其实，自1962年以来，对秦始皇陵的考古勘察工作就一直在进行，由于主要采用从地下取土样来进行分析，需要花费大量精力，因此要进一步查明封土之下的情况还需要相当长的时间。
地宫的结构及其秘藏，是始皇陵最大的一个谜团。司马迁在《史记》里，已经对始皇陵作了简略而笼统的记载，因为这段记载是我们解开秦始皇陵地宫之谜的钥匙，非常重要，所以我们把它原文抄录于下：
始皇初即位，穿治郦山，及并天下，天下徒送诣七十余万人。穿三泉，下铜而致椁，宫观百官、奇器珍怪徙臧满之。令匠作机弩矢，有所穿近者辄射之。以水银为百川江河大海，机相灌输，上具天文，下具地理。以人鱼膏为烛，度不灭者久之。二世曰："先帝后宫非有子者，出焉不宜。"皆令从死，死者甚众。葬既已下，或言工匠为机，臧重即泄。大事毕，已臧闭中羡，下外羡门，尽闭工匠臧者，无复出者。树草木以象山。
虽然学术界对这条文献的具体内容还存在不同的理解和争议，但对其大意还是有共识的。那就是说：秦始皇即位后就开始兴建骊山陵，兼并天下后，征发70余万人来修筑陵园。地宫挖得很深，穿透了多层（有人说就是三层）地下水，并灌注铜水来填堵棺椁的缝隙，地宫内随葬有各类珍奇和罕见的宝物。内部还设置了能工巧匠制作的能自动发射的机弩，以防外人擅自闯入。墓室顶部描绘着天文图像，地面模拟山川河流九州的地貌，以水银浇灌成江河大海，用人鱼膏作长明灯，照亮了整个地宫，经久不熄。始皇入葬后，残忍的秦二世胡亥将后宫无子女的妃嫔尽数从葬，为防止地宫内珍藏情况外泄，又下令关闭墓中神道之门，将了解地宫结构的工匠全部活埋。
那么地宫的情况到底是怎样的呢？在始皇陵发掘以前，我们只能通过科学来推断。
袁仲一先生认为，地宫的结构，不能脱离当时的时代特征，它应该同春秋战国及秦汉时期的大型墓室结构相似，即应为多层台阶或近似方形的土圹墓形；而秦汉考古专家王学理先生得出了更具体的数据，认为墓室由巨型竖井式圹穴构成，犹如一个倒置的"四棱台体"。
欧洲核子研究中心的科学家们则推测：地宫形状为拱形，直径约50米，地宫中有四条直径为25米的青铜环状物，总重量超过万吨。这些大胆的欧洲人还提出了一个让人难以置信的数字，他们推断地宫的深度在500米到1500米之间。对这个数据，大多数中国学者都很难接受。孙嘉春先生是陕西区域地质矿产研究院的高级工程师，他发现，秦代墓圹中墓道的坡度约为10度左右，经计算，得出秦陵墓道长度约为200米，这样地宫的深度就应是43.73米。最近，秦陵考古队又有了新发现，他们找到了地宫防水大坝，并由此推断出，地宫深度将低于30米，否则地下水将从高处渗入地宫。
对于司马迁的描述，唯一可以验证的，就是关于水银的记载。研究人员对始皇陵园进行了汞含量测试，结果发现，在封土中心1.2万平方米的范围内，有一个强汞异常区。我们知道，封土中的汞异常，是由于地宫大量存在的水银挥发造成的，其分布呈有规律的几何形。王学理先生甚至推断出，如果秦始皇陵地宫中以水银为百川、大海，估计至少要使用100吨以上的水银。在我国古代，炼丹家早已掌握了将硫化汞分解而得到水银的方法。
秦始皇以水银为江河大海的目的，不单是为了营造恢宏的自然景观，在地宫中弥漫的汞气体还可使入葬的尸体和随葬品保持长鲜不腐。汞是剧毒物质，大量吸入可以导致生命死亡，因此地宫中的水银还可毒杀盗墓者。
可是，这些数量巨大的汞矿是从哪里来的呢？据考证，四川东南一带是春秋战国时期汞矿的主要产地。当时川东南一带的汞矿，跨长江，溯嘉陵江而上，走巴山，过汉水，经过千里栈道运到关中，其艰辛可想而知。
2002年3月19日上午10时30分，中煤航测遥感局在中飞通用航空公司租用了一架运－12飞机，从西安阎良机场起飞，向20公里外的秦始皇陵区上空飞去。在机身下，安装了一台相当于"相机镜头"的成像光谱仪，这个"镜头"在空中对陵区地面散发的光谱逐行扫描，这些数据最终将构成合成图像。这次国内首次高光谱遥感探测，取得了异常丰硕的成果：在高光谱合成图像上，可以看出封土堆下西墓道的存在；可以确认阻排水渠在封土堆东侧和南侧的控制范围，以及它的阻水作用依然存在；通过对比，封土堆上出现的高热异常分布区与物探所得高磁异常矩形分布区一致，说明了地宫的存在和范围。
刘士毅是中国地质调查局的物探专家，此时承担着国家863计划地球物理综合探测考古秦始皇陵的课题项目。在"秦始皇陵考古遥感探测技术"863计划立项论证会上，刘士毅阐述了自己的观点：遥感只能探测表面，达不到揭示秦陵地宫内部秘密的最终目的；而物理探测却能深入地下几百米。这个建议被科技部采纳。2002年11月13日，补充增加的《考古遥感和地球物理综合探测技术》子课题正式启动。专家们使用的具体方法有：地面弹性波法、磁法、地质雷达法、高密度电法、重力法和测汞法等。对于充满神秘色彩的秦陵地宫，专家们将利用三维推断技术判定其存在依据(即参数依据)，确定地宫的边界、形状、结构、埋藏深度、是否坍塌等信息，并将证实《史记》中记载的"穿三泉"、"以水银为百川江河大海"等说法。这次勘测，是秦始皇陵考古探测中资金投入最多、技术水平最高的项目。
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