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国家文物局考古研究中心:科技创新赋能深海考古 为世界提供中国经验

来源:国家文物局          2024-7-16 17:35:11

500多年前,在今天海南岛与西沙群岛之间的中国南海海面上,两艘满载货物的大船先后相向驶过,一艘准备着开启异国的长途跋涉,一艘急切地奔向咫尺之遥的故乡。命运使然,它们最终都沉没在这里1500米深的海底。

2022年10月,两艘尘封了500余年的古代沉船被来自中国科学院深海科学与工程研究所的科考队员偶然发现,船上伴有大量瓷器及珍稀原木等文物,初步判断为明代沉船,分别定名为“南海西北陆坡一号、二号沉船遗址”。

“根据提取出水的一些陶瓷器来看,一号沉船大概处在明代中期正德年间,二号沉船大概是弘治年间,两条船大致在一个航道上,这条航线我们现在叫古代的海上丝绸之路。”南海西北陆坡一号、二号沉船遗址考古调查项目首席科学家宋建忠介绍到。

一号沉船船货以外销瓷器为主,二号沉船船货以从海外输入的木材为主,共同再现了海上丝绸之路的贸易繁盛景象。两处沉船年代相近,相距仅十多海里,是我国首次在同一海域发现出航和回航的古代船只;船体保存相对完好,文物数量巨大,时代比较明确,具有重要的历史、科学及艺术价值。不仅是我国深海考古的重大发现,也是世界级重大考古发现。

在过去相当长的时间里,由于技术限制,中国人无法到达深海,更谈不上进行深海考古调查。党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央高度重视我国深海科考事业,南海深海考古迎来千载难逢的发展良机。2017年8月,中国第二台深海载人潜水器“深海勇士”号成功在南海进行首次载人深潜下水,作业能力达到水下4500米。这一深海利器自此拉开了中国深海考古的序幕。

2023年,国家文物局考古研究中心、中国科学院深海科学与工程研究所、中国(海南)南海博物馆联合对遗址开展了深海考古调查,在一号、二号沉船遗址核心堆积区西南处布放水下测绘永久基点。该基点既是一号、二号沉船遗址水下考古工作的测绘基点,也是水下文化遗产的重要保护标志,对我国深海考古事业发展具有重要的奠基意义。 

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一号沉船遗址水下测绘永久基点

宋建忠回忆乘坐“深海勇士”号载人潜水器第一次到达一号沉船遗址时的场景:“在潜器下潜的过程当中是不开灯光的,完全是漆黑一片。当我们到达沉船现场的时候,灯光一打开,你会看到很震撼的场面。从沉船上甩下来的货物,有陶器、瓷器,大概有300多米长、50多米宽。”中国(海南)南海博物馆馆员张凝灏在第一次看到水下的实景视频后感慨:“整船的瓷器太壮观了,以至于我在报告中一度不知该如何形容,任何词汇、任何表述都无法全面展现沉船给我带来的震撼和它真实的价值。”

这是我国首次在1500米深海发现明代沉船遗址,也是中国水下考古工作者首次运用考古学理论、技术与方法,对深海古代沉船遗址开展系统、科学的考古工作,标志着我国深海考古迈入世界先进行列。

“多学科介入”“多团队合作”,引领深海考古学科建设

秉持着多方协作的工作理念,国家文物局考古研究中心联合中国科学院深海科学与工程研究所、中国(海南)南海博物馆,开展考古、海洋、地质、化学、生物、材料等多学科、跨学科、跨领域的合作分析与研究。

利用海洋地质、地球物理、生物学、化学等自然科学方法,开展两处沉船遗址所在海域的海底地形地貌、水深水文、海底构造、海洋生物、海水等综合研究,科学揭示沉船埋藏的深海环境特征,构建沉船遗址所在海底的局部微环境。

利用材料学、木材学、生物学、化学等自然科学的方法,开展深海埋藏环境下沉船本体和典型船载物品的海洋环境病害机理研究,揭示其腐蚀特征,科学评估船体及船货保存现状。

基于埋藏环境及对遗址的相互影响、沉船沉没和遗址堆积形成过程及计算机数值模拟,综合评估沉船保存现状,探究南海深海沉船分布规律和动态变化。

这次水下考古项目首次使用科技手段对深海沉船遗址出水瓷器进行系统分析和研究,多学科联合探索船载瓷器制瓷技术水平。首次建立深海沉船瓷器科学数据库,并借助大数据分析探讨沉船瓷器与古代海上丝绸之路的关联。

国家文物局考古研究中心水下考古研究所所长邓启江回忆,科考船上每天都会召开科学家例会,研读前一日载人潜器带回的影像资料,对关键图像进行逐帧分析,不忽视一丝一毫的问题。 

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提取样品

以南海西北陆坡一号、二号沉船遗址的发现和工作过程为例,项目组有针对性地制定和总结了《基于载人潜水器的深海摄影拼接操作规范》《载人潜水器深海文物提取作业规范》《深海考古文物定位投影与标注规范》等规范和技术流程,并结合工作中出现的问题不断调整修正,为未来的深海考古工作提供了科学依据和操作指南。

探索技术创新,实现科技与考古跨界融合

按照一般的定义,深度在海平面200米以下的海洋属于深海区。地球海洋中,水深每增加10米,水压就会增加大约一个大气压。正常情况下,人类生活在地球表面,所承受的大气压约为标准大气压。特殊环境下,健康人一般可耐受3-4个大气压,相当于水下20至30米的深度,而在海洋深处,受深海高压等因素影响,考古学家必须搭载载人潜水器才能抵达遗址现场。同时,按照考古学的要求,还需要在大深度环境下,开展水下遗存的准确定位、影像拍摄、探测数据采集、三维扫描、文物提取等工作,与传统田野考古及水肺潜水水下考古相比,对技术装备的要求更高。

中国科学院深海科学与工程研究所研究员陈传绪每每提及考古学者提出的探测、定位要求都“爱恨交加”。他说:“我们深海探测对于精度要求没有那么高,即使误差十几米,借助载人潜器的灯光也能校准,而这次深海考古调查要求精度不是亚米级而是厘米级,这是之前深海科考工作从未有过的,压力极大。”

项目组通过采用“深海勇士”号载人潜水器和“狮子鱼”号无人水下遥控潜水器昼夜交替结合作业的形式,探索出了一条以载人潜水器为主、无人潜水器为辅的深海考古调查作业范式,发展了中国特色深海考古新模式。

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载人潜水器与无人水下遥控潜水器 

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水下吹泥作业

通过外置高清摄像机或无人潜水器,以第三视角方式记录载人潜水器的工作场景。通过抽泥、吹泥、探扎与浅地层剖面仪探测相结合,了解并掌握遗址重要位置和重要区域的埋藏及堆积情况。采用超短基线、长基线和惯性导航相结合的综合定位技术,提高定位精度、减小误差,为调查工作的全景摄影拼接、三维激光扫描、物探扫测和文物标注提供了准确的位置信息。

通过载人潜水器的定深定速等功能,充分考虑流速流向和悬浮物等因素影响,加密测线,以提高潜水器姿态数据更新率、点云数据姿态和位置校正等数据处理方法,实现高定位精度、高分辨率的影像数据、三维扫描数据和物探扫测数据的采集、拼接与渲染,获取遗址的全景摄影拼接图像、三维激光扫描图像和物探扫测图像,绘制出沉船遗址平面图。

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文物提取

“深海勇士”号的两条机械臂尾端连着机械手,一只是金属制成,另一只为了此次任务专门套上了一层柔软的硅胶,用来“握住”文物,避免金属直接触碰文物表面。考古队员通过对柔性机械手进行持续的改进、创新和研发,提高了潜器的操控能力和熟练度,使其既不损害文物,还具备足够的握力,保障文物提取安全。

深化成果研究,立足新时代考古工作使命

一号沉船遗址船货包括但不限于陶器、瓷器、铜器、铁器、竹木器等,预估数量超10万件。从出水文物来看,成批量的珐华器,包括梅瓶、盖罐等器型,在我国沉船考古中是为首次。部分珐华器釉色、纹饰带有伊斯兰文化因素,揭示了明代中期中国同东南亚、印度洋地区乃至中东地区国家的商品贸易和文化交流情况。中国(海南)南海博物馆馆长辛礼学在下潜次日的科学例会上,兴奋地用“数量巨大、品类丰富、档次较高、填补空白”表达自己亲眼观察到一号沉船时的感受。 

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一号沉船遗址出水的珐华梅瓶

和一号沉船上的精美瓷器不同,二号沉船上发现的陶器、瓷器形式朴素。宋建忠指出,二号沉船的陶瓷器主要为船员日常生活用品,而所载货物则是一船的原木。

“二号沉船上提取的原木经过树种鉴定,为柿属乌木,隋唐时期有从东南亚、南亚大量进口乌木等木材的记载。从二号沉船遗物的数量、种类和性质看,乌木明显为船载货物。”国家文物局考古研究中心青年学者赵宋园解读到。 

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二号沉船遗址提取出水的酱釉陶器、青釉、青花瓷器 

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二号沉船遗址出水的乌木

从南海西北陆坡一号、二号沉船遗址发现的船载物品入手,项目组建构起了一号、二号沉船遗址船货研究框架,以船载物品为基点,通过对船货资料的探究、船货产址的辨析、舶来品内涵与来源的鉴别等,对船载物品的种类、产地、工艺特征、产销路线进行分析,在此基础上开展船货专题研究,探讨明代海洋贸易活动,管窥500多年来古代中国与海外世界的政治、外交、文化、商贸的双向流动,进一步提高对南海海上丝绸之路及古代中外交流史的认知,从中国古代海洋贸易的外销体系及古代东西方海上贸易网络的角度探讨古代海上丝绸之路的发展历史与地位。

经过三个阶段的调查,项目组初步掌握了两处沉船遗址面貌,鉴于其历史的重要性及保护的迫切性,2024年5月,国务院批复公布了南海西北陆坡一号、二号沉船水下文物保护区,这是我国第一个国家级水下文物保护区,充分体现了党中央、国务院对沉船遗址考古与保护工作的重视。

中国深海考古坚持国家统一部署、全局规划,综合各方资源,集中力量办大事;海洋科考、文物保护建立的信息交流、航次共享以及联动机制有效促进水下文化遗产发现;海洋科技的自主、创新与突破,极大拓展文物工作领域与范围;深海探索与考古工作深度融合,专用技术、学科理论持续创新并迭代发展,助力水下文化遗产研究与利用;保护理念先行,国家级水下文物保护区的设立是对《水下文化遗产保护公约》理念开创性实践。

近日,国家文物局考古研究中心、中国科学院深海科学与工程研究所、中国(海南)南海博物馆联合报送的“科技创新赋能深海考古为世界提供中国经验”项目入选2023年度文物事业高质量发展十佳案例。接下来,三家单位将对以南海西北陆坡一号、二号沉船遗址代表的我国海洋文化价值进行深入挖掘与阐释,讲清楚我国海洋文化和中华文明的灿烂成就及其对人类文明的重大贡献,扩大中华文明国际影响。

(闵晓丹、张百彤、赵宋园、岳超龙)