科技保护 | 缪子成像技术在北海白塔结构探测中的应用
宇宙线缪子成像技术具有无源、无损、高精度等优势，缪子探测技术及其应用已引起国内外的广泛关注，包括安全检查、工程设施结构检测、地下结构探测等多种应用场景。除了广泛应用于地球科学和安全领域，缪子成像技术在文化遗产保护领域也有重要的应用前景。中国文化遗产研究院石窟保护团队近期成功将该技术应用到北海白塔的内部结构探测中，为北海白塔的保护设计提供了重要科学支撑。
宇宙线缪子成像方法是近年来新兴的大型物体内部密度结构成像方法。缪子透射成像方法是基于缪子与在介质中传播时的能量衰减与密度沿路径的积分相关，因此对缪子透射成像方法对密度结构敏感，能够实现类似地震层析成像效果的地壳浅层数百米深度二维/三维密度结构成像，因而在火山、隧道、地下空间、矿产资源等密度异常结构相关的高精度、高分辨率探测和成像中具有广泛的应用空间。
在大型不可移动文物如砖石古塔和石窟石刻等结构探测中，内部结构的探测对于文物古迹的安全稳定性评估及加固设计至关重要。然而，由于技术限制和文物的特殊性，传统的地球物理探测手段往往因其具有破坏性和空间分辨率不足的局限，只能获取表面结构或局部结构特征，对于文物内部结构的精细化、深层次的无损成像还没有很好的解决办法。
长期以来，大型不可移动文物内部结构的探测，如埃及金字塔、秦始皇陵等内部深层次结构的探测是考古和文物保护学者孜孜以求的梦想。同时，近年来的极端天气事件频发，火灾、洪水、地震等气候灾害和地质灾害给大型不可移动文物的安全性评估和保护带了巨大挑战。因此，迫切需求无损、高精度的内部结构探测技术，来解决大型不可移动文物结构及其演化规律这一关键科学问题。
近年来，国内外学者将缪子成像技术与文化遗产保护和考古相结合进行了探索。2017年，法国巴黎遗迹创新保护研究所和日本名古屋大学团队采用缪子成像技术在胡夫金字塔的内部发现了一条长9米、宽2.1米的新通道。2023年，意大利学者利用缪子发现了古墓群里长约11米、宽约8-10米的未知的洞穴，并用已知的洞穴做了验证。此外，华北电力大学团队针对镇岗塔和历史城墙等不可移动文物也做了缪子成像技术的先验性验证。通过上述研究发现，一方面，缪子探测技术正在引起文化遗产保护和考古领域的关注和重视，反映出缪子探测技术在文物结构探测中的广泛前景，同时，我们也注意到缪子探测技术应用于大型不可移动文物的精细化、深层次探测还有很多挑战。
2023年，中国文化遗产研究院在北海公园管理处的支持下，在北海白塔持续开展缪子探测技术的应用。北海白塔位于北海公园制高点，外部封闭且形制特殊。根据清史档案，乾隆至光绪年间均有修葺白塔的记述。解放后，1964年新中国政府对白塔进行了彻底修复。1976年唐山大地震波及北京，白塔相轮石座挤压破碎，导致相轮歪闪，华盖天盘上的日月易位，为此，1977年国家又进行了大规模的修缮。经现场勘察，白塔目前发育了大量石质构件倾斜歪闪、黏土砖鼓胀外突、结构层空鼓变形等结构性病害，以及风化裂隙切割、表面可溶盐、渗水和锈蚀等风化病害。据历史档案资料检索和走访调查，白塔内部的精确结构特征亟待探明，仅有零散的口述相传的少量资料。这既不利于白塔的展示利用及价值的完整体现，也影响了白塔病害发育机理的深入研究及科学保护。
针对这一关键问题，中国文化遗产研究院石窟保护团队利用缪子成像技术，开展了北海白塔的内部结构探测的前沿性科学实验。这项实验的核心是一台高精度的宇宙线缪子成像的接受设备，它被安置在白塔的底部西南角，进行了为期两周的观测。设备以35°的角度，分别面向天空和白塔（图1左）进行观测。通过对比分析有无白塔时的缪子通量，科研团队推断出了白塔内部的平均密度结构。实验结果显示，白塔存在时，设备接收到的缪子数明显减少，这一减少比例与白塔内部的不透明度即平均密度长度相关，这一发现为揭示白塔内部结构提供了重要线索。
接下来，科研团队根据资料记载中的白塔尺寸进行物理建模（图1右），并在模型中假设白塔内部是实心，平均密度为2.0g/cm3。通过模拟软件分析得到在此物理模型下缪子的通量，作为预期值与实际观测结果进行对比。
图1 缪子成像下的白塔物理建模图（绿色区域为缪子设备覆盖观测区域，右下角为设备所在处）
从图2左的密度结构成像图可以看出：缪子成像技术可将白塔的外形完整的勾勒出来。因塔尖顶部有较宽的铜制华盖，观测结果上也显示出了塔尖左右两侧平均密度高于预期的特征。塔身和塔基部分（图2左I区）实际观测密度远小于预期密度2.0g/cm3，由此推断塔身与塔基部分接近空心结构，其内部应该存在一根或数根支撑木桩。塔肚外围周边（图2左II区）实际密度要大于预期密度，显示其组成为密度大于2.0g/cm3的砖砌体，且砌体呈上厚下薄，内侧竖直，外侧有“倒升”，使得塔肚呈现肩丰足锐的形象。塔肚南侧（图2左III区）有密度薄弱区，高度约2-3米，与图2右实际对比，可推测是由是由壶门式眼光门造成。白塔内部结构成像图的外围（图2左IV区）呈现明显的高密度区，经分析发现为白塔外面寺庙所引起。
图2 基于宇宙线缪子的白塔内部密度结构成像图（左），白塔实物图（右）
这项实验的初步结果清晰地展示了缪子成像技术在不可移动文物研究中的可行性，验证了白塔结构主体结构，塔身和塔基为内部空心结构，塔肚处砖砌的平均密度高于2.0g/cm3。然而，要得到白塔内部更精细的结构以及结构性病害的探查，还需要进一步观测数据的积累以及智能大数据分析技术。下一步该团队将计划引入差分法和人工智能等算法确定白塔内部的更精细结构，并进一步通过更长时间的三维立体观测以获得大量的数据，解决白塔的内部结构三维精细成像以及灾病害的探查等关键问题。
