个塔体是坐落于基岩上的。


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图/探槽挖掘以及地层厚度测量


4.探地雷达检测塔身结构及开裂成因

    找到八角塔倾斜的“病因”之后,我们又用探地雷达对八角塔的塔身进行“全身检查”,想探明八角塔塔身结构以及裂缝的发育情况。

    通过检查发现,八角塔倾斜面上的裂缝较多,且其具有规律性,即裂缝的发育是从下往上连接着发育,且裂缝成下宽上窄的规律。推测这一现象有两种可能:(1)是由倾斜沉降面的压力和相对上升面的张力负荷引起;(2)是倾斜面风化程度比其他面严重,导致裂缝发育相比于其他面更快。

    通过探地雷达检测影像,我们可以判断塔身结构由两层砖组成。根据对电磁波在塔身的传播速度分析,八角塔八个面风化程度无明显变化,其产生裂缝的原因应是倾斜沉降面的压力和相对上升面的张力负荷引起。


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图/塔身探地雷达测线示意图以及检测工作过程


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图/探地雷达检测影像显示三个明显的同相轴(红线),表明了塔身结构由两层转组成;其中有一个明显的错段(黄线),是经过砖缝时的反应;塔身速度分布基本均匀。

5 结语

    短短的几行文字,只是让我们了解了应用地球物理学在文化遗产科技保护领域应用的冰山一角。传统的勘察方法,更多记录的是一种现象;在现象之下,对于产生这种现象的原因,难以有明确和充分的认知。这次尝试是希望了解在塔体倾斜和塔身开裂的病症之下,是塔自身的结构出现了问题,还是脚下的地层出现了问题,而检测的结果也给予了我们答案。随着遗产保护认知的深入和我们对跨专业技术的理解,相关技术在遗产保护中的应用势在必行,期待更多学科参与到文化遗产保护的工作中来。

    ■项目名称:景迈古茶园-芒洪八角塔勘察设计方案

    ■起止时间:2016年10月——至今

    ■项目委托方:澜沧拉祜族自治县景迈山古茶林保护管理局

    ■项目承担方:北京国文琰文化遗产保护中心有限公司  综合三所

    ■进展程度:进行中

*本文作者为CHCC综合三所八角塔勘察小组、中国地质大学地球物理与信息技术学院。文中图片均由八角塔勘察小组提供。



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