嚴(yán)紹軍，何　凱，孫　鵬，竇　彥，陳嘉琦

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢　430074)

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重慶合川釣魚城古戰(zhàn)場遺址砂巖風(fēng)化試驗(yàn)研究

嚴(yán)紹軍，何凱，孫鵬，竇彥，陳嘉琦

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢430074)

為了解重慶合川釣魚城古戰(zhàn)場遺址砂巖風(fēng)化現(xiàn)狀，保護(hù)文化遺址、風(fēng)景名勝及周邊居民和游客的安全，根據(jù)釣魚城所處的地質(zhì)環(huán)境劃分了文物本體區(qū)的地層，進(jìn)行區(qū)域地表與地下水的水質(zhì)分析，同時(shí)對第⑥層上、下不同深度的地層取巖芯進(jìn)行半定量的XRD礦物測試及X熒光化學(xué)成分測試。由于文物本體主要賦存于第⑥層砂巖，因此對該層不同位置砂巖的風(fēng)化部位取樣，并進(jìn)行相關(guān)測試及綜合比較。結(jié)果表明：風(fēng)化樣中石英及方解石含量較巖芯樣增多，長石含量不同程度降低及石膏等可溶鹽對巖石的片狀風(fēng)化有一定的作用。

砂巖風(fēng)化；釣魚城；水質(zhì)分析；半定量的XRD礦物測試；X熒光化學(xué)成分測試

1　研究背景

重慶合川釣魚城始建于南宋淳祐三年(公元1243年)，由東到西約0.8 km，面積2.5 km2。城垣依山勢起伏而筑，多以懸崖為屏障，崖高十幾米至幾十米不等。釣魚城有始關(guān)門、護(hù)國門、小東門、東新門、青華門、奇勝門、出奇門、鎮(zhèn)西門，歷史遺存豐富[1]。釣魚城遺址具有重要的文化、歷史和軍事意義，于1961年被列為省級文物保護(hù)單位，1982年10月28日被國務(wù)院列為全國重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，1996年11月20日被國務(wù)院公布為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，2010年10月9日被列入國家文物局公布的“第一批國家考古遺址公園立項(xiàng)名單”，2012年10月22日被列入國家文物局公布的“中國世界文化遺產(chǎn)預(yù)備名單”。景區(qū)一角照片如圖1所示。

圖1　景區(qū)一角Fig.1　Scenic spot

如今對于石質(zhì)文物出現(xiàn)的病害及保護(hù)的重要性，引起了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，并開始針對砂巖風(fēng)化特征進(jìn)行了研究，如周文靜等[2]從酸性氣體排放、溫度效應(yīng)和水體污染3個方面闡述了環(huán)境污染加劇對石質(zhì)文物風(fēng)化的影響和作用機(jī)理；王時(shí)偉等[3]以石質(zhì)文物保存現(xiàn)狀的科學(xué)評價(jià)和對文物所處環(huán)境、石材本體材料與風(fēng)化產(chǎn)物進(jìn)行采集與分析為基礎(chǔ)，科學(xué)地分析其病害類型、產(chǎn)生原因及發(fā)展的影響因素，并根據(jù)病害及各種影響因素提出相應(yīng)的治理對策，進(jìn)行保護(hù)材料及其工藝的試驗(yàn)室模擬研究，找出適合故宮石質(zhì)文物特點(diǎn)的保護(hù)材料；張衛(wèi)中等[4]以不同風(fēng)化程度的砂巖作為研究對象，通過力學(xué)試驗(yàn)論證隨風(fēng)化程度的增加，砂巖的摩擦角增大，黏聚力減小，力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低；馮楠等[5]介紹了環(huán)境因素中可溶鹽對石質(zhì)文物原貌結(jié)構(gòu)的破壞和加劇砂巖的風(fēng)化作用。

近年來，由于人為和自然環(huán)境因素的作用，使得文物本體砂巖風(fēng)化及裂隙發(fā)育特別嚴(yán)重，引起遺址區(qū)的崩塌、危巖體、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。本文著重分析了研究本體的地層及區(qū)域地下水文化學(xué)成分，借助X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)礦物測試和X熒光化學(xué)成分試驗(yàn)，研究影響砂巖風(fēng)化的因素及對比風(fēng)化前后礦物成分及膠結(jié)物的變化，從而對文物保護(hù)提出更為合理的措施。

2　釣魚城地層及水文條件

2.1釣魚城文物本體區(qū)地層劃分

根據(jù)資料收集、野外地質(zhì)測繪和鉆探揭露可知，遺址區(qū)地層可劃分為以下6層：

第①層，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，厚度大，易崩解，巖芯呈短柱，形成緩坡地貌；第②層，中粒巖屑石英砂巖，巨厚層，巖芯呈長柱狀，風(fēng)化顏色加深為灰紅色；第③層，泥巖與粉砂質(zhì)泥巖互層，較堅(jiān)硬，易風(fēng)化，巖芯呈短柱狀；第④層，上段為中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖，巖芯呈短柱狀，較破碎，下段為微風(fēng)化的長石石英砂巖，巖芯呈長柱狀，較堅(jiān)硬，地形上構(gòu)成護(hù)國門所處的砂巖陡坎；第⑤層，泥巖，巖芯呈短柱狀，空間分布不穩(wěn)定；第⑥層，巨厚層的細(xì)粒石英砂巖，鉆孔巖芯多呈短柱狀、長柱狀，中部夾紫紅色的泥巖。

表1　水質(zhì)簡分析成果

表2　巖石的物理力學(xué)試驗(yàn)成果

2.2地下水水文地質(zhì)特征

遺址區(qū)含水層特征主要為松散土層孔隙水和砂巖裂隙水，分別在嘉陵江、臥佛處的裂隙水及臥佛頂部池塘取樣，進(jìn)行水質(zhì)分析[6-8]，結(jié)果見表1。

從測試結(jié)果可以看出，研究區(qū)水體主要為HCO3—Ca水，水體對建筑材料無腐蝕性。地下水為臥佛頂部池塘(天池)水，主要來源于降雨和人工抽取的江水補(bǔ)給，其礦化度最低，而臥佛處泉水流經(jīng)巖石后，礦化度稍高。另外，雖然從測試結(jié)果看，水體的pH值為6.58～6.71，基本呈中性，但研究區(qū)地表與地下水均含較高含量的硫酸根離子，這表明研究區(qū)受一定程度酸雨影響。較高的硫酸根、氯離子將有利于在巖石表面形成可溶鹽，如芒硝、瀉利鹽及石膏等，導(dǎo)致文物本體表面出現(xiàn)片狀開裂、粉狀脫落。

3　巖石性質(zhì)及化學(xué)成分試驗(yàn)

3.1巖石物理力學(xué)性質(zhì)

本次調(diào)查布置了3個鉆孔，鉆孔位置分別為一號天池(奇勝門上方)、王堅(jiān)記功碑附近及頂部九口鍋遺址西，分別重點(diǎn)采取第②層、④層、⑥層砂巖，并采取了部分泥巖樣品，在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)[9-11]。如表2所示，測試結(jié)果表明：砂巖結(jié)構(gòu)致密，吸水性一般，天然密度為2.28～2.47 g/cm3，飽和密度為2.41～2.52 g/cm3，砂巖強(qiáng)度較大，表明景區(qū)內(nèi)鉆孔巖芯樣受到的風(fēng)化程度影響較小。

3.2砂巖化學(xué)成分

由于第⑥層是研究區(qū)文物本體重點(diǎn)分布區(qū)域，包括頂部的九口鍋遺址、軟弱夾層上唐宋造像與題刻、軟弱夾層下方護(hù)國門、郭沫若題刻等均位于該層，同時(shí)也是危巖體、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最多的地方，故有必要對該層砂巖的化學(xué)成分進(jìn)行重點(diǎn)探究。對第⑥層砂巖取巖芯進(jìn)行半定量的XRD礦物測試[12-13]，測試結(jié)果如表3及圖2，說明砂巖中的礦物成分以碎屑物質(zhì)石英為主(石英抗風(fēng)化能力較強(qiáng))，其次為長石，黏土礦物含量偏低。

表3　巖芯樣XRD礦物成分分析成果

注:2θ為衍射角圖2　巖樣的XRD礦物成分分析測試成果Fig.2　Test results of XRD mineral composition analysis of samples

所處地層取樣位置化學(xué)成分含量/%SiO2Al2O3TFe2O3MgOCaONa2OK2OTiO2P2O5MnOH2O-燒失量/%⑥下砂巖下部22m68.2310.052.591.596.162.431.570.510.120.080.346.24⑥下砂巖下部19m68.5110.352.651.925.412.531.650.510.120.080.362.90⑥上砂巖下部3m71.728.711.811.305.832.261.100.380.090.060.346.28⑥上砂巖上部1.5m70.799.472.291.595.572.211.320.350.070.060.586.20

對第⑥層的上、下層不同深度的巖樣進(jìn)行了X熒光化學(xué)成分測試[14]，表4為X熒光化學(xué)成分分析結(jié)果。由表可知，巖樣的主要化學(xué)成分為SiO2，其次為Al2O3。說明始關(guān)門及九口鍋巖體的化學(xué)成分以硅鋁質(zhì)為主，砂巖鈣質(zhì)含量較高，泥巖鐵質(zhì)含量較高。燒失量為2.90%～6.28%。

3.3文物本體砂巖化學(xué)成分

由于遺址核心區(qū)內(nèi)的重要文物多賦存于第⑥層砂巖處，因此，對該層砂巖的風(fēng)化部位取樣并進(jìn)行半定量的XRD礦物測試和X熒光化學(xué)成分分析，取樣位置如表5，XRD礦物成分分析成果如表6，風(fēng)化樣測試成果如圖3所示。

表5　風(fēng)化樣取樣位置

表6　風(fēng)化樣XRD礦物成分分析成果

DYC-2，DYC-6取自同一位置，DYC-2為片狀脫落后巖石表面的粉末狀風(fēng)化樣，DYC-6為風(fēng)化片狀脫落體本身。通過測試結(jié)果可以看出，兩者的礦物成分有一定的區(qū)別，DYC-6中不含石膏，石膏的形成可能是因?yàn)榭諝庵卸趸蚺c鈣質(zhì)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸鹽，并在巖石表面富集，也造成DYC-2中方解石含量降低。總之，石膏對巖石的片狀風(fēng)化可能有一定作用。

結(jié)合巖芯樣的化學(xué)分析成果(表7)可知，風(fēng)化樣中二氧化硫以鐵作為中介，反應(yīng)生成硫酸鹽，受雨水沖刷而流失，造成鐵質(zhì)膠結(jié)物減少，TFe2O3含量降低；SiO2不易風(fēng)化，在原地富集，其含量增多，因此石英含量增多；氧化鈣含量增多，可能是從其它地方?jīng)_刷堆積而來。風(fēng)化樣在一定程度上受到環(huán)境污染影響。巖石的化學(xué)成分分析結(jié)果與XRD礦物分析成果基本一致。

圖3　風(fēng)化樣XRD測試成果Fig.3　Results of XRD test for weathered samples

樣品編號化學(xué)成分含量/%SiO2Al2O3TFe2O3MgOCaONa2OK2OTiO2P2O5MnOH2O-燒失量/%DYC-161.335.990.850.6811.771.661.210.160.0350.0622.6410.52DYC-271.838.271.671.215.612.171.190.340.0780.0520.806.44DYC-365.996.310.710.6512.041.721.310.120.0300.1100.5610.60DYC-455.545.560.810.7313.441.530.970.140.0460.0594.4412.20DYC-563.848.071.861.417.482.061.240.300.0740.0392.908.22DYC-672.887.761.481.066.152.061.040.320.0720.0600.526.56

4　砂巖風(fēng)化成因分析

結(jié)合研究區(qū)地下水的化學(xué)成分分析、XRD礦物測試及X熒光化學(xué)成分分析等，可以發(fā)現(xiàn)直接暴露于空氣中的文物表面砂巖更容易受到外界環(huán)境因素的影響而破壞，具體表現(xiàn)為強(qiáng)度降低，石英和方解石含量增多，長石含量減少，出現(xiàn)石膏等中溶鹽，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)物的成分含量降低等。為了更好地保護(hù)文物本體，降低砂巖的風(fēng)化程度，可以采用以下幾種措施：

(1)大型珍貴文物頂部可以設(shè)置屋檐，降低陽光的暴曬和降雨的洗刷。

(2)對于砂巖文物內(nèi)的裂隙進(jìn)行防滲加固，減小含硫酸鹽的地表水和地下水的滲入和維持文物本體整體的穩(wěn)定性，避免垮塌、崩落。

(3)從文物四周自然環(huán)境著手，提倡人與自然和諧相處的生活準(zhǔn)則，以可持續(xù)生態(tài)發(fā)展的理念來調(diào)整人類的生產(chǎn)、生活。

5　結(jié)　論

(1)研究區(qū)地表與地下水中含較高含量的硫酸根離子，易在巖石表面形成可溶鹽，導(dǎo)致文物本體出現(xiàn)片狀開裂、粉狀脫落等現(xiàn)象。

(2)風(fēng)化后的砂巖石英和方解石含量增多，長石減少，出現(xiàn)石膏?？梢酝茰y本體風(fēng)化與鹽類富集密切相關(guān)，而控制鹽的形成一個關(guān)鍵因素在于對地下水返潮的控制。

(3)巖石中碳酸鹽膠結(jié)物的流失是風(fēng)化的一個重要因素，碳酸鹽巖對酸非常敏感，因此，對于遺址區(qū)文物本體直接暴露于降雨、表面流的部位，應(yīng)該及時(shí)采取措施予以應(yīng)對。

(4)評價(jià)釣魚城遺址區(qū)巖石的風(fēng)化指標(biāo)可以使用SiO2和Al2O3含量比來建立，而TFe2O3含量絕對值的變化也值得關(guān)注。

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(編輯：占學(xué)軍)

Experimental Study on Sandstone Weathering in the Ancient BattlefieldRelics of Fishing Town in Hechuan District of Chongqing

YAN Shao-jun,HE Kai，SUN Peng,DOU Yan,CHEN Jia-qi

(Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan430074,China)

Fishing Town in Hechuan District of Chongqing，as an ancient battlefield,has important cultural,historical and military values.In order to avoid geological disasters,protect cultural relics and scenic spots ,and make sure the safety of surrounding residents and tourists,we should research the features of sandstone weathering of this site.According to the geological environment of Fishing Town,we divided rock mass of the cultural relics into 6 layers,and analyzed the water quality of surface water and groundwater of the area.Meanwhile ,we obtained rock coring samples at different depths of stratum No.6 and conducted half quantitative X-ray diffraction(XRD)test and X fluorescence chemical composition test.Since the cultural relics were mainly found in sandstone stratum No.6,we carried out identical tests of weathered samples at different positions of this layer,in association with analysis data and comprehensive comparison.Test results show that the contents of quartz and calcite in weathered samples are larger than those in rock core samples; moreover,reducing of feldspar content at different degrees and soluble salts such as gypsum play a significant role in rock flake weathering.

sandstone weathering;Fishing Town; water quality analysis; half quantitative XRD test; X fluorescence chemical composition test

2015-06-17;

2015-07-13

嚴(yán)紹軍(1973-)，男，四川綿竹人，副教授，博士，主要從事巖土文物保護(hù)和地質(zhì)工程等方面的研究，(電話)18971675062(電子信箱)Shaojuncug@qq.com。

何凱(1991-)，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)工程和巖土文物保護(hù)工作研究，(電話)13871321384(電子信箱)1240029447@qq.com。

10.11988/ckyyb.201505072016,33(08):100-104

TU451

A

1001-5485(2016)08-0100-05