深海考古,这么科幻吗?

发布时间:2024-03-01 19:07:55 来源: sp20240301

  

  深海考古,科幻成真

  中国新闻周刊记者/倪伟

  发于2024.2.26总第1129期《中国新闻周刊》杂志

  身为女性,董佳馨在海底顾虑更多。最大的麻烦是如厕,三个人几乎就将狭小的潜水器舱室挤满了,另外两个潜航员还都是男性,虽然带着小便袋,也不便使用。于是,下水前一天开始,她就不再喝水,也不敢吃太多东西,怕闹肚子。

  董佳馨是国家文物局考古研究中心助理馆员,25岁,2023年刚从北京师范大学陶瓷考古方向研究生毕业。两个月后,她就作为深海考古队的一员进入南海。在距离海南岛150公里的海面之下,沉睡着两艘明代沉船——南海西北陆坡一号、二号沉船。

  这是中国第一次深海考古的现场。

  “我是一个特别能上厕所的人,所以我比任何人都紧张。”2023年9月下旬,下水前一天晚上,她失眠到深夜。第二天,从上午8点进入潜水器,到下午2点完成她承担的文物提取任务,一切顺利。就在完成作业的一瞬间,尿意突至。从那时起,到5点半上浮到海面,“那段时间,可痛苦了”。

  她乘坐的“深海勇士”号载人潜水器舱室狭窄,只能容得下三人,为了节约空间,舱内不设座椅。她在舱里席地而坐,保持这个姿势长达八九小时,当她出舱、站上母船的甲板时,几乎站立不住。

  2023年5月至6月和9月至10月,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(简称中国科学院深海所)、中国(海南)南海博物馆联合对西北陆坡两艘沉船进行了两个阶段考古调查,在两个阶段的深海考古作业中,一批考古工作者首次乘坐“深海勇士”号潜入约1500米深的南海海底,下潜41次。

  这艘著名的潜水器,为深海考古配置了一系列新装备。不论对于考古队,还是科技团队,这个成果丰富、过程趣味横生的项目,仅仅是一个开始,也是一次技术探索。

  菜刀和手术刀

  董佳馨进入海底的任务是提取文物。她手里有一沓打印的图片,是在母船“探索二号”上已经确定好要提取的文物的照片。她向驾驶潜水器的潜航员指认,潜航员操作机械手,将文物小心翼翼抓取到采样篮里。

  “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升级为柔性材料,套上了一层柔软的橡胶,用来“握住”文物,避免金属直接触碰文物表面。考古队员称它们为“硬手”和“软手”。

  对每一件提取的文物,董佳馨都要记录位置、状态,以及提取过程的视频。“得记录这是第几个拿上来的,几点几分拿上来的,在哪一个位置……还有少数计划外临时决定提取的,要在图上标记好位置。”董佳馨对《中国新闻周刊》说,这是考古工作的工作规范,与陆地上的田野考古一样严格。

  考古队对于遗址状态的保护要求苛刻到“不近人情”。提取文物时,他们要求不能对周边其他文物的位置产生扰动,所以机械手必须像穿绣花针一样小心。为了不对周边环境造成改变,“深海勇士”号尽可能不直接坐底执行操作,避免在遗址区留下痕迹,潜水器只能全程悬空作业。

  不仅如此,潜水器近底航行时,螺旋桨会吹起泥沙,如果泥沙落在文物上,让文物“蒙尘”,遗址原始状态也会造成人为改变。潜航员们通过多次测试,确定遗址区离底高度、航行速度控制范围和螺旋桨转速,保证螺旋桨不向下吹动泥沙、激起扬尘。

  深海考古的精细要求,起初让陈传绪十分惊讶。陈传绪是中国科学院深海所深海科学研究部副主任,也是此次南海西北陆坡一号、二号沉船考古调查发掘项目航次的首席科学家。他从2019年参与潜水器上的工作,执行过多次载人深潜科考、深海装备搜寻回收等种种任务,但从未见过对测绘和水下操作要求如此精细的场景。

  “记得2020年,我们在执行一次搜寻回收任务时,潜航员操作机械手在水下穿缆系缆,大家看视频时感慨那是‘穿针引线’。但当时的搜寻回收任务,与现阶段深海考古的作业要求相比,打个比方,就像是切菜和做手术的区别。” 陈传绪对《中国新闻周刊》感慨道,“截至目前,‘深海勇士’号已经累计下潜近700次。回头看,我们的潜水器平台、载荷和操控作业技术都在应用中不断迭代”。

  对于操作要求极高的水下文物提取,此次只安排了两名资深潜航员进行操作,他们的下潜次数均超过100次。而达到百潜的潜航员,全国不超过5人。

  此次深海考古任务,主要分为测绘和文物提取两部分。目标是通过测绘完成遗址水下真实场景三维图像重建,并提取1000件左右文物样本。一个考古项目的工作顺序,是先测绘,再发掘,通俗来说,先要看到遗址全局的样子,再动手提取文物,保证每个文物的位置能够得到记录和复原。

  深海考古队遇到的第一个问题,就是高精度的测绘。

  摄影测绘图都是由大量图片拼接而成,每两张图片之间重合度越高,拼接精确度就越高。由于海底一片漆黑,打开潜水器的全部灯光,也只能照射到10米左右,一张照片往往只能拍摄5至6米的范围。照片重合度如果要求30%到50%,就需要两次拍摄的位置偏差不超过3米,然而,传统声学定位技术,在1500米海底会有两三米的误差,无法满足精度需要。

  在海底,潜水器按规划走直线都不是一件易事。因为洋流会推着潜水器跑偏,潜水器需要不断调整方向,依据就是定位和导航。整个遗址的核心区和散落区有数百米长,驾驶长9米、宽3米的潜水器,沿直线驶出500米,偏差不超过3米,要求极高。

  “深海勇士”号上配备了超短基线定位系统,用来为自身定位。潜水器通过超短基线设备向母船发出信号,母船的“耳机”接收后,解析信号,再发送回潜水器,告诉潜水器它在哪儿。一来一回间,计算时间差和信号传播速度,就可以得出潜水器的方位。但潜水器接收到母船解析后反馈的信号,要等待约一分钟,所以收到的总是一分钟之前的位置,而按照一节(每小时1海里,每秒约0.5米)的速度,这一分钟它在海底可能又行走30米了。

  在日常的海底移动勘查,或者对精度要求不太高的任务中,潜水器配备的超短基线定位就够用了。但考古项目对精度要求极高,一分钟的时差,就会差出整艘船的尺度。解决的方案是,“深海勇士”号水下定位导航配备了长基线定位系统。

  长基线定位系统需要在海底布放4个信标,位置在沉船的不同方位。这些信标就像是母船上的“耳机”,从水面移到了海底。潜水器发出信号后,海底的信标接收到,立刻进行解析和反馈,几秒之间就能为潜水器定位。利用长基线定位系统,水下位置的更新率从以往的60秒提高至3秒,潜航员的导航时延大大降低。

  西北陆坡沉船考古的第三阶段将于2024年进行,这也是最后一个阶段。陈传绪说,之前有些技术设想没来得及实现,他们将继续探索,如果来得及,或许会在第三阶段实施。

  比如,浸泡数百年的金属器比瓷器更为脆弱,直接抓取容易破坏表面甚至碎裂。他们计划制作小型沉箱,将器物和周边淤泥整体切割进沉箱中,打捞出水后,再由文保人员提取。

  在二号沉船的遗存中,考古人员发现了一根大型木头,疑似沉船的主桅杆。在沉船的绝大部分船体已经被海洋生物侵噬之后,这或许是唯一一个重要的船体构件。这根木头超出了“深海勇士”号的提取能力,如果要打捞上岸,或许会使用一个看似常规却有如电影大片级的办法——“我们会尝试母船和潜水器配合,从母船上布放缆线到海底,直接将木头吊上来。”陈传绪说。

  畅想海底考古直播与海底遗址观光

  每天下午2点半,海底的“深海勇士”号正在工作的同时,母船的会议室里准时召开科学例会。例会上要确定后一天的工作目标。虽然出发前已经制订了工作计划,但计划总会被改变,因为各种突发状况层出不穷。

  “比如,有时测绘的数据后期处理遇到瓶颈了,需要停一停,那我们也不能闲着,就把提取文物安排到前面来,保证海上的工作效率。”陈传绪说,“好在潜水器很稳定,能保证每天8点上班、下午6点回来,平台稳定,才有各种迭代和试错的机会。”

  母船上,整支深海考古队一共近30人,由国家文物局考古研究中心、中国科学院深海所、中国(海南)南海博物馆三家单位联合组成。队员专业来源很广,包括考古学、文物保护、地球物理探测、海洋地质、海洋生物、机械电子等领域。

  中国科学院深海所于2011年筹建、2016年5月正式投入运行,国家文物局水下文化遗产保护中心(国家文物局考古研究中心前身)于2014年成立,两家新成立的机构在2018年实现合作,共同成立了“深海考古联合实验室”。

  2018年,“深海勇士”号正式投入使用,第一个乘坐它正式开展科考的专家,是国家文物局水下文化遗产保护中心副主任、研究员宋建忠。“之前,我们理论上知道南海的深海肯定有沉船,但那时候,中国还没有载人潜水器,你知道有也没用,因为你进入不了深海。”宋建忠对《中国新闻周刊》说。

  如今,宋建忠成为南海西北陆坡沉船遗址考古调查发掘项目领队、首席科学家,数次乘坐“深海勇士”号下潜至两艘沉船所在位置。“最重要的技术突破就是载人潜水器,”宋建忠说,“没有潜水器之前,南海这么大区域,平均深度1212米,我们都去不了海底。首先是你得能进入深海,才能谈对深海资源的考察和获得。”

  载人深潜技术为深海考古提供了可能,而考古的高精细化要求,则提供了一个契机,让一系列深潜技术更为精进。

  “考古测绘是一个集大成的应用场景,对深海定位导航技术、水下灯光布局、相机封装控制、潜水器的操控技术等等,都要求得适配。文物提取,对机械手的研发、机械液压、力反馈技术等提出了很高要求。”陈传绪说,“测绘和提取是考古工作者的两只手,我们要保证这两只手技术都要硬。”

  去年5月至6月,当考古队员于海底1500米发掘文物时,在400公里高的天宫空间站里,也有一名科学家在执行科研任务。一名科学家与两名航天驾驶员、飞行工程师的搭配,与“深海勇士”号中的三人配置如出一辙。

  中国科学院深海所的海洋科学专家与国家文物局考古研究中心的考古专家长时间在一起工作,他们也会聊起一些更遥远的畅想。

  考古专家谈到遗址公园的概念。遗址公园是将一些重要的考古遗址保持原貌,让公众得以近距离参观,既能感受遗址的历史场景,也能感受考古的解密氛围。这个想法令他们都很动心:有没有可能将西北陆坡沉船遗址也作为遗址公园?

  “这就需要我们探索高频次、低成本、常态化的进入方式,让公众可以乘坐潜水器下到沉船位置参观,那是一个未来的场景。”陈传绪说。宋建忠说,如果能够将南海西北陆坡沉船遗址永久保存为深海一处水下文化遗产保护示范基地,将为全球贡献一个深海文化遗产保护的典型案例。

  深海所工程技术团队也在考虑让更多公众可以感受海底遗址的方式,比如海底直播。当前的技术已经可以实现海底与陆地上任何一个人实时视频聊天,也许某一天,公众能够通过直播实时感受深海考古的科幻级现场。海底遗址的三维重建完成后,也可以通过进一步处理,通过虚拟现实、增强现实等技术,以更为震撼的方式,让观众“走进”海底沉船。

  “无法理解,无法感受,也无法想象”

  在公众眼中,对水下考古最深刻的印象,或许还停留在2007年。当年,宋代沉船南海I号在经历了6年的前期考古后,实施整体打捞。那是中国第一艘整体打捞出水的古代沉船。

  为了将长30米、宽10米的南海I号完好无缺地捞起,施工单位交通部广州打捞局制定了周密的方案。在长达200余天的施工周期内,施工方先将无底的沉箱壁压入淤泥,把南海I号整体罩住,再在底部穿过36根底梁,用36块保泥板封住底梁之间的缝隙,形成密闭的沉箱。随后,“华天龙”号起重船将沉箱整体吊出水面,再使用驳船拖到岸边,从海里转运至沙滩上专门修建的博物馆中。

  国家文物局考古研究中心副主任、南海I号保护发掘项目领队孙键向《中国新闻周刊》回忆,南海I号打捞过程中,虽然一些难题不可避免,但总体而言,沉船打捞技术其实并不难。

  “海洋施工技术发展到这个阶段,正好有一些应用,考古算是应用之一。当时我们制订方案,跟打捞局方面去沟通,他们也没觉得有多大难度。”孙键说。全球能力排名前十的打捞船,有七只在中国,中国的海洋打捞能力全球领先。孙键认为,水下考古中的沉船打捞能力,实则来自于中国科技水平的进步和海洋施工能力的进步。

  2022年11月,在上海附近的长江口横沙水域,22根巨型弧形梁组成的长48米、宽19米、高9米、重约8800吨的沉箱,装载着另一艘古船,经3小时水下持续提升,在打捞工程船“奋力轮”中部月池露出水面。这艘从水下10米淤泥中打捞的长江口二号沉船,是一艘清代同治年间的商船,船内装载着大量景德镇瓷器等文物。

  这是继南海I号之后,中国第二艘整体打捞的古船,也将存放进专门为其建造的博物馆中。其调查、考古、打捞、发掘、展示等完整环节,将是南海I号经验的再利用。

  真正具有科学意义的水下考古学,发轫于1943年法国工程师库斯特发明空气轻潜水技术。在此之前,人类要么依靠屏气裸潜,在很浅的深度停留极短时间,从事水下作业,要么由受过专业训练的潜水员使用极其复杂昂贵的设备进行潜水。自负式压缩空气潜水的发明,使潜水技术简单化,让考古工作者能够摆脱对专业潜水者的依赖,亲自潜水考古。

  每下潜10米,会增加一个大气压力。复杂危险的水底环境,只有借助于专业器材和科学的潜水规程,才能使水下考古人员在有限的时间内作业。比较田野考古就会发现,一支水下考古队工作时携带的器材是多么繁杂,而这些设备,又直接关系到每一个队员的生命安全。

  “潜水技术的每一点进步,都离不开科学水平的提高。如果没有科技手段的支持,人类是根本不可能在水下长时间生存的。所以说,科技进步与技术手段决定了水下考古的发展,是一点也不过分的。”孙键说。

  南海I号于1987年第一次发现线索,但正式启动发掘要等到2001年。1991年,中国启动了首个凭借自身力量开展的水下考古项目——辽宁绥中三道岗元代沉船遗址项目。当时,中国第一批11人的水下考古专业人才刚刚培训完成。该项目从1991年持续至1997年,每年考古季,开始的一个多星期都是在海面上找遗址。由于海面上没有任何标记物,当时的水下定位技术也不发达,即使年年都去,年年都很难找到。

  在定位技术已经能在深海海底实现精确定位的今天,孙键说起这些亲历过的往事,近乎于笑谈。但在当时,第一代水下考古人就是这样摸索出了一条路。

  中国的水下考古队员需要进行严格的训练,潜水是关键技能之一,必须考取潜水证。那时的水下考古,就是令人望而生畏的体力活,辛苦而危险,只能停留在近海和浅海。而如今,董佳馨刚毕业两个月,就成为中国首支深海考古队的一员,不需要潜水证,就能安全地乘坐潜水器进入深海。

  技术的进步,让科幻成为现实。

  董佳馨始终记得第一次进入深海那天,潜水器照明灯打开的一瞬间,她看到舷窗外的海底散落着一些瓷器,心想,快到了。她看到的是右侧舷窗,当她扭头,看到正面舷窗,突然被震撼了。眼前就是一座瓷器堆成的小山丘,层层叠叠,铺向远处,堪称壮观。原来,“深海勇士”号已经直接抵达西北陆坡一号沉船的核心地带。

  “我是一个文科生,这整个事情对我来说都很神奇,都挺科幻的。”董佳馨回想起那一幕,“我无法理解,无法感受,也无法想象他们是如何把潜水器这种东西造出来的。”

  《中国新闻周刊》2024年第7期

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【编辑:李岩】