秦始皇陵揭秘之破解地宮

央視國際 2003年12月09日 10:35

　　秦始皇陵封土堆位於陜西西安市東約35公里處。考古工作者歷經40餘年探索，終於揭開秦陵地下宮殿之謎。

    弧形鏟頭、膠木長柄。100多年前，洛陽邙山南麓馬坡村一個名叫李鴨子的盜墓賊發明了這樣一種盜墓工具。洛陽鏟的鏟頭看似半圓筒，插入地下後，鏟子的內面可以帶上一筒土，以此可以了解地下不同層位的土質、土色、包含物，判斷地下文物遺存。

    秦陵地宮高科技探測法示意手冊

    洛陽鏟長了眼睛

    洛陽鏟尖的泥土上粘着幾塊青石碎屑。經辨認，碎屑為石灰岩，與驪山上遍佈的花崗岩和片麻岩石質完全不同。石灰岩在渭北廣泛分佈，這正與史料記載的秦陵地宮石材運自渭北相吻合。

    2003年7月15日，西安秦始皇陵封土堆東坡灌木林中，一把洛陽鏟在兩名考古人員合力夯擊下，向黃土地節節鑽進。

    這把鏟子的使命，是用傳統方式來檢驗此前運用遙感、物理探測等高科技手段勘探的成果。1米、2米……直到30米深，地下突然傳來“咚咚”的異響———洛陽鏟頂到了硬物。在場的秦陵考古隊長段清波一陣激動，這編號第八的鑽孔下面，正是此前使用物探方法推斷出的石質地宮範圍。這“咚咚”的異響註定將震響考古界。

    過去幾十年中，考古人員用洛陽鏟在近60平方公里面積的秦始皇陵區鑽探了70多萬個孔，希望發現地下陵墓的秘密，但由於沒有科學的定性範圍，收效甚微。

    此次，洛陽鏟與高科技手段緊密合作，如同長了透視的眼睛，事半功倍。

    考古人員將洛陽鏟從鑽孔裏提出，鏟尖的泥土上粘着幾塊青石碎屑。經辨認，碎屑為石灰岩，與驪山上遍佈的花崗岩和片麻岩石質完全不同。石灰岩在驪山地區很少見，在渭北卻廣泛分佈，這正與史料中記載的秦陵地宮石材運自渭北相吻合。

    “地宮找到了！”段清波掏出手機，把電話打給了遠在北京的劉士毅。

    劉士毅是中國地質調查局的物探專家，此時承擔着國家863計劃地球物理綜合探測考古秦始皇陵的課題項目。今年年初，在他的帶領下，項目組在秦陵陵區用物探的方法對秦陵地下進行了綜合探測，得出了“地宮就在封土堆下”、“地宮周圍有一週細土夯墻”等系列推斷，並用詳細數據給出了地宮的位置、範圍、大小和深度。數月之後，物探結論最終得到了考古隊洛陽鏟鑽探的實際驗證。

    “多了句嘴，卻不想改變了我晚年的命運。”2003年12月1日的北京，65歲的劉士毅一臉幸福。

    2002年年初，從中國地質調查局退休多年的劉士毅作為地球物理探測專家，被科技部邀請參加“秦始皇陵考古遙感探測技術”863計劃立項論證會。會上，劉闡述了自己的觀點：遙感只能探測表面，達不到揭示秦陵地宮內部秘密的最終目的；而物理探測卻能深入地下幾百米。這個建議被科技部採納。2002年11月13日，補充增加的《考古地球物理綜合探測技術》子課題正式啟動。

    2003年7月15日那天，和段清波、劉士毅同樣興奮的還有中國煤炭地質總局航測遙感局的譚克龍、萬餘慶等專家們。在劉士毅物探組展開勘探活動的同時，譚克龍也帶領一組科技人員在秦陵區展開了另一項子課題的考古研究———高光譜遙感探測。2002年年末至2003年初的3個月內，遙感組科技人員天上地下蒐集了秦陵每一寸土地的光譜特徵。高光譜遙感合成圖像和物探方法互相驗證，揭示了地宮以及阻排水渠的存在。

    “物探和遙感方法用於考古，以前都有過。但這麼大的規模，這麼多的手段，效果又這麼好，國內是第一次。”12月4日，北大考古學院教授、秦漢陵墓研究專家趙化成評價。

    “封土堆相當於一個大導體”

    表面土壤含水少，深層土壤含水高，常理應該是地表高阻，地下低阻，這樣規則的橢圓狀高阻體，“很可能是由一大團空氣引起。這也從側面説明墓室未坍塌，且未進水”。

    2002年11月21日，劉士毅領着20人的隊伍，扛着大大小小的各種探測儀器從北京趕到西安臨潼，站到了秦始皇陵看似尋常的封土堆表面，準備使用手頭的數十種物探新技術，尋找地下最細微的異常。

    “我一輩子的工作就是在尋找異常！”劉士毅總結説，他的工作好比醫生用X光給病人檢查身體，因為人體病變部位和正常部位存有差異，X光片才成為有用手段。在秦始皇陵物理探測的總體設計方案中，共採用了8大類22種方法進行探測，“所有方法的突破口都是在尋找數據的異常”。

    但探測陵墓自然要比給病人拍X光片複雜。劉士毅説，拍X光片時，為了排除衣物和金屬佩飾的干擾，最簡單的方法是讓病人脫衣服。而在地質探測中，則麻煩得多。

    “陵園的地面建築早已無存，但陵丘高聳如小山包。封土堆上的各種建築物和金屬物品、園內地下埋藏的水管、部分建築物和碑石都含有磁性和電性。墻外還不均勻地分佈着許多村莊、工廠，電網密布。所有這一切在探測中都屬於強干擾源，卻又不能拆除。”

    劉士毅説，最讓他擔心的是，如果封土裏包含有大量礫石，對勘探地宮將是致命的干擾。

    “當時對於物探到底能取得多大效果，心裏尚不完全踏實”。劉士毅認為，“在秦陵物探所使用的8類22種方法中，電法和化學方法的效果最關鍵。”

    劉解釋，按物探設計方案，冬季地表水分最少，相應的電性干擾也最小，所以是電法測試的最佳時機。“電法我們使用了9種。”

    在封土堆上方東西和南北兩個走向上，劉的小組每隔50米佈置一條剖面，沿線把用於測量電阻率大小的電法儀插入土中接收數據，“相當於把封土堆作為一個大導體，選擇不同的位置作為正負極進行電擊，以測定深處不同部位的電阻率。”劉士毅説，物體的導電性不一，空氣電阻率高，水和金屬電阻率低，人工夯土又比含氣孔較多的生土易導電，電法探測利用了這些物理常識。

    科技人員把每條剖面上收集到的數據輸入電腦後，經去除地形影響及干擾源的校正處理，最終將數據合成二維斷面電阻率異常圖。

    “你看到沒有，在封土堆中心下方這裡，一大片深藍色，明顯是一個橢圓狀的高阻體。”劉士毅在電腦上向記者演示紅藍相間的電阻圖，根據圖中高阻體的位置和大小，可以推斷出由石質還是非石質墓室空洞引起。

    “這一下我們信心大增。”劉士毅説，按照道理，冬天氣候乾燥，表面土壤含水少，深層土壤含水高，常理應該是地表高阻，地下低阻，這樣規則的橢圓狀高阻體，“很可能是由一大團空氣引起。這也從側面説明墓室未坍塌，且未進水。因為坍塌了或者進水了，電阻都會降低”。這一推斷在其後的核磁共振及α杯法氡氣探測中同樣得到了驗證。

    在電法探測中，科技人員在阻排水渠位置發現了一個有趣的現象：渠北側的電阻率極高，而渠南側的電阻率卻極低。“由於封土堆地勢南高北低，地下水從南側往地宮方向流，阻排水渠內外側電阻率的差異，説明雖然2000多年過去了，阻排水渠仍然發揮着重要的防水作用，保護了地宮免遭水侵。”劉士毅解釋説。

    劉士毅的助手、負責電法測量的物探所研究人員呂國印説，他們還在地宮中發現了由金屬引起的極化率異常，經判斷不是由水銀引起，也不像是《史記》“下銅以置槨”透露的以銅板澆鑄墓室地基，這説明地宮中有金屬陪葬品。

    細夯土墻和“百川江河大海”

    經過不斷的磁性測定後，發現封土有明顯磁性，且不同位置磁性有一定差異。封土堆中部出現醒目的長方形狀異常區。推斷應該是環繞地宮的地下宮墻。

    電法給了劉士毅初步的信心，但要探測出地宮的準確範圍，還得倚重磁法和重力探測。

    “地球是個大磁體，磁法探測就是尋找內部磁性的異常。”劉士毅説，經過不斷的磁性測定後，發現封土有明顯磁性，且不同位置磁性有一定差異。封土堆中部出現醒目的長方形狀異常區。推斷應該是環繞地宮的地下宮墻。

    “夯實的土壤由於密度增大和物理結構改變，磁性也會增大，細夯土的磁性又大於粗夯土。”地質調查局發展研究中心研究人員袁丙強説。他是劉士毅的另一位助手，負責重力、磁法探測。

    經洛陽鏟驗證證實，封土堆下方存在完整的細夯土墻，“細夯土墻內、外為粗夯土。這種複雜的環繞式封土結構，應是封土堆下方存在真墓的一個證據，也説明了地宮的範圍。”劉士毅説。

    “開始，考古人員都不相信，考古發掘中從來沒見過地宮周圍有夯土墻的，沒見過這種葬制。後來洛陽鏟下去，挖上來了細夯土。”劉感嘆説，地宮的存在，畢竟大家都想得到；阻排水渠是以前就探測到的；只有夯土墻是前無古人的發現。

    考古專家袁仲一先生研究認為秦陵封土由陵園北側現魚池村附近運來。袁丙強介紹，夯土墻使用的黃土含沙，沙非常細，細夯土墻的土質是否與粗夯土及封土一致，是否來自同處，目前尚不清楚。

    在磁法確定夯土墻存在後，根據“細夯土的密度遠大於粗夯土，導致重力異常”的原理，科技人員隨後用靈敏度極高的重力儀在封土堆上對重力異常進行了探測，在細夯土上方測到了明顯高的重力異常，結合矩形磁異常，經測量最終得出了145米125米的宮墻範圍，以及170米145米的地宮開挖範圍。

    “水銀為百川江河大海”的文獻記載，是後人好奇心的一個焦點。“秦陵土壤中含汞，１９８１－１９８２年已經有研究人員物探發現了，這次我們的探測更為精確。”劉士毅説。

    物探測汞的原理是：汞是具有揮發性的金屬，如果地宮中存有大量的汞，封土堆表面的土壤吸附從深處揮發的汞，汞含量應高出周圍土壤。

    “我們取土化驗發現的汞異常是10倍左右，最高是20—30倍，和１９81年探測的結果差不多。”劉士毅説。同時，劉的小組還用取樣機插入土中，抽取了土壤中的空氣做測量，同樣也測出了汞異常。探測中，科技人員發現地宮上方的土壤汞異常的分佈很有規律：北東最強，南西次之，北西最弱，和古代中國人地理觀念中的“江河湖海”位置以及秦始皇本人到過渤海的經歷正相吻合。

    關於地宮有多少水銀，呂國印説，汞的地球化學擴散還沒法通過公式計算，現在還不知道量有多大，“但應該沒有非常大量的水銀。”呂説，封土下汞含量超標20—30倍，不算是非常大，“秦陵含汞兩千多年來，經過了大量蒸發”，汞的含量應該沒有當初的多。

　　彈性波、放射性探測的驗證作用

    用一種機械夯源擊打地面，産生動力波傳入地下，經過均勻體會有均勻的反射，如果遇到不均勻體，就會産生繞射。分析繞射圖像，可以了解物體的性質和位置。

    秦陵物探使用的“8類22種”方法，除電法、重力法、磁法、化學方法之外，尚有彈性波、放射性探測、測溫等，各有效果。

    放射性探測的主要手段是收集分析惰性氣體氡氣。“氡氣從地下緩慢上升。如夯土嚴實，氡氣上來得就少。如裂隙發育，上來得就多。”劉士毅舉例説，在封土堆北面的陪葬群坑地表，氡氣值非常高，“因為這個陪葬坑經過焚燒坍塌，封土裂隙發育”。

    測量氡氣使用α杯，這是一個倒扣於地的杯子，可以吸附氡氣，測量α射線數量。“我們為此專門做了一個剖面，5米一個杯子，每個杯子要扣很久，累計測量。”

    測量氡氣的結果顯示夯土基本未經擾動，裂隙少，地宮封閉性好，“和電法、化學方法一起，説明了地宮保存的完整性”。劉士毅説。

    測溫的方法是把靈敏溫度計（精確到百分之一攝氏度）埋入地下1米，隔5米一個點，佈置了兩條剖面，“共212個點。”劉士毅解釋，渭河盆地熱狀態相對均勻，而地下建築、空洞等會破壞地下熱傳導的均勻性，造成熱異常。測溫的結果是地宮上方溫度異常，和遙感探測的結果一致。

    “我們這次不看重這種方法，”劉説，“因為溫度異常受地形和天氣影響大，要進行地形異常矯正，但現在全世界都沒有精確的矯正方法。”但劉士毅表示，低溫測量，在考古中可能是第一次應用。

    彈性波測量也遇到了困難。劉士毅介紹，聽起來玄妙的彈性波其實簡單，就是用一種機械夯源擊打地面（類似一把重錘的作用），産生動力波傳入地下，經過均勻體會有均勻的反射，如果遇到不均勻體，就會産生繞射。分析繞射圖像，可以了解物體的性質和位置。“本來我們想放炮，找石油測地幔的時候都這麼幹，上百公斤都用過。但這是秦陵啊，考古的人一聽用炸藥，震壞了怎麼辦，都嚇住了。”劉説，其實用少量炸藥就可以，震動可以説比機械夯源還小。

    “機械夯源是在地表，有聲波干擾，效果不好。”劉回憶，彈力波資料出來以後，請了四位教授來處理分析，有的説根本沒有地宮（墓室）信息，有的認為探到了地宮，有的見解則介於二者之間。因此可以説彈性波探測在地宮發現上沒有太大貢獻。“但也不是全部無用。彈力波繞射的信息和磁法、重力法一起，驗證了夯土墻的存在。”

    類似的例子在秦陵物探中多有發生。例如磁法，由於地宮的頂板石為石灰石，磁性與封土土壤差別不大，因此在探測地宮存在與否上作用不大。但如上所述，在探明細夯土墻、確定地宮範圍上，磁法卻起了關鍵作用。在高科技手段和洛陽鏟之間，也是這樣互補、印證的關係。

    劉士毅也提到一個特例，就是細夯土墻範圍內石頭宮墻的存在與否。“我們使用重力法、彈性波法、電法，都測出高度異常，且位置大體一致，顯示存在石頭宮墻。但洛陽鏟在該位置打了一個眼下去，卻沒打着。這只能下一步再印證了，我反正沒死心。”

    遙感探測：背着光譜儀與飛機賽跑

    保存於地下的遺跡是人工建成，就形成了這一地區土壤、水分、地表溫度等一系列的異常，人眼在平地觀察難以發現，在空中用高光譜遙感儀探測則很明顯。

    １２月２日，中國煤炭地質總局航測遙感局遙感應用研究院環境所的遙感辦公室墻上，挂滿了秦始皇陵區的各種遙感圖像。

    “這張很珍貴！”高級工程師萬餘慶指着一張1956年拍攝的黑白照片説，當年航測編繪全國地形圖被列入國家第一個五年計劃，照片是由蘇聯人協助拍攝的。不久後，中國開始了平整土地運動，不少帝王陵墓地貌特徵遭到人為破壞，秦陵封土堆也未能倖免，四週的緩坡被挖成了陡坡，而秦陵1956年的照片保留了大量的原始信息。

    “我們這個項目趕得很巧。2002年9月用於高光譜的儀器才自行研發出來，年底國家863科技計劃就將高光譜遙感考古探測列入了項目中。”萬餘慶説。

    據段清波在秦始皇陵考古遙感與地球物理技術成果驗收會上介紹，高光譜遙感考古應用在國際上是第二次採用，而在國內還是首次。

    由於保存於地下的遺跡是人工建成，與周圍沒有人工擾動的土壤存在差異，就形成了這一地區土壤、水分、地表溫度等一系列的異常，人眼在平地觀察難以發現，在空中用高光譜遙感儀探測則很明顯。

    萬介紹，高光譜遙感儀是一套高性能的紅外線探測儀，由機載和地面兩部分組成，是將傳統二維成像技術與光譜探測技術結合，形成三維遙感圖像，通過校正和反演，解讀出陵墓信息。

    2002年12月，秦陵科研項目啟動後的3個月內，遙感小組人員在近60平方公里的陵區裏“地毯式地收集地面特徵光譜”，課題組工程師周小虎説。地面上的每個物體都有自己的光譜特徵，這些特徵反映在遙感圖像上，就是高山、盆地、樹木、湖泊，而高光譜遙感又能捕捉到地下一定深度的光譜特徵，秦陵地下的秘密就會在圖中露出端倪。

    2002年3月19日上午10時30分，中煤航測遙感局在中飛通用航空公司租用的一架運－12飛機從西安閻良機場起飛，向20公里外的秦始皇陵區上空飛去。在機身下，安裝了一台相當於“相機鏡頭”的成像光譜儀，這個“鏡頭”在空中對陵區地面散發的光譜逐行掃描，這些數據最終將構成合成圖像。

    為保證整個陵區圖像信息的完整性，航線有着嚴密要求：飛行高度保持在1200米左右，在東西方向上要飛行13趟，在南北方向上飛行3趟，且兩條航線之間至少要有30％的面積重合。

    “這恐怕是難度最高的飛行了。”萬餘慶説，飛機在空中稍微一點的俯仰、側滾和偏航，都會使得“鏡頭”偏出掃行線，最終影響到圖像的真實性。為消除飛行帶來的誤差，科技人員在機身上安裝了當年10月剛從德國進口的高精度航空定位導航姿態測量儀。機身在飛行中任何一點的抖動都會被精確地記錄下來，科技人員借助飛行姿態的記錄，通過數據校正和圖像變形，最終將遙感圖像恢復原貌。

    “在地面，我們要與飛機賽跑。”工程師周小虎説，為了排除氣溫變化的干擾，飛機在陵區上空飛行逐行掃描到哪，按高光譜遙感探測的要求，他們就應在地面同步測量到哪。

    “在飛機飛行的6個小時裏，我們要背着15公斤重的測溫儀，馬不停蹄地把幾百個點的溫度都要測量並記錄下來，而與飛機探測的前後時間誤差最多不能超過半小時。”萬餘慶説，6小時的探測一結束，每個人都累得栽倒在地。

    運－12飛機不間斷飛行最長時間為6個小時，3月20日晚11時，飛機又進行了二次飛行。萬餘慶説，之所以選擇晚上，是因為此時大地接受太陽輻射的熱量基本散去，此時的地表最接近自然溫度。
萬餘慶介紹，國內首次高光譜遙感探測取得了突出成果：在高光譜合成圖像上，可以看出封土堆下西墓道的存在；可以確認阻排水渠在封土堆東側和南側的控制範圍，以及它的阻水作用依然存在；通過對比，封土堆上出現的高熱異常分佈區與物探所得高磁異常矩形分佈區一致，説明了地宮的存在和範圍。

    積極的科技部和低調的文物總局

    以往遙感、物探考古也有過不成功的經驗。三峽庫區的一處墓葬，用高科技手段判斷了範圍和埋藏，挖下去卻是生土。寶雞秦公一號大墓的發掘也讓人失望。但趙化成認為，這一次秦陵遙感、物探考古的成果是可信的。

    “高科技和考古結合，當然是一件好事。”北京大學考古學院教授趙化成説。

    趙化成介紹，遙感和物探方法參與考古，“從上世紀90年代就出現了”，也做過不少的項目，包括三峽庫區考古和寶雞秦公一號大墓勘探。

    科技部高新技術司信息處處長景貴飛對高科技參與考古的前景充滿了熱情。“國外高科技手段與考古結合也是一個趨勢，比如機器人探測金字塔，還向全世界直播。”

    景貴飛説，遙感和物探最可貴的地方在於是無損探測，相比於發掘，“可以提前知道文物信息，確定保護和搶救方案而又不破壞文物。現在基礎建設越來越多，這方面的要求很迫切。”趙化成説，由於秦陵不能開挖，用現有考古手段，很難探知地宮結構。在傳統的條件下，考古含有一定破壞性。遙感、物探等高科技手段克服了考古和保護之間的矛盾，“而且不會花太多的人力代價。”

    景貴飛對於科技參與考古的遠景頗為樂觀：“通過類似於在秦陵的全面試驗，可以形成一整套創新技術體系，推廣到其它考古地點。而且這不僅僅是一個考古的問題。中國擁有豐富的文化資源，卻沒有和現代意識結合。這些資源應當通過科技手段宣傳、展示，應該讓公眾知道。”

    12月1日，國家文物總局信息處一位工作人員稱：“這件事業務部門認為不宜接受採訪。”考古處李培松處長説：“我們批准了陜西省文物局就此事的報告。這是科技部的一個項目，我們是支持的，但沒具體參與。”關於勘探的具體情況和下一步的計劃，李培松沒有透露更多信息，“主要是陜西的在做。”

    在國家文物總局的官方網站上，沒有出現此次秦陵考古的動態消息或介紹。

    “文物總局低調有他的道理。”12月4日,趙化成稱。他解釋,科技手段參與考古,是一種進步,考古引起百姓的關注也是好事情,但“物探、遙感畢竟也不可能非常準確,也就是了解一個框架,還有一定模糊性,只是基本上可信。”

    以往遙感、物探考古也有過不成功的經驗。三峽庫區的一處墓葬，用高科技手段判斷了範圍和埋藏，挖下去卻是生土。寶雞秦公一號大墓的發掘也讓人失望。但趙化成認為，這一次秦陵遙感、物探考古的成果是可信的。（記者 高明 袁凌 西安 北京報道 記者 李鋒 攝影）（來源：新京報）