考古勘探（Archaeological prospection）是地球物理方法在考古学中的应用，在欧洲是众所周知的，大约有四十年历史（如果考古地区的航空摄影也包括在内，则有七十年了）。实际上，除测井技术外，所有的地球物理方法都已应用到寻找看不见的，或部分知道的考古地点。考古工作者的强烈要求，公众对保护历史文物和史前文物以及文化遗址的强烈愿望，加速了高分辨半地球物理方法在考古科学中的应用。
导 言
考古勘探工作最迟开始于四十年代，当时并非广为人知，特别是北美。大多数专业人员都是些较小的私人团体，他们具有土工基础知识，对考古十分感兴趣。他们没有什么基金资助。照惯例，考古学也是学术研究中资金最少的一门学科。
也许是要较早地查明欧洲和中东的古建筑，考古学中的地球物理工作主要集中在那里。这方面的专业人员之间的交流是非正式的，没有建立任何学术团体，没有专门发表考古勘探方面的文章的杂志。《考古勘探学》这本专门杂志只从1966年至1973年出版发行过。自1973年以来，像《考古测量学》，《波恩年鉴》，《野外考古学杂志》和《考古科学杂志》这几种刊物偶尔发表过几篇有关这一专题的文章。美国勘探地球物理学会编辑出版的《地球物理学》杂志，1986年3月的第51卷第3期是以“考古学中的地球物理学”为题的专集。这也是近十年来有关该专题仅有的几本专集之一。
定 义
每一个行业都有自己独特的专门术语，常常产生速记或缩写词，便于交流。遗憾的是、专门术语又使专业人员与其它专业的同事相隔离。尽管这种缩写过程会产生首字母缩写词，而最危险的结局是用普通词句去表达这样一些概念，这些概念的意思对具有不同背景知识的人有细微的不同。由于考古勘探已众所周知且应用广泛，为了避免混淆，在易误解的习惯用语广为流传之前，需要对一些术语小心定义。
首先碰到的问题就是需要一个词来描述“在考古测绘应用中，用来测量许多有用的物理性质的、高分辨率地面地球物理方法”这一附属专业。在这里，缩写词可能是有用的。“考古物理学”（archaeophysics）这个名词可能是可以接受的，但它已被用来描述一个相当广阔的领域，包括考古磁学和同位素测年，甚至包括指出古文物出处的方法。“考古地球物理学”（Archaeogeophysics）也许是最合适的一个词，但像“考古勘探”（archaeological prospection）一样，它还是有点笨重。
虽然“考古勘探”这个词在欧洲很普通，用来表示考古学中所用的地球物理方法的意思。但是，在北美的考古工作者中间用得最普通的名词是“遥感”（remote sensing）。这就是前面暗示过的、可能引起混淆的一个例子。因为对于地球物理学家来说，“遥感”通常是指用飞机或宇宙飞船摄取地球表面的影像；数字增强和几何校正处理器是必需的附件。然而，对北美的考古工作者来说，遥感起初是指高分辨率地面地球物理和地球化学技术的应用。事实上，考古的目标物确实是被“遥远地”感知，即被无破损地探测出来。
另一个在地球物理工作者和考古工作者之间纠缠不清的名词是“挽救考古学”（rescue archaeology），即指在一片土地被大规模改变形态、被辟为现代生活或工业区之前，进行考古勘查。通常，如果不借助地球物理方法，不可能在短期内对一大片地区进行有效的勘查。
“考古磁学”（Archaeomagnetism）是指通过比较从砖瓦窑或炉床中取来的定向标本的磁性，细致地重塑磁场长期变化的记录，以确定最后一次燃烧的年代（磁畴重组的时候）。“无破损考古学”是指用地球物理方法提供关于潜在考古目标物的三维信息，而不损害它们。这类似于医学上的非侵入层析X射线摄影测量技术，如“CAT（计算机辅助层析X射线摄影法）扫描”。这一点对希望保存文化遗产以及研究它们的考古学家来说是重要的。
考古学的需要
人类学是一个大领域，它包括许多子学科，如物理人类学，人种学，考古地质学，古病理学，和起源研究及其它。所有这些子学科都要依靠野外考古工作者收集材料。传统的考古挖掘工作是这样的，在有历史文物、地表人工制品，或能反映早期人们居住过的地表形态的地方，挖沟和掏心。挖掘的目的是要获得随后实验室研究和统计研究所需的文物和生物学的赝象。随着工作的进展，通过精确的现场记录程序，为这些赝象的三维（3-D）关系提供证明材料。
在过去几十年中，考古学的重点转移到实验室的仪器分析，对人类的文物和文化遗址的陆地变迁进行评价。考古学家们没有时间把所有考古地点上的文物都挖出来。如果没有地面标志作指引的话，考古工作者就要集中时间挖沟。一开始免不了作随机的、浅部挖掘。这是一项艰苦的工作。因此，迫切需要一种快速估计考古地点位置及遗址的隐伏产状的方法。
最近，因为要保护文物避免受现代发展的影响，已产生了政治压力，并通过法律体现出来了。在文化遗址永久丢失之前，要求对环境的影响作出估计。这些法律在欧洲是相当严厉的，特别是德国。美国政府有500多名考古工作者负责保护史前的和历史的建筑和界标，进行挽救考古学。由于要考古工作者释放一座供开发的土地，使得他们对地表的古文物的细致勘查评价受到限制，也许还有某些随机挖掘，但深度都不到0.5米。
地球物理方法和少数地球化学方法为考古工作者提供了无破损的、快速地下勘探技术。地球物理方法述带来一个额外的好处：通过对整个地区的快速、均匀的普查，可以相当容易地获得这个地区内相互关系的示意图。
现在，考古工作者常用地球物理方法测绘炉膛以及在磁性上被营火改变了的土壤。他们也测绘建筑物的地基，贝塚（垃圾堆），埋藏物，和以前人类活动所开挖和压实的土壤。然而，值得注意的是，地球物理方法还只是偶尔使用。大多数考古工作者在意识到需要地球物理学的支持的同时，主要是没有意识到使用地球物理技术。
对考古学中的地球物理方法的评述
在用于考古学中的地球物理方法里，要区分勘探方法（探测）和与之相对的非勘探技术，如起源研究或测年方法（包括考古磁学）。勘探方法可以进一步分为地点勘探和内部测绘。这里所述的高分辨率地球物理方法几乎都是用于遗址内部的测绘，即用来指导在已发现的地点进行的挖掘工作。地点勘探，即寻找未发现的地点，有时是由航空摄影或航空仪器获得的数字影像来完成。高分辨率航空系统（如法国的SPOT卫星上的哪些系统和陆地主题测绘仪）和现在可利用的高级技术可望在今后十年里在这一领域得到大发展。
用得最久的勘探技术是航空摄影。航空摄影在英国是成功的，实际上那里到处都发现了罗马时期和罗马以前的建筑物，在地面工作开始之前，先在勘查区上空放测量气球，由气球上悬吊的仪器获取可见光和接近红外光波长的两种图像。接着评价由航空仪器获得的多频谱影像和由宇宙飞船（包括空间实验室和陆地卫星）上的仪器获得的影像。这种影像主要是因为可用的分辨率低而不如航空照片有用。已用于美国航天飞机上的大口径照相机的出现，无疑会改变这种状况。
已有用温度测深寻找埋藏的建筑物（石质的和木质的）的工作报道。虽然没有实际资料可资证明，但许多军事机构已经使用红外热辐射遥测系统多年了。热成像在考古中的应用公开发表的很少。值得注意的例外情形是，有一篇文章介绍怎样用航空热成像查明在亚利桑那北部，700多年前属Singua文化的、被遗弃的农业区。红外热辐射遥测法（IR）或热惯性法在隐伏有相当大的建筑物靶区上或因后勤原因或因政治原因不能接近的靶区上特别有用。
自五十年代末开始，偶尔用过地震折射波法，但不太成功。在考古学上比较成功的一个变种是“声谱测量仪”（Sonic spectroscope），它主要用于寻找洞穴。这种方法是发射频率为20 ~ 3000 Hz的声波，监测那些谐振频率的反射回波（消除校正响应之后）。声反射技术（如侧向扫描声呐）已用于海洋环境，主要是在欧洲。例如沉入爱琴海的城市，部分或全部埋入海底沉积物中的遇难船只已被查明。
因费用高和野外工作困难而复杂，使反射地震法直到现在才用于考古工作。高分辨率测量（这种技术曾用来识别在墨西哥湾的钻井平台之潜在危险）最近用于近海岸环境，研究古人类可能聚居的地方的古海滩沉积物。这些测量对白令海峡陆桥的考古研究能起重要作用。白令海峡陆桥是间冰期人类迁居大多数潜在的地方，至今已有5000多年，现在已在水下。
考古学家最常用的地球物理方法——磁法，1958年首先在英国试验。它通常用来测绘石质地基和圈定锻炉，砖瓦窑，炉床及营火地点的位置。Colani和Aitken（1966）描述过在测绘人工土壤（被人类活动改造过的土壤）中，表土磁化率测量的有效性。
最近，考古学中的磁测革新主要集中在测量仪器——以微机为基础的磁性数据采集系统，从而获得评价整个地区所需的大量数据。出于对大面积测绘的分辨率和速度的考虑，有些考古工作者从用质子旋进式磁力仪转向用磁通门式梯度仪。Gibson（1986）报道了用模拟实验提高对野外数据的估计精度。
考古磁学，虽然在技术上不属勘探性质，但它是—门正在发展的科学。根据垫在古砖瓦窑中的石头里保存的磁场方向来确定该处的年代。地磁场的历史已用历史记录和放射性数据正确地标定，并用火山灰年代学和树轮年代学（树木年轮）对其控制和精选过。
电阻率法在考古中的应用早于磁法。1946年在英国首先使用。这种技术得到进一步改善，在欧洲现已常用于大面积快速填图。用1米的网格，每天可测绘几公顷。电阻率可探测掩埋的沟渠和石头地基。
1968年，激发极化（IP）法首先在英国使用，且取得一定的成功，但辄没有广泛使用。少数人工材料具有天然激化极化性；主要的例外是未氧化的金属埋藏物，它们通常太小，在野外测量中不能引起比噪声——异常下限更大的信号。一个值得注意的例外是，十八世纪末到十九世纪初，偶尔用铸铁棺材。美国南北战争中，很多火车头和炮筒丢失在浅水中，这对磁法测量来说是相当简单的目标。
电磁（EM）法大约从1960年开始应用。现在使用的、最有效的勘探仪器之一，仍然是感应土壤电导率仪。几乎可以说，操作员能走多快就能做多快的测量。它（与雷达一起）仍是最快的地球物理方法之一。工作原理类似的查属探测器，常用来寻找尚未氧化的古金属物，也用来区分现代文化污染（金属管壳和其它铁磁碎屑）与像炉床这样较古老的源引起的磁异常。考古工作者用精心设计的斯陵克拉姆（Slingram）电磁系统（即水平线圈测量系统），它有空间参数和频率参数，在与地面不接触的条件下可同时获得电导率和磁化率数据。
也许在过去十年中，考古学中最重要的技术革新是地面探测雷达。七十年代初首先在美国使用。它开始是为工程地质研究而设计的。它很快就成为考古工作者在地球物理的野外测量中用来进行内部测绘的最重要的单一仪器。相对来说，地面探测雷达给出的硬拷贝（hardcopy）地电断面在野外容易解释。有报道说，地面探测雷达用来寻找浅部墓穴，巴斯克人炼鲸油的地方的鲸骨、和埋在魁北克的历史上的防御工事的地基。
在土壤的电导率或损耗角正切大的地方，地面探测雷达的应用受到限制，因为粘土层使其下部的任何东西都不能被雷达探测清楚。直到现在，雷达系统的花费还是惊人的，这就限制了它在考古学中的应用。但宽型纸拷贝系统在市场上的价格现在只有15，000美元。
放射性方法主要用于实验研究。因为有机物质（人的骨骼，废物和贝塚）所含的磷酸钙中含有微量的但能测出来的辐射核素。然而，富含磷酸盐的、十分浅薄的人工土壤也能探测出来。中子散射也曾试图用来寻找掩埋的墙壁和洞穴。因其具有很大的放射性危害，所以，使用这种方法就成了迫不得已的最后一着。
重力方法看来用途有限，基要是因为作合适的高度和地形改正要花大量的时间和精力。然而，与其它方法一道，它也用来圈定过突尼斯的古迦太基。在波兰，重力梯度法被用来寻找地下洞穴。
自然电位（SP）法在1967年首先用于海洋考古，以查明美国南北战争时期（1864年下沉的）的一艘装甲舰。1980年用于陆地考古，获得惊人的成功。虽然，如果有两到三个人参加的话，几乎可以像磁力仪一样快速地进行自电测量，但相对说来，自电的野外工作速度还是较慢的（它需要有精确的噪声衰减野外处理器）。不管怎么说，自电是所有用于考古学中的地球物理系统里设备最简单的一种，因而，对非专业人员来说，它是最合适的一种方法。所需的硬件仅为一个高阻抗数字电压表，三根或四根Ag-AgCl电极，一把小铲和一些导线。
上述讨论是不完善的，没有涉及复杂的、新的数据处理技术的应用。这种技术能获得考古地球物理数据中的细微特征。特别是对影像的空间滤波和增强算法，现正用来在有地质成因的强异常情况下增强弱线性特征。为微机所用的高级的、新的图形程序包终将成为考古地点内部三维相互关系研究的重要部分。现在，大多数考古地球物理数据是在微机上处理，以增强表征考古物品的细微特征的清晰度和固有的探测能力。
考古地球物理学的未来发展
由于土地开发之前要对其进行考古评价，因而产生了环境和政治压力，特别是在欧洲和美国联邦所有的土地上，地球物理法在考古学中的应用已经增加。地球物理工作者和考古工作者在野外一起工作（通常在他们的业余时间内）的人数也相对地增加了。
我可以大胆地预言：在考古学中，快速普查方法，以及信号处理、图像增强和图形显示技术的应用将会增多。对于那些因政治或后勤原因不能直接勘探的地方，将不可避免地要增加使用飞机和空间站获取的多频谱影像及热成像。
值得注意的是，差不多还没有关于类人物质的地球物理特征发表。因此，我肯定，随着对世界各地野外，考古地点的地球物理和地球化学数据的分析的进一步增多，将导致实验岩石物理分析的增加。这些分析是需要更好地了解考古地点上发现的地球物理特征（和环境控制因素的影响）的必然结果。
在前面的讨论中，我只简要地谈及地球物理方法在解决考古学问题时的失败。遗憾的是，所讨论的方法不是任何时候都适用。例如，磁法在某些不利的地质或文化环境（靠近电力线等）下就不能用。这就导致新方法或新技术的发明。在这个意义上、失败是考古地球物理（或任何其它）研究中最重要的促进因素。
因此，在今后十年内，将会看到另一种类似于地面探测雷达的新勘探方法的出现。然而，最令人满意的断言，也许是随着广大不同背景和专业的科技工作者之间相互影响的增加，物理学、文化和社会研究将更加融合。横向文化交流的兴奋和乐趣使得在这项工作中所流的汗水和偶尔的失败都是值得的。真正的探测工作将使5000年前的家庭和生活方式在计算机的屏幕上复活，这就是对这项工作的报答。
[Geophysics，v.51，n.3，1986年3月]