張景科,張理想,郭青林,李威昊,文 鑫,劉 盾

(1.蘭州大學 土木工程與力學學院/西部災(zāi)害與環(huán)境力學教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;2.敦煌研究院 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心,甘肅 敦煌 736200)

慶陽北石窟寺,是甘肅隴東地區(qū)規(guī)模最大的石窟群之一,也是古“絲綢之路”上的一處文化遺存,始建于北魏永平二年(公元509), 至今已有1 500多年歷史?，F(xiàn)存窟龕296個,大小雕像2 126尊,宋、明、清碑7尊,陰刻題記和墨書題記150余方,壁畫殘跡96.7 m2[1-2]。歷經(jīng)多年風化,北石窟寺的造像及壁畫等文物本體均已遭受嚴重的損壞,砂巖表層風化發(fā)育嚴重,亟待進行保護研究。

砂巖風化的研究始于19世紀早期,該時期的風化研究主要是對風化地貌特征的觀察、記錄、測量等描述性研究。Blackwelder研究了巖石表面蜂窩狀風化并對其形貌特征進行了詳細的描述[3-4]。Mustoe對海岸地區(qū)蜂窩狀風化的成因進行了研究,研究表明巖石礦物成分的分解是主要誘因之一[5]。Griggs研究了熱力作用下巖石疲勞損傷與巖石表面剝落風化的關(guān)系[6]。Conca等對干旱地區(qū)的砂巖表層硬化的現(xiàn)象進行了研究,查明了硬殼的主要膠結(jié)物成分[7]。隨著研究的深入,巖石風化成因、發(fā)育過程及風化量化的研究也逐漸興起。Ollier對巖石風化類型的熱力學成因進行了研究,研究表明在干旱區(qū)域熱膨脹是巖石風化的主要原因[8]。Wellman對海岸及干旱地區(qū)環(huán)境下的鹽風化進行了研究,研究表明鹽分風化在同層巖石表面的底部最為迅速,極易導致巖石底部的侵蝕[9]。Turkington研究了微氣候?qū)Ψ涓C狀風化的影響,指出了外部微環(huán)境在砂巖風化中的影響作用[10]。Bryan開創(chuàng)性地提出砂巖基質(zhì)膠結(jié)物的化學溶解是砂巖風化的主要原因[11]。進入新時期,砂巖風化的研究不再局限于對風化形貌特征的精確描述,對風化形貌發(fā)生過程的模型及風化速率的研究成為該時期研究的熱點。Viles提出了巖石表面的生物風化概念模型[12]。Mutlutürka等提出了新鮮砂巖的劣化模式[13-15],研究指出砂巖風化表征指標的衰減符合指數(shù)函數(shù)的形式IN=I0e-λN(IN為N循環(huán)后的砂巖完整度,I0為初始完整度,N為循環(huán)次數(shù))。隨著研究的進一步發(fā)展以及全球?qū)ξ幕z產(chǎn)保護和管理的關(guān)注,砂巖遺址的保護成為了砂巖風化關(guān)注的重要焦點之一[16]。Dpejme等詳細分析了外部環(huán)境等因素與巖石學形制對石質(zhì)文物風化的影響[17]。但針對地層巖性特征對砂巖表層風化的影響研究仍舊匱乏。

本文基于北石窟寺砂巖表層風化發(fā)育嚴重，保護性研究較為匱乏的現(xiàn)狀,在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上,對北石窟寺主窟區(qū)的病害發(fā)育情況進行了詳細地梳理與分析。結(jié)合洞窟地層的分布,對北石窟寺砂巖表層風化與地層巖性特征的關(guān)系進行了研究,以期對北石窟寺砂巖風化的保護加固提供科學依據(jù)。

1 北石窟寺石質(zhì)文物病害現(xiàn)狀

北石窟寺開鑿于覆鐘山腳下的直立崖面,崖體中發(fā)育有大量的卸荷裂隙、構(gòu)造裂隙與層間裂隙,這些裂隙及崖面沖溝為水分在崖體及其表面的運移提供了通道,加上區(qū)域降雨較多,且砂巖性質(zhì)較差,導致北石窟寺砂巖表層風化病害嚴重發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,參考ICOMOS出版的石質(zhì)文物劣化模式圖解術(shù)語表[18]及相關(guān)研究[19],將北石窟寺的病害劃分為剝離與脫落、堆積與變色以及生物侵蝕3個大類,又可以進一步劃分為圖1所示的11個小類。

圖1 北石窟寺砂巖病害分類Fig.1 Sandstone diseases classification of the North Grottoes

1.1 剝離與脫落

1.1.1 顆粒狀剝落 顆粒狀剝落是巖石表面單個顆?；蛘哳w粒團聚體的剝離、脫落現(xiàn)象,在不同的巖石表面顆粒狀剝落的深度有所不同。北石窟寺砂巖表層顆粒狀剝落的深度可以達到1～3 cm,剝落也多以單個顆粒的形式發(fā)生(見圖2A),而部分顆粒狀剝落則是以顆粒團聚體的形式發(fā)生的剝落(見圖2B)。顆粒狀剝落是北石窟寺砂巖表層的主要風化病害之一,幾乎所有的窟龕均有發(fā)育顆粒狀剝落。

1.1.2 層狀剝落 層狀剝落是一種沿著薄層結(jié)構(gòu)巖石的一層或者多層的物理分離。這些分離的巖層就像書頁一樣一層一層地發(fā)生剝落,有些甚至會發(fā)生一定的彎曲與扭曲。北石窟寺的層狀剝落往往發(fā)育在洞窟的頂部，與巖層的水平層理相關(guān)。經(jīng)調(diào)查北石窟寺主窟區(qū)共有52個窟龕的頂部發(fā)育有層狀剝落,但不同洞窟的發(fā)育程度不盡相同,例如C22窟的頂部層狀剝落已經(jīng)導致窟頂貫穿(見圖2C),且有進一擴張的趨勢。其是洞窟頂部的主要病害之一。

1.1.3 片狀剝落 巖石整個或者部分表面破裂成形狀不規(guī)則、厚度與體積大小不一的部分,由此產(chǎn)生不連續(xù)的層面。北石窟寺發(fā)育的主要片狀剝落類型為尖細片狀剝落,這是由于巖石表層開裂而發(fā)生的剝落現(xiàn)象,基本發(fā)育于砂巖表面的結(jié)殼(見圖2D)位置。

1.1.4 鼓包脹裂 鼓包脹裂是石質(zhì)文物表面呈現(xiàn)出的分離式半球形凸起,往往是由于巖石外層的剝離造成的(見圖2E)。北石窟寺造像上較為發(fā)育,尤其是鹽分聚集區(qū)域,經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查北石窟寺多數(shù)的窟龕內(nèi)部均發(fā)育有此類病害,且其主要發(fā)育在砂巖表層硬殼部位。

1.1.5 鱗片狀剝落 鱗片狀剝落像魚鱗一樣或者平行于巖石表面剝落，鱗鱗片狀剝落又可以劃分為2個子類型薄片狀剝落(flaking)與輪廓線狀剝落(contour scaling)。而在北石窟寺輪廓線狀剝落較為發(fā)育,多數(shù)造像發(fā)育有此類剝落(見圖2F),這是一種剝落層和巖石完好部分的交界面與巖石表面平行的病害,往往發(fā)育于造像的面部與肢體,崖面北端洞窟內(nèi)部分布發(fā)育尤為普遍。

A C37窟造像顆粒狀剝落；B C22窟東壁顆粒狀剝落；C C22窟頂部層狀剝落；D C225龕地仗層片狀剝落；E C263窟南壁鼓包脹裂；F C263窟造像鱗片狀剝落圖2 北石窟寺砂巖剝離、脫落Fig.2 Sandstone Detachment in the North Grottoes

1.2 變色與堆積

1.2.1 變色 受環(huán)境或人為因素的影響,巖石顏色在色調(diào)、亮度和色度方面發(fā)生變化導致的巖石表面變色的一種現(xiàn)象。北石窟寺外側(cè)崖壁以及洞窟內(nèi)部巖壁均存在變色的現(xiàn)象,而引起北石窟寺巖壁變色的原因主要可以分為以下4類，① 一些巖壁典型的褐色與黑色變色，是由于真菌和藍藻生成了類胡蘿卜素和黑色素以及一些苔蘚生長造成的砂巖表面變色(見圖3A)。② 巖壁滲水或者潮濕造成的巖石顏色的變暗。③ 煙熏造成的變色,產(chǎn)生的部分煙油會滲入到表層的一定深度范圍內(nèi)(3～4 mm)(見圖3B)。④ 砂巖表面泛鹽導致的表層顏色的變化。

1.2.2 堆積物 北石窟寺的堆積物主要是因為塑像及巖壁的表層顆粒狀剝落、層狀剝落、片狀剝落等砂巖表層物質(zhì)的剝離與脫落造成的造像腳部等部位的落砂堆積。部分大型洞窟內(nèi)的造像手部及頂部存在落砂堆積的現(xiàn)象(見圖3C),而北石窟寺的落砂堆積更加集中在造像腳部、側(cè)壁底部部位(見圖3D)。

1.2.3 鹽霜 通常在巖石表面形成的白色粉狀或者晶須狀結(jié)晶, 鹽霜一般由可溶鹽結(jié)晶組成, 其與巖石表面的黏聚力差。 鹽霜一般是由存在多孔隙巖石結(jié)構(gòu)中的含鹽水分蒸發(fā)而形成。 依據(jù)易溶鹽分析的結(jié)果, 北石窟寺砂巖表面鹽霜的主要成分為硫酸鹽, 通常會在砂巖表面以白色結(jié)晶物的形成累積。 通過其顯微結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn), 北石窟寺砂巖表面形成的鹽結(jié)晶類型主要有3種， ① 粉末狀鹽結(jié)晶(見圖3E右上); ②團聚體狀鹽結(jié)晶(見圖3E右下)； ③ 晶須狀鹽結(jié)晶(見圖3F)。 北石窟寺砂巖表面多數(shù)的病害發(fā)育均與鹽分在淺表層部位的結(jié)晶與積累相關(guān), 而北石窟寺崖面及洞窟內(nèi)部的鹽霜極為廣泛, 幾乎所有洞窟內(nèi)都有發(fā)育。

1.3 生物侵蝕

覆鐘山山體上部為較厚的風化黃土層,而慶陽地區(qū)降雨豐富,這導致了外部崖壁包括少數(shù)洞窟內(nèi)均有植物的生長。根劈將會導致裂隙進一步擴張,最終導致巖石的破壞,也為雨水的深入開辟了新的通道,加速雨水對崖體的侵蝕。同時植物也會導致局部區(qū)域的潮濕,這反過來又會影響巖石的其他劣化過程,例如鹽分的遷移與結(jié)晶。生物的新陳代謝及生物的遺體腐爛分解,同樣會引起砂巖的風化。在砂巖表面生長的藻類、苔蘚及地衣等(見圖4),均能分泌有機酸與CO2,菌類則可以利用空氣內(nèi)的氮產(chǎn)生硝酸。

2 北石窟地層巖性與病害發(fā)育關(guān)系

2.1 區(qū)域地質(zhì)

圖4 北石窟寺砂巖表面生物侵蝕(C22窟外壁)Fig.4 Biological colonization of sandstone surface in the North Grottoes(outside wall of C22)

A 部面位置；B 地質(zhì)剖面圖5 北石窟寺崖體地質(zhì)剖面Fig.5 Cliff geological section of the North Grottoes

2.2 礦物學、巖石學性質(zhì)

2.2.1 薄片鑒定 經(jīng)薄片鑒定北石窟寺砂巖主要為長石巖屑砂巖(見圖6，7),現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)取樣點的砂巖依據(jù)顏色可劃分為2種，沙黃色砂巖(見圖6A)與象牙色砂巖(見圖6B)。砂巖主要由石英(47%～51%)、長石(5%～12%)、巖屑(13%～20%)、基質(zhì)(24%～31%)及少量膠結(jié)物組成,顆粒分選中等,以細砂為主,部分中砂,未見明顯顆粒定向排列。成分上石英含量最高,長石與巖屑含量大致相同,長石以鉀長石與斜長石為主,巖屑以火成巖屑為主,變質(zhì)巖屑以片巖為主,見少量板巖巖屑。填隙物以黏土為主但含量較少,多呈薄膜狀包裹主顆粒,見少量白云石膠結(jié)物,砂巖結(jié)構(gòu)松散,粒間孔隙廣泛發(fā)育,顆粒之間為點接觸式,致密度極低,主要粒徑區(qū)間為0.08～0.3 mm,顆粒為次圓狀。而沙黃色砂巖與象牙色砂巖的主要成分差別為，沙黃色砂巖的磨圓度較差為次棱狀,石英含量較高,其巖屑含量中的火成巖巖屑含量較象牙色砂巖稍高,致密程度也同樣高于象牙色砂巖。

A 沙黃色砂巖；B 象牙色砂巖圖6 北石窟寺砂巖薄片圖片F(xiàn)ig.6 Images obtained by optical microscope of the sandstone

2.2.2 砂巖微觀結(jié)構(gòu) 新鮮砂巖的掃描電鏡結(jié)果顯示了2種不同顏色砂巖的微觀結(jié)構(gòu)(見圖8),沙黃色砂巖與象牙色砂巖的顯微結(jié)構(gòu)均清晰地顯示了顆粒之間的相互耦合關(guān)系,砂巖內(nèi)部顆粒之間的耦合關(guān)系類似于“鎖砂”結(jié)構(gòu),顆粒之間為典型的點接觸。這種顆粒之間的“鎖砂”結(jié)構(gòu),內(nèi)部摩擦角大[20-21],使得該類砂巖即便黏土礦物含量較低,甚至為零時仍具有一定的強度。同時在象牙色砂巖的顆粒表面發(fā)現(xiàn)高嶺石礦物,將顆粒表面包裹,而在沙黃色砂巖的顆粒周圍則未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。

圖7 北石窟寺砂巖QFL三角圖分類Fig.7 QFL sandstone classification of the North Grottoes

A 沙黃色砂巖； B 象牙色砂巖圖8 北石窟寺砂巖掃描電鏡Fig.8 SEM images of the sandstone from the North Grottoes

2.2.3 XRD礦物成分分析 利用X射線衍射法(XRD) 對兩種砂巖樣品的礦物成分進行了檢測,使用了日本 UltimaⅣ衍射儀。結(jié)果表明砂巖中石英含量最高,沙黃色砂巖中斜長石含量稍高,而象牙色砂巖中鉀長石含量稍高,其中象牙色砂巖中發(fā)現(xiàn)了大量的方解石(見圖9)。值得注意的是兩種砂巖內(nèi)均存在黏土礦物,但含量均低于1%。

圖9 北石窟寺砂巖XRD鑒定結(jié)果Fig.9 XRD of the sandstone from the North Grottoes

2.3 地層巖性與病害發(fā)育

在現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn),取樣區(qū)域象牙色砂巖的風化較沙黃色砂巖的風化速率更快,該區(qū)域出現(xiàn)了明顯的表面凹窩風化形貌,并伴隨著嚴重的表面鹽霜現(xiàn)象(見圖10)。同時經(jīng)過室內(nèi)測試發(fā)現(xiàn)象牙色砂巖的滲透系數(shù)為1.41×10-3m/s,而沙黃色砂巖的滲透系數(shù)為5.22×10-4m/s,象牙色砂巖的滲透系數(shù)約是沙黃色砂巖的2倍,因此在相同的外部溫濕度環(huán)境下象牙色砂巖取樣區(qū)域的鹽分更易被運移到砂巖的表層,造成表層的顆粒剝落,最終形成表面凹窩的風化形貌。因此在相同環(huán)境條件下,巖層的性質(zhì)差異是影響巖石風化的重要因素之一。

圖10 砂巖取樣點Fig.10 Sandstone samples point

北石窟寺崖體發(fā)育的層間裂隙也多由軟弱夾層的差異風化引起,經(jīng)調(diào)查崖面發(fā)育有4條較大的層間裂隙，IC1,IC2,IC3與IC4(見圖11)。IC1是崖面上發(fā)育的規(guī)模最大的層間裂隙,其張開度為5～50 cm,該裂隙由北至南貫穿整個崖體,產(chǎn)狀為85°～90°∠20°～25°。由于IC2～IC4在90年代的加固工程中已被封閉,無法進行取樣。針對IC1的取樣發(fā)現(xiàn),該層巖石為含泥細中粒石英砂巖(見圖12A)。由于該層砂巖內(nèi)的黏土礦物含量較高,掃描電鏡的結(jié)果顯示顆粒間有大量的高嶺石礦物(見圖12B)。這使得該層砂巖在溫濕循環(huán)的情況下會發(fā)生反復的縮脹,使其首先發(fā)生破壞,C165窟造像的頂端部位因此出現(xiàn)了較大的層間裂隙,進而又為水分運移提供了通道,裂隙周圍產(chǎn)生了嚴重鹽霜,進一步加速該層的風化。

北石窟寺崖體地層的河湖相沉積導致了地層之間的復雜差異。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查,可將北石窟寺南端頂層洞窟37窟的洞窟地層詳細劃分為至少18層(見圖13),18層均為白堊系羅漢洞組砂巖,但各層之間的性質(zhì)差異導致各層的風化速率產(chǎn)生了明顯的區(qū)別。由于洞窟內(nèi)的溫濕度變化環(huán)境一致,但巖石表面出現(xiàn)了顯著的條帶狀鹽結(jié)晶,即表層鹽結(jié)晶現(xiàn)象選擇性地出現(xiàn)在了不同的地層(見圖14)。例如8，9，11巖層的產(chǎn)狀為65°～70°∠15°～20°,其表層發(fā)育的主要病害為顆粒狀風化,而其他巖層表層發(fā)育的主要病害類型為鹽霜(2，4，6，10，12，14等)。最終導致洞窟內(nèi)壁出現(xiàn)了明顯的白色帶狀風化。由于巖性的顯著差異,導致了鹽分在巖石內(nèi)部結(jié)晶的深度不同,對于表面發(fā)育有嚴重鹽霜的巖層,其結(jié)構(gòu)往往較為疏松,滲透系數(shù)更大,鹽分得以被運移至砂巖的表層。而相反顆粒狀風化主要發(fā)育的巖層結(jié)構(gòu)則往往較為致密,鹽分在表面的結(jié)晶會相對減少。砂巖表層的鹽結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹致使這些巖層風化速率相對較高。

圖11 北石窟寺崖體層間裂隙分布Fig.11 The distribution of interlayer fissures in the cliff of the North Grottoes

圖14 C37窟實測地質(zhì)剖面Fig.14 Measured cross section of Cave 37 and its location

3 結(jié)論

1)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,北石窟寺砂巖文物表面發(fā)育的主要風化病害有:顆粒狀剝落、層狀剝落、片狀剝落、鼓包脹裂、鱗片狀剝落、表面凹窩、局部缺失、鹽霜、變色、堆積物以及生物侵蝕等11類。

2)依據(jù)測試,北石窟寺崖體的砂巖主要為白堊系長石巖屑砂巖,該砂巖主要含石英(65%～80%)、巖屑(13%～20%)、鉀長石+斜長石(5%～12%)以及填隙物(4%～10%)?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)合室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn),北石窟寺砂巖的河湖相沉積導致巖層之間的性質(zhì)差異較大,導致了鹽分的聚集差異,最終引起巖層之間的差異風化。

3)除了砂巖的外部溫濕度環(huán)境外,砂巖本身的性質(zhì)同樣與砂巖表層的病害發(fā)育有著密切的關(guān)聯(lián)。北石窟寺砂巖表層風化病害多與地層性質(zhì)差異相關(guān)。因此在采取相關(guān)的保護措施時應(yīng)關(guān)注到不同巖層的性質(zhì)差異,針對保護材料的研究也應(yīng)更加針對于精細地層巖性進行研發(fā)。

4)要進一步地探究北石窟寺地層巖性特征對砂巖表層風化的影響,需要確定風化前后砂巖成分、微觀結(jié)構(gòu)及膠結(jié)物的變化。