基于地磁共振探测技术（Geomagnetic Resonance Detection Technology, GRDT）的大雁塔结构特征与历史修复痕迹识别研究

《Frontiers of Architectural Research》：Study on structural characteristics and identification of historical restoration traces of the Giant Wild Goose Pagoda based on geomagnetic resonance detection technology

　　

大雁塔作为中国古砖石塔的典型代表，建于7世纪的陕西西安，历经多次重建与修复，导致其结构组成发生一定变化。传统的无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）技术难以有效应用于大型地上文化遗产建筑的结构检测。本研究采用地磁共振探测技术（Geomagnetic Resonance Detection Technology, GRDT）对大雁塔进行无损检测，旨在揭示其内部结构特征与修复历史。该技术通过引导介质将天然电磁场聚焦为电磁波，利用电磁波在埋藏材料界面产生的共振效应获取塔身隐蔽结构与材料的位置信息。检测结果表明，大雁塔内部主要材料为明代砖、唐代砖与夯土，具有明显的历代修复特征。本研究验证了GRDT在建筑遗产无损结构检测中的适用性，为大雁塔的保护与修复提供了结构层面的科学依据。

研究背景方面，建筑遗产的文化价值需通过科学技术手段进行解读。古代砖石塔作为中国佛教塔类型的典型代表，具备突出的营造技艺与深厚的历史文化价值，在国际建筑遗产中占有重要地位。大雁塔建于公元652年，位于陕西西安慈恩寺内，是中国保存较好的多层砖塔之一，于2014年作为丝绸之路起点被列入世界遗产名录，是宗教文化传播与丝路文化交流的历史见证。其塔身内部蕴含丰富的历史信息，因此需要无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）技术揭示隐蔽内部结构，为其历史形态复原、保护修复及相关历史文化研究提供科学依据。目前常用的NDT技术包括放射性NDT技术如X射线技术、μ子成像技术，声学NDT技术如超声NDT，热学NDT技术如红外热成像技术，磁学NDT技术如地质雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）、涡流检测、电阻率层析成像（Electrical Resistivity Tomography, ERT）等。这些方法多用于单层结构缺陷检测与浅地表探测，存在辐射危害、成本高、操作要求高、检测深度有限、仅适用于特定材料等问题，难以有效检测由多种材料构成且历经多次修复的大型地上文物建筑如大雁塔的深部结构。因此，亟需一种可实现数十甚至上百米结构深度识别的技术。西安新店综合勘察设计院有限公司发明了基于低频电磁共振带导向装置的扫描探测方法，即地磁共振探测技术（Geomagnetic Resonance Detection Technology, GRDT），利用天然地磁场与共振现象，可有效探测地下深部埋藏物或大型地上文化遗产建筑内部隐蔽结构，导向装置可集中磁场并改变方向，实现水平与垂直探测，操作简便且设备便携。基于此，研究人员采用GRDT对大雁塔内部隐蔽结构开展无损检测实验，探索其内部结构特征与历代修复的历史迹象。研究得出大雁塔内部主要材料为明代砖、唐代砖与夯土，呈环形嵌套形式，明代砖包裹唐代砖，唐代砖包裹夯土，夯土仅存在于一至五层，四层及以上存在结构不对称等现象，验证了明代大规模修缮及“唐塔明包”的历史记载，表明GRDT可有效用于大型地上文物建筑内部结构检测，为大雁塔保护修复提供结构层面科学依据，也为其他砖石塔考古与研究提供新科学检测方法。该研究发表于《Frontiers of Architectural Research》。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：地磁共振探测技术（Geomagnetic Resonance Detection Technology, GRDT），其原理是利用共振散射现象，通过导向装置将天然磁场集中成束，以地磁物体频率探测器识别目标材料固有电磁波共振频率，引导电磁波以线性传播至探测区域，在材料界面产生共振散射，通过导体电磁感应观测测量目标材料深度与位置，分垂直与水平探测方向，利用三角函数计算埋深；结合三维激光扫描与无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）技术获取大雁塔平面与立面轮廓数据以设计探测方案；使用地磁导向探头Ⅰ型和Ⅱ型、地磁物体频率探测器（型号DCWP～Ⅰ）、复合假信号消除器、电磁干扰定向发射器、铜棒、卷尺与激光测距仪等仪器，以西安大雁塔管理处提供的明代砖、唐代砖、夯土修复补损样品建立样品固有电磁波共振频率库；在大雁塔各层布置探测线与测点，采用逐次平分法标注测点，按结构假设进行信号解释与数据采算，以自然磁场干扰消除、频率识别、沿探测线慢走接收铜棒信号并记录距离的方式获取数据，再通过三角函数公式计算结构深度并绘制平面结构示意图。

2. Geomagnetic resonance detection technology (GRDT)

本节阐述地磁共振探测技术（Geomagnetic Resonance Detection Technology, GRDT）基本原理，即利用共振散射现象，当外部电磁波频率接近或等于目标材料固有电磁波共振频率时，在材料界面发生锥形共振散射，基于电磁感应原理通过导体切割磁感线实现目标材料有效探测。研究中用导向装置将天然磁场集中成束，以地磁物体频率探测器识别目标材料样品固有电磁波共振频率，使电磁束携带该频率经导向装置线性传播至探测区，达目标材料界面时发生共振散射，通过观测导体电磁感应现象测量目标材料深度与位置。在建筑工程检测中分垂直与水平探测方向，设材料实体有上下或前后两界面为界面1与界面2，导体材料发生两次电磁感应现象点与探测点的水平距离分别为P₁与P₂，不同规格导向装置对应共振散射角为Φ，用三角方程计算目标材料界面埋深D。

3. Detection scheme and data processing

3.1. Detection position and detection target setting

因检测需地面作业，仅能对各层室内及一层室外进行塔身水平探测，无法探测各层檐部，仅探测塔身隐蔽内部结构。目标为确定唐代砖建筑位置、厚度与层数，明代及后续砖砌体位置、厚度与分层，识别塔内夯土存在与否及其位置、厚度与层数。

3.2. Detection instruments and parameter settings

实验仪器含地磁导向探头Ⅰ型Ⅱ型、地磁物体频率探测器（型号DCWP～Ⅰ）、复合假信号消除器、电磁干扰定向发射器、铜棒、卷尺、激光测距仪。材料样品为唐代砖、明代砖、夯土，由西安大雁塔管理处提供，系修复过程中补充的破损样品。优化地磁导向探头参数、探测次数与数据精度，以地磁物体频率探测器识别明代砖、唐代砖、夯土固有电磁波共振频率，建立样品固有电磁波共振频率库。地磁导向探头功能为引导集中天然磁场为电磁束，调电磁线圈直径改反射信号发散角以算目标材料深度，有效探测深度0.1 m至300 m；地磁共振材料频率探测器识别三类材料固有电磁频率；复合假信号消除器与电磁干扰定向发射器消除非天然磁场干扰，消除时间5–6 min；铜棒接收地磁共振现象产生之电磁信号；卷尺与激光测距仪作尺寸测量，最大误差±0.05 m，每点测三次。

3.3. Detection scheme

正式探测前用三维激光扫描与无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）技术获取大雁塔平面与立面轮廓数据再设计探测方案。因历代重修修复致材料分布异常，为减误差在各层布测点多测。以大雁塔平面轮廓看，其平面形式被四条拱道与中央楼梯空间分为四相同平面，以一层东北角为例设计探测方案。

3.3.1. Detection point arrangement

准备标注探测线：一层北通道与东通道中线分别布探测线Ⅰ与Ⅳ，一层东北角室外距北外墙3 m与东外墙3 m分别布Ⅱ与Ⅲ，室内墙角距墙1 m布Ⅴ与Ⅵ，共6条探测线。用逐次平分法有序标注测点，以一层东北角为例，点最小间距50 mm与1000 mm，ⅠⅡⅢⅣ分五组探测，ⅤⅥ分三组，对探测线中点逐次平分，如Ⅰ首次平分测中点，二次平分测两分段中点，ⅠⅡⅢⅣ共124点，ⅤⅥ共16点，全部编号，以探测线同端算点位，L为测点与探测线起点距，D为探测线长，第N组探测第i点方程见图示。类推定各探测线点并探测，每层测点共140个，每点测三次共420组，完成一层水平探测。二层及以上因外墙无法布探测线，仅室内合理布设，测点布置同一层方法。

3.3.2. Structural hypothesis and signal interpretation

据大雁塔相关历史文献，唐代塔在明代经历大规模修缮，假设塔身内部由内向外依次为夯土、唐代砖、明代砖，三者呈环形嵌套形式，结构层边界近似平行紧密贴合。依假设设结构尺寸与测量尺寸。因测点位置不同，导向装置引电磁波入塔身可能穿过单一材料两外边界或四内外边界（夯土仅两外边界）。电磁波穿过明代（唐代）砖结构两外边界、两内边界、两外边界时，跨两结构深度产生四点共振散射与四次铜棒交叉，第一结构深度为M₁（T₁），第二为M₂（T₂），L₁、L₂、L₃、L₄（L₅、L₆、L₇、L₈）为铜棒交叉位与测点距。电磁波穿明代（唐代）砖结构两外边界时，过一结构深度产生两点共振散射与两次铜棒交叉，结构深度为M₁（T₁），两铜棒交叉位与测点距依次为L₁与L₄（L₅与L₈）。电磁波穿夯土结构两外边界时，过一结构深度产生两点共振散射与两次铜棒交叉，结构深度为H，两铜棒交叉位与测点距依次为L₉与L₁₀。以此设各层各探测线所有测点测量尺寸与结构尺寸。

3.3.3. Data acquisition process and calculation

以探测线Ⅰ上测点I（1-1）为例，先用复合假信号消除器与电磁干扰定向发射器消非天然磁场干扰5–6 min；后用地磁物体频率探测器按假设依次识别明代砖、唐代砖、夯土固有电磁波共振频率，再用地磁导向探头探测目标材料；测量者持铜棒从测点I（1-1）沿探测线Ⅰ慢走搜信号，每次接收信号记录该信号位在探测线垂直投影点与起点I（1-1）距L，过程保持铜棒交点与探头中点同高减误。依前述假设，用地磁共振材料频率探测器识别明代（唐代）砖固有电磁共振频率时铜棒收四次电磁信号，识别夯土固有电磁共振频率时收两次。因一层室内较通畅，二层及以上有楼梯佛像等遮挡，一层用1×倍地磁导向探头（tan α = 1），二层及以上用2×倍地磁导向探头（tan β = 0.5），以一层东北角探测线Ⅰ与二层西北角探测线为例用三角公式算结构深度。

3.4. Detection data and data processing

3.4.1. Detection data

因数据量大仅列大雁塔一层探测线Ⅰ水平探测数据，单位米精确到两位小数见附录A表A.1?A.3。

3.4.2. Data analysis

明代砖与唐代砖检测结果数据分三类：第一类有完整L₁、L₂、L₃、L₄（L₅、L₆、L₇、L₈）；第二类仅有L₁与L₄（L₅与L₈）；第三类未检到目标材料信号。唐代砖数据存突变，表明隐蔽内部唐代砖界面有转折。夯土探测数据分两类：第一类有完整L₉与L₁₀且存突变；第二类未检到夯土信号。数据特征与假设一致，初证假设合理。测点测量尺寸全L₁、L₂、L₃、L₄时对应明代砖结构深度M₁与M₂；全L₅、L₆、L₇、L₈时对应唐代砖结构深度T₁与T₂；仅L₁与L₄时明代砖结构仅单结构深度M₁；仅L₅与L₈且无他类砖时唐代砖构造仅单结构深度T₁；有L₉与L₁₀时对应夯土结构深度H，可定六条探测线所有测点结构深度。探测线Ⅰ表比有三四类数据：第一类仅L₁与L₄对应M₁；第二类有L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₈对应M₁、M₂、T₁；第三四类数据全但第四类L₅、L₆、L₉、L₁₀突变。综合分析探测线Ⅴ表数据仅含L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₈对应M₁、M₂、T₁，表明该区材料分布南北异，分别对应明代砖，明代与唐代砖，明代砖、唐代砖与夯土，与结构假设一致。

3.4.3. Data calculation and plotting

按3.3.3节公式算数据见附录A表A.4?A.6，类推算一层东北角剩余测点结构深度，依探测线Ⅰ不同测点类型算对应结构深度平均值见表A.7，同理得其余测点平均结构深度并依平均值绘平面结构示意图，可见一层东北角结构由外向内为明代砖、唐代砖、夯土依次构成三结构环形嵌套，进一步证结构假设合理。依二层及以上测量数据完成对应结构尺寸计算并绘剩余平面结构示意图。

4. Discussion

基于检测结果，研究人员揭示大雁塔材料组成为明代砖、唐代砖与夯土，塔身呈整体环形嵌套形式。检测中一至五层均发现明代砖、唐代砖与夯土环形嵌套结构，六至七层仅存明代砖与唐代砖包裹结构，夯土仅存于一至五层。四层及以上检测显明显不对称特征，四层西北角与五层及以上北部仅由明代砖砌体构成。不同层结构特征差异与大雁塔坍塌、损毁及历代修缮密切相关。夯土结构被唐代砖包裹表明唐代大雁塔为“外砖内土”砌体复合结构，与唐代永徽年间“砖表土心”营造记载一致。明嘉靖年间关中大地震（1556）与万历二十三年（1595）重修表明明代经历大规模修缮，检测显唐代砖结构被明代砖结构包裹，包裹厚1.80–2.00 m，各层内壁也覆0.1–0.2 m厚明代砖，与《慈恩寺志》《大雁塔维修记》载明代在唐塔身外加砖包裹层相符。大雁塔一层内壁已露唐代砖，2016年大雁塔檐部维护工程提及二层南侧唐代砖檐下部被后期砖体包裹厚20–60 cm，檐砖与明代砖、民国砖混杂，表明明代修缮含檐部维护保养，进一步证实唐塔身外裹明砖事实。因此确认大雁塔明代经历重大修缮，含修补坍塌部分与塔身檐部外包明代砖，正因明代及后世多次修缮方使此遗产留存至今。研究发现明修前大雁塔为多层的圆柱形砖土结构，夯土芯外包唐代砖砌体，明嘉靖关中地震后部分塔身坍塌，坍塌段重建且外表包砌明砖，原有唐塔结构修复加固，最终形成“老筒加新筒”的“筒中筒”主结构。GRDT具探测深度大、选点灵活、操作相对简等优势，不仅适用于单一建筑遗产，对砖土木等复合材料构成之建筑遗产具一定辨识度，且不严格限建筑遗产平面形式与周边环境，可用于地上与地下探测如古城墙结构、墓葬探测。但本研究探测精度受测点细分程度限制，建议后续在大雁塔周边多位置多角度探测，可结合其他技术进一步探测内部材料结构以获取更高精度内部结构图像。

5. Conclusion

研究人员将此结论译述如下：本研究将地磁共振探测技术（Geomagnetic Resonance Detection Technology, GRDT）应用于大雁塔结构检测，通过制定探测方案确定现场探测精度与测点布置位置。检测数据计算分析表明，大雁塔结构可分为两部分：其一为由明代砖与唐代砖构成的双筒主结构，由外层向内依次为明代砖、唐代砖与夯土，三材料呈环形嵌套共同构成砖砌筒中筒结构；其二为明代砖修建补充部分主要集中在四层及以上塔身上部与塔身北侧。通过相关历史文献与检测结果双重验证可得，明代大雁塔在继承唐代塔砖砌结构基础上历经多次修缮，除修补塔身坍塌部分与增设塔刹外，还包括更换塔面风化侵蚀砖体、包裹唐檐与塔身以加固既有结构，最终形成大雁塔建筑结构定型。然而受限于探测精度与微小结构构件（如小型木结构、金属构件等）探测难度，塔身内部是否存在更复杂木结构尚待研究。本研究证实GRDT可有效探测大型地上文物建筑内部材料与结构，为大雁塔后续病害检测与结构维护提供明确方向，同时可进一步补充大雁塔与中国古塔缺失历史信息，也为大雁塔考古与其他砖石塔研究提供新科学检测方法。

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