孫麗娟，韓　明,張中立，丁　巖

(1.西北大學文化遺產學院/文化遺產研究與保護技術教育部重點實驗室，陜西 西安 710069；2.新疆文物古跡保護中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.陜西省文物考古研究院，陜西 西安 710054)

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地下水分蒸發(fā)對考古發(fā)掘土遺跡劣化影響初探

孫麗娟1，韓明2,張中立3，丁巖3

(1.西北大學文化遺產學院/文化遺產研究與保護技術教育部重點實驗室，陜西 西安 710069；2.新疆文物古跡保護中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.陜西省文物考古研究院，陜西 西安 710054)

[摘要]分析考古發(fā)掘過程中環(huán)境蒸發(fā)量對土遺跡病害產生的作用。將考古發(fā)掘現(xiàn)場土遺跡模擬樣品置于外界環(huán)境中，監(jiān)測環(huán)境蒸發(fā)量變化，觀察樣品外觀變化、監(jiān)測樣塊不同深度含水率遞變規(guī)律、觀察微觀形貌及分析可溶鹽變化，探究環(huán)境蒸發(fā)量變化與土遺跡含水率變化對應規(guī)律性及含水率變化與遺跡表面產生的病害之間的遞變規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)：樣塊放置初期，蒸發(fā)量對樣塊變化影響較大，模擬灰坑及夯土類遺跡樣放置24 h后，累計蒸發(fā)量11 mm時，樣塊迅速劣變，表層含水率迅速下降，產生裂隙、結皮、龜裂等病害；模擬潮濕環(huán)境樣塊，含水率高于19%左右時，樣塊受蒸發(fā)量影響不大，病害產生不顯著，含水率降至19%之后，樣塊表層含水率急速降至5%左右(土壤縮限)，樣塊表層產生嚴重結殼、可溶鹽富集。含水量低于塑限的土遺跡，蒸發(fā)量變化對考古發(fā)掘土遺跡劣化影響呈遞進式規(guī)律，環(huán)境累計蒸發(fā)量為11 mm時，劣化嚴重；處于液限附近土遺跡，受自身含水率影響較大，當含水率迅速由19%降至5%時，遺跡劣化最嚴重。

[關鍵詞]考古現(xiàn)場土遺跡； 蒸發(fā)量；含水率

考古發(fā)掘土遺跡在古遺址中占有相當重要地位，目前考古發(fā)掘的土遺跡絕大部為露天發(fā)掘，遺跡常常受到發(fā)掘條件、保存環(huán)境及保護手段等方面限制，揭露后遺跡很快產生裂隙、坍塌、鹽析、表面風化等病害，遺跡的病變對遺跡的保存及研究很不利。大多考古遺跡在資料提取后都采取回填的保護措施，不利于遺跡的進一步研究和展示。

針對考古發(fā)掘土遺跡的研究保護工作迫在眉睫，考古現(xiàn)場土遺跡的保護工作首先應從了解遺跡產生破壞的條件、病害產生變化的階段性等方面入手，再進行深入研究，從而為遺跡病害的治理與控制提供依據。

1實驗部分

1.1實驗依據

中華人民共和國水利部2007年頒布行業(yè)標準《公路土工試驗規(guī)程》

1.2材料

制樣材料采自鳳棲原漢墓考古發(fā)掘遺址土，樣品包括遺址根部土、遺址新剝落土、遺址剝落堆積下層土等。

表1　土樣含水率

密度：剝落樣為1.36 g/cm3，夯土樣1.66 g/cm3；

液限WL=33.74%，塑限WP=24.30%，塑性指數IP=9.46；縮限WS=5.00%；

X熒光半定量分析：表層土壤可溶鹽中Ca、S元素含量很高，結合文獻[1]推測主要成分為CaSO4；

pH值：7.6～7.8，與鈣含量高現(xiàn)象符合[2]。

1.3制樣

經資料分析[2]土壤表面約20cm左右土壤水分與環(huán)境交換活躍，依據考古數據和文獻資料[3][4]制規(guī)格為40 cm×30 cm×20 cm樣塊，密度和含水率設置見表2。

將模擬遺跡樣塊分兩組：C組放置在高臺上，四周環(huán)境開放，S組處于四周建筑密集，受風影響很小區(qū)域。C組：CYS(模擬灰坑)、CH(模擬夯土)、CWL(含水率接近液限)、CBL(土樣完全暴露)；S組：SYS(模擬灰坑)、SH(模擬夯土)、SWL(含水率接近液限)。

由于土樣含水率不均，制樣前將土樣密封7天，使水分分散均勻。參照SL237-002-1999制樣并密封，放置7天，使內部水分布均勻。7天后測得樣塊含水率見表3。

表2　重塑樣參數

表3　模擬遺跡含水率

圖1　環(huán)境蒸發(fā)量監(jiān)測曲線

1.4儀器設備

臺秤(精度0.01 g)；分析天平(精度0.001 g)；SS-1型收縮儀，南京寧曦土壤儀器有限公司；金屬蒸發(fā)盆，口徑20 cm，高10 cm；液塑限聯(lián)合測定儀(76 g錐體)；ARTAX-400可移動X射線熒光光譜儀，德國布魯克公司；KH-7700超景深三維視頻顯微鏡，日本浩視公司；電子掃描顯微鏡，捷克TESCAN公司。

表4　表層含水率變化劇烈時段累計蒸發(fā)量

注：W%表示含水率；E表示累計蒸發(fā)量，單位：毫米/mm；δE：劇烈變化到趨向穩(wěn)定累計蒸發(fā)量，單位：毫米/mm；T：累計時間，單位：小時/h；δT：劇烈變化到趨向穩(wěn)定累計時間，單位：小時/h。

2結果與討論

2.1蒸發(fā)量監(jiān)測結果

蒸發(fā)量監(jiān)測結果詳見圖1。

2.2土樣含水率變化曲線

從整個監(jiān)測數據曲線分析：表層含水率變化經歷緩慢減小、劇烈減小、波動變化三個階段。樣塊表層含水率變化受環(huán)境蒸發(fā)量變化影響顯著，較深和深層含水率變化相對遲緩。樣塊表層含水率在環(huán)境蒸發(fā)量影響下，含水率迅速降至5%左右，含水率達到5%左右后，表層含水率變化受環(huán)境蒸發(fā)量影響變化不明顯。

圖2及表4顯示表層土樣含水率變化最顯著。C組中CBL、CH、CYS經過約24 h，累計蒸發(fā)量7.41～8.94 mm，樣塊表層含水率降至5%(縮限值)；SYS、SH表層經過約24h變化，累計蒸發(fā)量9.14～10.99 mm，含水率由初始值降至5%(縮限值)。

高含水率試樣CWL、 SWL表面的含水率在實驗初期變化緩慢。CWL樣塊經歷5天變化，累計蒸發(fā)量33.9 mm，表層含水率減小至5%左右； SWL經過6 d，累計蒸發(fā)量32.7 mm，表層含水率減小至5%左右；CWL表層含水率從開始迅速減小到降至5%，累計蒸發(fā)量10.77 mm，SWL累計蒸發(fā)量12.19 mm。當土樣表層含水率初始值低于19%高于5%時，蒸發(fā)量變化導致土樣表層含水率迅速降低。

圖2　含水率隨累計蒸發(fā)量變化曲線

備注：實驗過程中含水率的測試，表層含水率測試取樣位置在試樣表面2～3 cm深度，較深層為距試樣表面5～10 cm；深層取樣為15 cm及以下深度。

從表5數據分析得

(1)C組試樣放置初期在晚間表層含水率減少值為正值，說明試樣向環(huán)境散失的量大于內部補充和從環(huán)境空氣中吸收的水分；而S組在監(jiān)測第一晚上出現(xiàn)負增長，表現(xiàn)向環(huán)境散失的水分小于內部補充水分。C組外界環(huán)境較S組外界環(huán)境開闊且風速較大，外界蒸汽壓小，環(huán)境蒸發(fā)量相對大，兩組樣在放置第一晚上出現(xiàn)的不同現(xiàn)象，表現(xiàn)出微環(huán)境對土樣表層含水率變化有很大影響。

(2)試樣含水率低于5%后，由于土壤的滯后作用[5]，夜間吸收外界環(huán)境中水分和得到內部土壤水分補充后，土樣表層的含水率在5%左右波動。

從含水率變化曲線和數據分析：含水率低于19%時，環(huán)境蒸發(fā)量對土樣表層含水率變化作用顯著。含水率低于19%，高于縮限的樣塊，當累計蒸發(fā)量≥11 mm左右，樣塊表層含水率迅速降至5%，土樣表層含水率變化得到夜間環(huán)境水分和底層水分補充，含水率在5%左右波動；含水率接近液限的樣塊，經過累計蒸發(fā)量34 mm左右變化，表層含水率降到5%左右后穩(wěn)定。

結合文獻[6][7][8]分析蒸發(fā)量在遺跡表層含水率劇烈變化中起到決定性的作用。

2.3土樣病害

隨著樣塊含水率變化，樣塊出現(xiàn)顏色變淺、可溶鹽富集、結皮、結殼等病害。

表6　病害出現(xiàn)及累計蒸發(fā)量和時間

注：δE表示累計蒸發(fā)量；毫米/mm；小時/h.

圖3　SWL斷面照片

顯微觀察發(fā)現(xiàn)高含水率土樣表層結殼現(xiàn)象明顯，存在明顯分界線，分界線以上的土粒間孔隙度小，膠結密實，交界面以下土粒間松散、孔隙大。

鹽害在CBL、CWL、SWL表面明顯，用超景深顯微鏡分別在100X、200X、250X倍率下觀察樣塊表面的鹽害。

圖4超景深照片可看出：CWL、SWL表面可溶鹽富集明顯。從斷面顯微照片可以明顯看到：由表入里可溶鹽含量減弱；從原樣斷面電鏡照片觀察可見，可溶鹽在土壤孔隙邊緣富集，呈松散堆積，重塑樣表面可溶鹽呈片狀松散堆積。

X熒光發(fā)現(xiàn)可溶鹽中Ca、S元素含量明顯高于其他元素，和原樣熒光半定量分析結果一致。

利用超景深顯微鏡、掃面電鏡以及X熒光，對模擬樣塊出現(xiàn)病害區(qū)域采集的試樣分析，可見：

(1)高含水率樣斷面表層土粒膠結致密、出現(xiàn)結殼，且有明顯的分界面；

(2)顯微觀察CYS、CH、CBL表面可溶鹽富集不明顯， CWL、SWL表面可溶鹽富集顯著，從土樣斷面可見，可溶鹽由樣塊內部孔隙隨水分的運移向表面遞進式運移，在樣塊表面呈片狀富集。

(3)X熒光分析SWL、CWL、CBL表面 Ca、S半定量數值明顯偏高，CYS、CH則不顯著，原因是CYS、CH初始含水率低。

(4)CBL的表面顯微觀察可溶鹽較少，熒光分析Ca、S卻明顯偏高，結合對樣塊表面破壞觀察，樣塊表面形成一層很薄的結皮，可溶鹽在結皮下富集。

表5　夜間蒸發(fā)量與土樣表層含水率夜間減少值

備注：負值表示含水率增加

圖4　樣塊表面泛白顯微觀察

圖5　樣塊表面可溶鹽電鏡照片

3結語

1)遺跡表層2～3 cm深度受環(huán)境蒸發(fā)量影響劇烈，蒸發(fā)量的作用導致遺跡表層含水率急劇變化，遺跡表層含水率受蒸發(fā)量作用變化分為三個階段：(1)緩慢變化階段。降雨或潮濕地區(qū)遺跡含水率接近液限時，遺跡表層土體含水率受蒸發(fā)量變化影響小，含水率減小速率緩慢；(2)劇烈變化階段。遺跡含水率低于一定含水率后(和遺跡土體自身特性有關)，表層含水率急劇降低至縮限值(遺跡土體天然含水率時測得的縮限值)左右；(3)含水率波動變化階段。此階段主要受到土壤滯后效應影響，表層含水率在縮限值上下波動。

2)蒸發(fā)量對大多遺跡的影響主要發(fā)生在發(fā)掘初期，一般情況下遺跡的含水率都低于特定值(與遺址土體內礦物含量、孔隙度、粒度組成等因素有關)，當累積蒸發(fā)量達到11 mm左右，遺跡表層2～3 cm厚度含水率在蒸發(fā)量作用下迅速變化，含水率降至縮限(天然含水率時測得縮限值)左右，遺跡表面發(fā)生結皮、龜裂，此時裂隙達到最大，遺跡穩(wěn)定性此時最小。

3)大型遺跡內部水分的運移帶動可溶鹽運移，由遺跡內部的孔隙向表面運移、富集，當遺跡表面結皮后蒸發(fā)量的作用就不明顯，鹽溶解結晶，在凍融作用、溫濕度變化等影響下，遺跡根部酥堿、表面結皮剝落、崩塌。

4) 從實驗的兩組含水率變化曲線之間的差距可以發(fā)現(xiàn)，微環(huán)境對表層土壤含水率變化也有很大的影響，所以對考古現(xiàn)場土遺跡的保護應該采取多方位、多手段監(jiān)測，對病害產生部位及時發(fā)現(xiàn)、研究、制定并采取有效的保護措施。

參考文獻

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[3]李最雄.絲綢之路古遺址保護[M].北京：科學出版社. 2003，261-273.

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[6]孫麗娟，王博，趙叢蒼，等. 陜西高陵楊官寨遺址考古發(fā)掘現(xiàn)場遺跡劣化機理初步探究[J].考古與文物.2011.(06)：108-118.

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Study On the Effection of Evaporation On the Moisture Content of Earthen Archaeology Sites

SUN Li-juan1，HANMing2，ZHANG Zhong-li3，DINGYan3

(1.Cultural heritage preservation academy of Northwestern University, Xi’an Shaanxi Province,710069,PR China；2.Center of Culture Relics Conservation of Xinjiang, Urimqi 83000,PR China；3.Shaanxi Provincial Institute of Archaeology,Xi’an 710054,China 4Key Laboratory of Cultural Heritage research and conservation (Northwest University),Ministry of Education Xi’an 710069, China)

Abstract:Purpose Analyzing the influence of the environmental evaporation capacity exerting on the earthen site diseases; Method By recording and analyzing the appearance changes、the moisture content grading regularity of different depth、microscopic morphology and soluble salt, it is possible to explore the corresponding rule between environmental evaporation capacity changes and moisture content variations as well as the grading regularity law between moisture content changes and the diseases on the site. Result at the early stage of the exposion, the evaporation capacity greatly affects the samples, those simulated ones degraded swiftly, diseases such as cracks、crust and chap appear at the exposion stage of the early 24h and 11mm accumulated evaporation capacity; For those high-moisture content samples, evaporation capacity has little effect on the site, there will be heavy crust and soluble salt with evaporation capacity reaching 19% and moisture content plummeting to approximate 5%.Conclusion for those sites with moisture content under plastic limit, evaporation capacity variation presents a progressive rule on the deterioration of the sites, there is the most obvious deterioration when the early environmental accumulated evaporation capacity reaches 11mm.Those sites with moisture content around the liquid limit is directely affected by the moisture content, it deteriorates swifty while the moisture content changes from 19% to 5%.

Key words:Excavated archaeological earthen sites；Evaporation capacity and Moisture content.

[收稿日期]2015-09-28

[基金項目]陜西省教育廳哲學社會科學重點研究基地科研計劃項目(11JZ040)；西北大學大陸動力學國家重點實驗室

[作者簡介]孫麗娟(1977-)，女，遼寧錦州人，講師，研究方向：文物保護材料學、有機質文物保護及土遺址文物保護的教學科研工作。

[中圖分類號]P641.12

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0012-04

開放課題基金資助(06LCD19)項目資助