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楼兰王国最早的发现者是瑞典探险家斯文·赫定。1900年3月初，赫定探险队沿着干枯的孔雀河左河床来到罗布荒原，在穿越一处沙漠时才发现他们的铁铲不慎遗失在昨晚的宿营地中。赫定只得让他的助手回去寻找。助手很快找回铁铲甚至还拣回几件木雕残片。他见到碎片异常激动，决定发掘附近的废墟。

紧张的挖掘工作一直持续着，随后几天中他们发现了一座佛塔和三个殿堂以及带有希腊艺术文化的木雕建筑构件、五铢钱、一封佉卢文书信等大批文物。随后他们又在这片废墟东南部发现了许多烽火台一直连接到罗布泊西岸的一座被风沙掩埋的古城，也许那就是传说中的楼兰。

楼兰古城的遗迹主要是城墙和城内的建筑遗存，城内遗物较多。城墙是用粘土和红柳枝相间筑成，南和北城墙保存较多，西城墙次之，东城墙保存最少。城墙残存部分基宽约5～8.50米，残高约1～4米。城址平面略呈方形，按复原线计算东城墙长约333.50米，南城墙长约329米，西和北城墙长约327米。四面城墙近中部处有缺口，似为城门遗迹。在城西北角与东南角之间有水道斜穿城内，以此为界可将城内遗迹分为东西两大部分。河道之东中间偏北有座用土坯建造的佛塔，塔身平面呈八角形,上有圆顶，残高约10.62米。附近发现木质浮雕佛像、卷草纹木雕残件和饰有莲花的长柄铜香炉等。塔之东约30余米处的台地上有一处房址，残存木框架构件和红柳编织涂泥的残墙，其下有4个小室,里面堆积有大麦和小麦，并发现一枚卢文书。塔之南约50余米的台地上，有一组高大建筑群的残迹，地表上散布许多木框架构件和用红柳枝芦苇编织涂泥的残墙，其下残存3室。发现有汉文和卢文书、丝织品、漆和木制品、五铢钱以及筷子等生活用品。在该房址之南的建筑遗迹残毁严重，不辨形制。其附近的遗物有印章、五铢钱、小型金属器、玻璃制品和珠饰等。河道之西建筑遗迹比较密集，其中最重要的是在西部中间偏西南、东临河道的大院落遗迹。院落略呈不规则的长方形，院内北和西残存一些房址,北面西边3间用土坯砌筑的房址至今犹存。遗物有大量汉文文书，少量卢文书，以及木尺、漆制品、金属制品和一些日常用具等。院落之北有两组简陋的房屋遗迹，出土一些汉文和卢文书及日常用品等。在这两组房址与院落之间，有养牲畜的圈栏遗迹。东与院落遗迹相对，西临西城墙是一组由许多房间构成的大建筑遗迹。遗物主要有卢文和汉文文书，以及丝、毛、麻、棉织物，还有渔猎工具与日用品等。上述诸遗迹，应是城内衙署及其附属机构的建筑群。此外，院落之南还有堡垒遗迹，城西南角一带有小住宅遗迹。

文书—楼兰古城出土的汉文木简（把字写在狭长的木条上叫做木简）和纸文书的纪年以魏嘉平四年（252）最早，多数集中在270年前后。这些文书主要是当地行政机构和驻军的各项公文及公私往来信件，内容比较广泛。从中可以看出魏晋时期在楼兰城设有西域长史及其完整的行政机构；驻军概况和各屯垦区农业生产、水利与生活的一些情况。可以了解到与楼兰城内生活有关的情况,如城内设有仓库、客馆和医院;有制造铁工具和兵器的手工业；有以谷物丝帛作价的商业活动，如一件残简记载买“丝四千三百廿六匹”，可见当时丝绸贸易量是很大的。此外，文书还记录了一些有关城内居民与户口、法律等方面的部分情况，以及当时楼兰城与敦煌、酒泉、姑臧、焉耆、龟兹、鄯善和高昌等地的联系情况。出土的文书表明，魏晋时期曾有效地控制着楼兰地区，并使楼兰城变为罗布泊一带最为繁盛的城镇。卢文书的内容有涉及审理案件、买卖土地契约、信差及公私信件等，文书中还出现有鄯善王安归迦的名字和一些职官的名称。文书的时代主要集中在安归迦王（247～282或267～303）时期。据此可以推测，在晋朝西域长史退出楼兰的时期内，鄯善安归迦王有可能曾派官员进驻楼兰城。