《Solid State Nuclear Magnetic Resonance》：Investigation of the late-Roman burial chamber at Reichertsberg in Trier by NMR depth profiling
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特里尔是德国最古老的城市，保存着许多罗马帝国时期的遗迹。其中一处是赖歇茨贝格的墓室。该墓室自1967年被发现以来，经过挖掘并修建了保护性外墙加以保护。它基本完好地坐落在学校操场后方的一处山坡上，但在随后的30年里一直被忽视，直到后来才得到详细研究。为了引起人们
特里尔是德国最古老的城市，保存着许多罗马帝国时期的遗迹。其中一处是赖歇茨贝格的墓室。该墓室自1967年被发现以来，经过挖掘并修建了保护性外墙加以保护。它基本完好地坐落在学校操场后方的一处山坡上，但在随后的30年里一直被忽视，直到后来才得到详细研究。为了引起人们对墓室日益恶化的保存状况的关注，研究人员于2025年9月对其内部装饰进行了调查，并对公元3至4世纪期间分三次涂抹的灰泥层进行了核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）深度剖面分析。本研究报告了核磁共振测量结果，并对一面自然潮湿的内墙灰泥覆盖层内的水分通量进行了估算。
**论文解读：核磁共振深度剖面技术在罗马墓室灰泥层与水分迁移研究中的应用**
**一、 研究背景与意义**
特里尔（Trier）作为德国最古老的城市，拥有丰富的罗马帝国时期遗迹，其中赖歇茨贝格（Reichertsberg）墓室是公元3至4世纪晚期罗马帝国的重要考古发现。该墓室自1967年被发现并采取保护措施后，其保存状况长期未得到充分关注。墓室内壁装饰有壁画，其灰泥层在历史上经历了多次建造与修复（分为四个阶段）。然而，由于后期覆盖的粘土结壳以及古代修复层的遮挡，传统的非侵入性调查方法（如1998年的研究）难以准确评估各阶段灰泥层的厚度、组成及保存状况。更为严重的是，来自土壤和山坡的地下水蒸发导致墙体潮湿，水分携带溶解盐分迁移至表面，蒸发后盐分结晶，对壁画和灰泥层造成了持续性的盐害与结构破坏，部分天花板灰泥已因此剥落。因此，开发和应用非破坏性、原位检测技术，以精确分析灰泥层的结构、含水量分布并量化内部水分迁移过程，对于该文化遗产的病害诊断、保护策略制定以及理解古代建筑工艺具有紧迫的现实意义和重要的学术价值。本研究发表在《Solid State Nuclear Magnetic Resonance》期刊，首次尝试在野外考古现场，利用移动式核磁共振深度剖面技术，不仅对墓室不同建造阶段的灰泥层进行了区分与表征，更创新性地估算了自然潮湿墙体内的水分通量，为文化遗产保护中的水分病害量化评估提供了新的方法论探索。
**二、 主要技术方法**
研究人员主要采用了核磁共振深度剖面技术。该技术基于核磁共振原理，使用被称为NMR-MOUSE（NMR Mobile Universal Surface Explorer）的便携式地磁场传感器。传感器产生一个平行于被测墙体的薄片状敏感区域，通过精密位移台移动传感器，使敏感片沿墙体深度方向以离散步长扫描，从而获取不同深度处的核磁共振信号。信号强度与敏感区域内氢核（主要是水分子）的浓度成正比，其衰减时间（弛豫时间T
2）则反映材料的孔隙结构等物理性质。本研究在墓室内选择了七个具有考古学意义、易于接触且墙面相对平整的测量点，使用PM25型NMR-MOUSE及斯图加特大学新开发的更紧凑型传感器进行测量。为增强信号，除已知自然潮湿的5号点外，其余测量点在测试前均喷洒了去离子水雾。通过采集CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）回波序列，获取深度剖面（水分浓度随深度的变化）以及深度分辨的弛豫时间分布。此外，研究首次在3号和5号点测试了超声波距离传感器，以辅助在表面不平时将NMR传感器与墙面精确平行对准。
**三、 研究结果**
**3.1 深度剖面分析**
通过对七个测量点的深度剖面进行分析，研究人员得出以下结论：
* **1号点（第一阶段）**：剖面显示表面约1毫米处有一个尖锐峰，对应于石灰涂层（lime wash）。其下方约4-5毫米深度处有一个抬升的平台，可能源于灰泥中骨料的不均匀性。
* **2号与3号点（第一阶段）**：尽管信噪比较低，但剖面显示灰泥层厚度约为13毫米，且水分浓度随深度增加而降低（与预湿处理有关）。
* **4号点（第一阶段或第二阶段）**：剖面显示表面有石灰涂层峰。与2、3号点相比，该点顶部灰泥层更厚（约18毫米）且更均匀。在约18毫米深度处出现第二个更宽的峰，表明其下存在第二层灰泥，这可能支持该墙体在第二阶段经过修复的假设。
* **5号点（第一阶段，自然潮湿）**：剖面表面无石灰涂层峰。水分浓度随深度增加而线性上升，表明存在由地面向上的毛细上升水分（rising damp）。这是估算水分通量的关键点位。
* **6号与7号点（第三阶段）**：两个点位于同一隔墙的两侧。6号点剖面振幅变化平缓，7号点（使用新传感器测量）则显示水分浓度随深度急剧增加。两者都表明该墙体也处于自然潮湿状态。6号点剖面在约16毫米深度处的信号下降可能暗示灰泥层存在部分剥离。
**3.2 弛豫时间分布**
对1、4、5、6号点的深度分辨弛豫时间分布分析表明：
* 外墙体（1、4号点）的灰泥与内隔墙（5、6号点）的灰泥在物理组成上存在差异。
* 内隔墙灰泥（5、6号点）的弛豫时间分布随深度变化更显著，且显示出更高的不均匀性，其中第三阶段（6号点）的灰泥比第一阶段（5号点）的更为不均。
* 1号点与4号点平均弛豫时间分布的差异（如1号点存在短弛豫时间小峰而4号点没有）进一步支持了4号点墙体灰泥可能在第二阶段经过修复，其成分与原始第一阶段灰泥不同的推断。
**3.3 水分通量估算**
基于5号点（自然潮湿）的深度剖面，研究人员首次在现场尝试非破坏性地估算墙体内的水分通量。具体步骤为：
1. 将NMR信号幅度校准为体积含水量θ(r)。
2. 计算含水量梯度dθ/dr。
3. 使用受激回波序列测量水在部分饱和多孔灰泥介质中的表观扩散系数D。
4. 根据菲克第一定律 J = -D * ρ * dθ/dr （其中ρ为水密度，取1 g/cm3），估算得到朝向墙表面的水分通量约为 2.6 L/(m2·d)。
研究指出，该估算值与一项初步实验室研究（通过重量法和NMR测量模型砖在吸湿条件下的水分通量）的结果处于同一数量级，验证了该方法的可行性。同时，研究也讨论了估算中的不确定性，如表观扩散系数可能被高估，且测量的是墙体内通量而非表面通量。
**3.4 对准传感器测试**
在墓室现场首次测试的超声波距离传感器，有助于在墙面不平整、肉眼对准困难的情况下（如3号点），辅助将NMR传感器与墙面平行对准。尽管古墓墙面的不平整度限制了最终的对准精度，但多个传感器的读数有助于找到最佳折衷方案，改善了深度剖面测量的设置质量，为未来在平整表面上进行高精度水分通量测量奠定了基础。
**四、 讨论与结论**
**讨论部分**总结指出，本研究成功应用NMR深度剖面技术区分了特里尔赖歇茨贝格墓室不同建造阶段的灰泥层，并揭示了内隔墙处于自然潮湿状态。通过结合深度剖面与弛豫时间分布，研究人员不仅确认了内外墙灰泥的成分差异，还获得了4号点墙体可能经过第二阶段修复的佐证。研究最重要的进展在于首次尝试在野外现场非破坏性地估算了自然潮湿墙体内的水分通量，这为量化文化遗产中的水分迁移和盐害风险开辟了新途径。同时，测试的新型紧凑NMR传感器和超声波对准系统也展示了其在野外考古应用中提升测量效率和精度的潜力。然而，该方法（尤其是水分通量估算）仍需在实验室条件下进行更系统的验证和优化，以明确其适用范围和精度极限。
**结论部分**翻译如下：
赖歇茨贝格墓室可追溯至罗马帝国晚期的公元3至4世纪。1998年的研究确定了四个建造阶段，其中第1至第3阶段对内墙进行了抹灰。在阶段1，较低的隔墙围出了三个墓穴，阶段3增加了一个墓穴。阶段2对外墙的灰泥和壁画进行了修复。研究人员在属于阶段1和阶段3的七个点位测量了NMR深度剖面，其中4号点存在的灰泥层数量未知。
外墓室墙壁上1至4号点的灰泥在表面均显示出一个峰，这归因于一层狭窄的石灰涂层。2号和3号点的阶段1灰泥厚度约为13毫米，而4号点的灰泥厚18毫米，且其下存在第二层灰泥。灰泥孔隙中水分的深度分辨弛豫时间分布证实，外墓室墙壁的灰泥与分隔墓穴的较低内墙（5号和6号点）的灰泥不同。隔墙灰泥的物理组成比墓室墙壁的灰泥更加不均匀。此外，对灰泥层内部7毫米深度范围平均的弛豫时间分布也表明，4号点的灰泥与1号点的阶段1灰泥不同，这支持了4号点所在墙壁在修复阶段2期间经过修补的假设。
与墓室墙壁和天花板不同，较低的隔墙被证明是自然潮湿的。这对于具有阶段1灰泥的5号点是明显的，但对于具有阶段3灰泥的6号和7号点则不然，那里的墙体湿度仅在测量深度剖面后才被检测到。因此，在测量前，6号和7号点也与1至4号点一样喷洒了去离子水雾以增强灰泥孔隙中水的NMR信号，从而产生了剖面中的初始峰。自然潮湿墙壁的5号点提供了一个独特的机会，来探索是否能够非破坏性地测量潮湿墙体内的水分通量。在对5号点剖面进行体积含水量校准并测量了表观扩散系数后，研究人员根据剖面的浓度梯度和表观扩散系数估算出从该墙散发的水分通量为2.6 L/(m2·d)。该通量的数量级已在一项首次实验室研究中得到证实，该研究通过重量法和NMR测量了模型砖在吸湿条件下的水分通量。这种估算水分通量的方法及其局限性需要在实验室研究中进一步证实和验证。
在本次墓室研究期间，还测试了新的仪器设备。其一是比PM25 NMR-MOUSE更紧凑的地磁场NMR传感器。这种新传感器通过测量7号点剖面证明了其适用于深度剖面分析。对于野外使用，它需要封装在坚固的外壳中并安装在专用的位移台上。另一套设备包括一组超声波距离传感器。这些传感器在肉眼难以定位传感器的点位，有助于将NMR-MOUSE与墙壁对准。它们将成为未来测量平面散发水分通量的关键资产。虽然理论对准精度可以超过100微米，但墓室墙壁的不平整性施加了更大的限制。尽管如此，距离传感器的单独读数有助于优化对准质量。
