張夢(mèng)婷，王恩德，李 斌，宋 坤

（1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司 文物保護(hù)部，遼寧 沈陽(yáng) 110002）

0 引言

中國(guó)石質(zhì)型文物具有歷史悠久、分布廣、規(guī)模大的特點(diǎn)，但由于各石質(zhì)文物內(nèi)部巖性及外部環(huán)境的影響，各地的石質(zhì)類文物遭受著一定程度的地質(zhì)損傷.地質(zhì)損傷指巖石在空氣、水和生物等外力作用下所發(fā)生的變化和破壞過(guò)程[1].這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，是物理、化學(xué)、生物等作用共同作用的結(jié)果.它跟巖石材料的本身特性（成分多樣、異質(zhì)多像、多孔結(jié)構(gòu)）以及暴露的外部條件（如水循環(huán)）的影響有關(guān)[2-3].巖石的抗風(fēng)化能力與巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、膠結(jié)物類型等因素共同決定[4].

各種類型的石質(zhì)文物所受的地質(zhì)損傷程度不同，損傷機(jī)制和防護(hù)措施也有所不同.距今有1 500余年的云岡石窟在自然界各種營(yíng)力的作用下，地質(zhì)損傷較為嚴(yán)重，呈現(xiàn)出片狀、鱗片狀、粉狀等風(fēng)化形態(tài)；許多石雕表面剝落，佛龕風(fēng)化嚴(yán)重，甚至無(wú)法辨認(rèn)，見(jiàn)圖1.長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于云岡石窟地質(zhì)損傷的研究尚且不夠深入，未能科學(xué)有效地開(kāi)展云岡石窟文物保護(hù)工作，本文旨在對(duì)云岡石窟石質(zhì)文物地質(zhì)損傷機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，從定性、半定量的角度分析云岡石窟地質(zhì)損傷，為云岡石窟的保護(hù)提供理論指導(dǎo).

圖1 云岡石窟地質(zhì)損傷情況Fig.1 geological map of Yungang Grottoes

1 云岡石窟概況

云岡石窟是人類的雕刻藝術(shù)寶庫(kù)，開(kāi)鑿于北魏文成帝和平年間（460-465年）至北魏孝明帝正光五年（524年）建成，歷時(shí)60余年，2001年被聯(lián)合國(guó)教科文組織確認(rèn)為世界文化遺產(chǎn).云岡石窟是中國(guó)最大的石窟群之一，是典型的砂巖石窟，開(kāi)鑿在山西省大同市城西約16 km的武周山余脈低山丘陵區(qū)前緣.石窟依山開(kāi)鑿，氣勢(shì)恢弘，東西綿延約1 km，現(xiàn)存主要洞窟約45個(gè)，佛龕約250尊，體現(xiàn)了北魏時(shí)期的佛教石窟藝術(shù)與文化，云岡石窟不僅是今天了解和研究古代歷史、雕刻、建筑等方面的重要實(shí)物資料，也是追溯古代中西文化交流和人物友好往來(lái)的實(shí)物佐證[5].

本地區(qū)為大陸性半干旱氣候，年平均氣溫7 oC～10 oC，雨季集中在 7月至 9月，年平均降雨量423.8 mm，月最高降雨量達(dá)100 mm以上；年平均蒸發(fā)量1 748 mm，年積雪20 mm左右.云岡石窟開(kāi)鑿于侏羅系砂巖中，處于山西中臺(tái)隆大同平魯凹陷區(qū)的東北端箱型向斜軸部；窟區(qū)地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬中生代中侏羅統(tǒng)上部云岡組（J2y）和第四系中上部的中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng).本次研究將云岡組對(duì)石窟有影響的地層劃分為6個(gè)巖性段，石窟雕像主要開(kāi)鑿于J2y2-J2y4.

2 云岡石窟差異性地質(zhì)損傷分析

2.1 云岡石窟的巖性差異性地質(zhì)損傷分析

（1）巖性特征的差異性對(duì)佛龕地質(zhì)損傷的影響

為定性、半定量分析云岡石窟巖性的差異性對(duì)佛龕地質(zhì)損傷的影響，在云岡石窟景區(qū)東側(cè)巖壁（J2y2-J2y4）上采集新鮮巖樣，對(duì)新鮮巖樣進(jìn)行鏡下巖礦鑒定，結(jié)果見(jiàn)表1.從砂巖的結(jié)構(gòu)、礦物成分、膠結(jié)方式的差異性討論石雕的地質(zhì)損傷程度.由于鄧云[6]等論述了原生構(gòu)造對(duì)石窟風(fēng)化的影響，本文不再重復(fù)研究.

表1 云岡石窟標(biāo)本巖礦鑒定結(jié)果Tab.1 rock and mineral identification results of Yungang Grottoes

石雕地質(zhì)損傷程度計(jì)算為：首先對(duì)新鮮巖樣采用電感耦合的方法進(jìn)行常量元素分析，其結(jié)果見(jiàn)表2.利用帕克風(fēng)化指數(shù)（WIP）判定地質(zhì)損傷程度，地質(zhì)損傷指數(shù)計(jì)算公式與理論值見(jiàn)表3.

表2 云岡石窟砂巖常量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 percentage of major elements in sandstone of Yungang Grottoes

表3 地質(zhì)損傷指數(shù)計(jì)算公式與理論值Tab.3 calculation formula and theoretical value of geological damage index

根據(jù)上述地質(zhì)損傷指數(shù)計(jì)算公式分別計(jì)算編號(hào)為lb-1、lb-2、lb-3、lb-4的長(zhǎng)石石英砂巖地質(zhì)損傷程度，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 砂巖地質(zhì)損傷程度計(jì)算結(jié)果Tab.4 calculation results of geological damage degree of lithology sandstone

由表4的計(jì)算結(jié)果可知，樣品lb-2地質(zhì)損傷程度最大，為25.269 5；樣品lb-3次之，為28.696 5；樣品lb-1為31.723 8；樣品lb-4地質(zhì)損傷程度最小，為33.446 5.樣品lb-4中的硅質(zhì)膠結(jié)物增加了巖石的力學(xué)性質(zhì)，降低了石窟地質(zhì)損傷的程度，故樣品lb-4的地質(zhì)損傷程度最小，結(jié)合新鮮巖樣的巖礦鑒定特征可得：① 泥質(zhì)砂巖較砂巖易風(fēng)化；② 粗砂巖較細(xì)砂巖易風(fēng)化；③ 基底式膠結(jié)較孔隙式膠結(jié)易風(fēng)化，泥質(zhì)膠結(jié)較鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)更易風(fēng)化；④ 云岡石窟的地質(zhì)損傷產(chǎn)物.

通過(guò)對(duì)云岡石窟風(fēng)化樣品與新鮮巖樣的礦物成分及化學(xué)成分的對(duì)比分析，得出云岡石窟砂巖風(fēng)化前后的成分變化，得出云岡石窟風(fēng)化產(chǎn)物.

自然狀態(tài)下風(fēng)化樣品取自山西省大同市云岡石窟第3窟、第5窟內(nèi)部，并采用X射線衍射（XRD）對(duì)云岡石窟風(fēng)化物進(jìn)行礦物成分分析；XRD圖譜見(jiàn)圖2～圖5.

圖2 B-1砂巖XRD圖譜Fig.2 B-1 XRD diagrams of sandstone

圖2 中，2θ值在 21°、26°、39.5°、42.5°、50°、60°、67°、68°、75°、80°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著石英的特征峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著高嶺石的衍射峰；此外，還有少量硅質(zhì)膠結(jié)物、石膏及石墨.

圖3 中，2θ值在 21°、26°、37°、42.5°、46°、50°、60°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著石英的特征峰；2θ值在26.5°、40°、67.5°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著正長(zhǎng)石的衍射峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著高嶺石的衍射峰.

圖3 B-2砂巖XRD圖譜Fig.3 B-2 XRD diagrams of sandstone

圖4 中，2θ值在 26°、37°、42.5°、50.5°、60°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著石英的特征峰；2θ值在21°、29.5°、55°、68°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著白云石的衍射峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著高嶺石的衍射峰.

圖4 B-3砂巖XRD圖譜Fig.4 B-3 XRD diagrams of sandstone

圖5 中，2θ值在 21°、26°、30°、50°、55°、61°、67°、80°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著石英的特征峰；而 2θ值在 12.5°、25°、43°附近的衍射峰對(duì)應(yīng)著高嶺石的衍射峰；此外，有5%～10%的硅質(zhì)膠結(jié)物.

圖5 B-4砂巖XRD圖譜Fig.5 B-4 XRD diagrams of sandstone

由表2可知：云岡石窟新鮮巖樣的主要礦物成分是石英、鉀長(zhǎng)石、方解石，且含有少量的鐵，故推知巖樣中可能含有少量的含鐵白云石礦物；風(fēng)化樣品與新鮮巖樣成分對(duì)比發(fā)現(xiàn)原巖礦物方解石、含鐵白云石經(jīng)風(fēng)化至完全消失，而高嶺石的含量有明顯的增加，白云母的含量從無(wú)到有，即云岡石窟經(jīng)風(fēng)化后，高嶺石代替了方解石與含鐵白云石.由此可見(jiàn)，方解石、含鐵白云石為新鮮砂巖樣品的膠結(jié)物，云岡石窟的地質(zhì)損傷的主要產(chǎn)物是高嶺石.

2.2 云岡石窟地下水分布的差異性地質(zhì)損傷分析

專家普遍認(rèn)為，水與巖石長(zhǎng)期而緩慢的相互作用是造成云岡石窟風(fēng)化的主要原因[7].由地下水作用引起的云岡石窟風(fēng)化物類型主要有粉末狀、鱗片狀等.粉末狀風(fēng)化物的形成是地下水與空氣中的CO2、SO2等結(jié)合，對(duì)石雕和石窟巖體表面的長(zhǎng)石、鈣質(zhì)膠結(jié)物進(jìn)行水合溶濾作用，同時(shí)，地下水將鹽類帶到石雕和巖體表面聚集而形成粉末狀的風(fēng)化物.鱗片狀風(fēng)化物的形成是由于地下水沿裂隙通道滲透至石雕與巖石表面，水分蒸發(fā)后，可溶鹽從水中析出結(jié)晶而聚集在石雕與巖石表面，形成了鱗片狀風(fēng)化物[8].石窟中長(zhǎng)期受地下水作用的部位易于風(fēng)化，如云岡石窟的第21窟、23窟、24窟、27窟、30窟，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 石窟風(fēng)化調(diào)查結(jié)果Tab.5 grotto weathering questionnaire

由表5可知，風(fēng)化的面積占此次調(diào)查總面積的53.48%，其中21窟風(fēng)化最嚴(yán)重，占77.91%，呈片狀、鱗片狀風(fēng)化；30窟次之，66.80%，呈粉狀、鱗片狀風(fēng)化；然后是23窟，占56.68%，呈鱗片狀、粉狀；接著是27-1窟與24窟，分別占 35.77%和20.73%，呈鱗片狀、粉狀風(fēng)化與粉狀、片狀風(fēng)化.

地下水作用主要表現(xiàn)以下方面：一是地下水的風(fēng)化作用，主要形成粉末狀風(fēng)化物；二是鹽類析出與結(jié)晶的風(fēng)化作用，主要形成鱗片狀風(fēng)化物.在二者的共同作用下，有地下水的洞窟較沒(méi)有地下水的洞窟易風(fēng)化，因此保持一個(gè)巖石含水率相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，有利于減緩石窟地質(zhì)損傷作用.

2.3 云岡石窟環(huán)境的差異性地質(zhì)損傷分析

云岡石窟周圍被煤礦包圍，煤礦的開(kāi)采與停產(chǎn)周期性的變化加劇了石雕的地質(zhì)損傷.煤礦開(kāi)采及燃煤使空氣中煤的粉塵較多，據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：云岡石窟地區(qū)冬季5日粉塵含量平均值為0.359 mg/m3，根據(jù)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，超標(biāo)率為 100%；夏季 5日粉塵含量平均值為0.323 mg/m3，超標(biāo)率為80%[9].粉塵吸附空氣中的SO2氣體，因此佛龕表面有大量SO2的粉塵，而SO2性質(zhì)活潑，在光照條件下轉(zhuǎn)化為SO3，SO3遇水則生成硫酸

硫酸與鈣質(zhì)膠結(jié)物如方解石發(fā)生化學(xué)作用，促進(jìn)了Ca2+與SO42-結(jié)合成石膏[10]

化學(xué)風(fēng)化所形成的石膏在 34℃左右時(shí)與硬石膏相互轉(zhuǎn)化

當(dāng)硬石膏遇水轉(zhuǎn)化成硬石膏時(shí)，體積增大31%，同時(shí)產(chǎn)生15 kPa/cm2的膨脹壓力[11]，使巖體的孔隙度增大，形成片狀脫落，造成嚴(yán)重的化學(xué)風(fēng)化.煤礦停產(chǎn)后，因煤礦生產(chǎn)需要而進(jìn)行的井下排水也隨之停止，地下水位必然隨之回升，促進(jìn)了地下水作用及粉末狀與鱗片狀風(fēng)化物的形成.

3 結(jié)論

從地層巖性、地下水、外部環(huán)境三方面探究了影響云岡石窟差異性風(fēng)化的因素，得到以下結(jié)論：

（1）由地層巖性的差異性造成的石窟地質(zhì)損傷有：泥質(zhì)砂巖較砂巖易風(fēng)化；粗砂巖較細(xì)砂巖易風(fēng)化；基底式膠結(jié)較孔隙式膠結(jié)易風(fēng)化，泥質(zhì)膠結(jié)較鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)更易風(fēng)化.

（2）地下水的分布影響著石雕的差異性地質(zhì)損傷.地下水風(fēng)化作用與鹽類析出共同作用下，有地下水分布的洞窟較沒(méi)有地下水分布的洞窟易風(fēng)化.

（3）石窟周圍煤礦的開(kāi)采與停產(chǎn)周期性的變化加劇了石雕的差異性地質(zhì)損傷.煤礦開(kāi)采時(shí)，石膏與硬石膏的相互轉(zhuǎn)化降低了石窟力學(xué)性質(zhì)，使石窟酥化；煤礦停產(chǎn)時(shí)，地下水位的回升促進(jìn)地下水作用，加速了粉末狀及鱗片狀風(fēng)化物的形成.