孫滿利,劉璇清,曹張喆,尚雪健,劉軍麟,沈云霞

(西北大學 文化遺產(chǎn)學院, 陜西 西安 710127)

我國西北地區(qū)砂巖石窟寺淺表層風化類型多樣、分布廣泛。關(guān)于砂巖風化的研究,巖土工程界做過較多的工作,已經(jīng)深入風化的內(nèi)部機制和作用過程,但巖土工程界對砂巖風化比較關(guān)注其工程性能,文物保護研究者借鑒巖土工程的研究方法,開展了砂巖石窟表面風化影響因素和作用機理探索,李最雄[1]、王新錄[2]、張贊勛[3]、和玲[4]、李黎[5]、翁履謙[6]、陳超啟[7]、王玉超[8]、鄧云[9]等探討了砂巖石窟風化特征,陳日[10]、黃繼忠[11-13]、馬在平[14]、石美風[15]、陳星[16]、方云[17]、嚴紹軍[18]、蘇天明[19]等采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)測試和試驗探索砂巖石窟風化的因素和作用機理,顏菲[20]、王翀[21]、劉仁植[22]、黃繼忠[23]等研究了生物作用對砂巖石窟風化的影響。這些研究主要針對砂巖石窟淺表層風化機制,但對砂巖石窟淺表層風化區(qū)域性規(guī)律的研究較少,劉芳研究甘肅石窟的地質(zhì)特征[24],盧云亭分析了我國石窟分布環(huán)境特征[25],閆婷婷論述了甘肅石窟時空分布特征[26],石玉成研究甘肅石窟區(qū)域地震特征[27]。針對甘肅砂巖石窟淺表層風化病害,以省級以上石窟為對象,通過現(xiàn)場調(diào)查和區(qū)域資料分析,探討病害的區(qū)域特征與規(guī)律,為砂巖石窟治理提供科學依據(jù)。

1 甘肅砂巖石窟分布

甘肅省級以上石窟共35個,其中全國重點文物保護單位19處,莫高窟和西千佛洞、榆林窟和東千佛洞、大像山石窟和水簾洞石窟、云崖寺石窟和陳家洞石窟各合并為一處;省級文物保護單位12處。通過現(xiàn)場調(diào)查,甘肅省級以上砂巖石窟共13處(見表1),其中全國重點文物保護單位6處,集中分布在隴東地區(qū)和隴中地區(qū),河西走廊有零星分布。

表1 甘肅省級以上砂巖石窟統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of sandstone grottoes above provincial level in Gansu Province

2 砂巖石窟地層特征

甘肅省砂巖石窟主要開鑿在中生代白堊紀、新生代古近紀、新近紀地層。

2.1 白堊系地層中砂巖石窟

由于燕山運動的影響,甘肅早白堊世早期發(fā)生沉降活動,秦嶺—中祁連山以北的廣大地區(qū),形成湖泊廣布、河流發(fā)育、相互連通的低地,較為普遍的接受了沉積,形成了以紅色碎屑巖為主的沉積。早白堊世末期以后,除零星小型山間湖盆沉積外,省內(nèi)普遍缺失晚白堊世的沉積。甘肅省內(nèi)白堊下統(tǒng)可劃分為北山區(qū)、潮水區(qū)、走廊區(qū)、祁連區(qū)、蘭州區(qū)、隴東區(qū)、西秦嶺區(qū)7個區(qū)域[28]。甘肅白堊系地層中的砂巖石窟主要位于蘭州區(qū)、隴東區(qū)(見圖1)。地層為河口群、羅漢洞組、環(huán)河組、李洼峽組(見表2)。

蘭州區(qū)白堊系地層中的砂巖石窟主要開鑿在下統(tǒng)河口群(K1hk),與下伏侏羅紀享堂群不整合接觸,與上覆地層上統(tǒng)民和組或古近紀西寧群不整合接觸。代表性石窟有炳靈寺石窟、寺兒灣石窟和紅山寺石窟。下統(tǒng)河口群(KH)包括兩個非正式組級巖石地層單位,分為下組、上組地層,上、下組為整合接觸,主要出露范圍以蘭州河口為中心,向西延入青海。河口群相變較大,盆地邊緣巖性普遍較粗,以山麓、山麓-河流相粗碎屑巖為主,是一套紫紅、棕紅、棕褐、灰綠、藍灰、桔紅色組成的雜色碎屑巖沉積。在河口地區(qū),以紫紅、紫灰、棕紅、綠灰、藍灰等雜色泥巖與細—中粒砂巖互層的湖相沉積為主,下組以色雜及具藍灰色的砂、泥巖互層為特征,底部以礫巖或粗砂巖不整合在侏羅紀享堂組及其以前的老地層或巖體之上,炳靈寺石窟主要開鑿在底部。在靖遠盆地,下組為藍灰、深灰、黃綠、暗紫紅色頁巖夾粉細砂巖,上組為桔紅、紫紅色泥質(zhì)巖、砂巖夾灰白色長石質(zhì)粉—細砂巖,寺兒灣石窟和紅山寺石窟主要鑿開在上組。

圖1 甘肅砂巖石窟分布位置及白堊系地層出露位置示意圖Fig.1 Distribution location of sandstone grottoes and outcrop location of Cretaceous strata in Gansu Province

表2 甘肅白堊系石窟分布表Tab.2 Distribution of Cretaceous grottoes in Gansu Province

隴東區(qū)白堊紀地層分平?jīng)鲂^(qū)和慶陽小區(qū),平?jīng)鲂^(qū)主要在六盤山區(qū)域,慶陽小區(qū)主要在慶陽市區(qū)域,出露地層見圖2。隴東區(qū)平?jīng)鲂^(qū)白堊系地層中代表性砂巖石窟為石拱寺石窟,開鑿在李洼峽組(K1lw),與上覆馬東山組(K1md)和下伏和尚鋪組(K1hs)皆呈整合接觸。李洼峽組(K1lw)為湖相,灰白、灰綠、紫紅、藍灰砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r組成之韻律層,泥質(zhì)巖、灰?guī)r夾鈣質(zhì)膠結(jié)的薄層狀石英質(zhì)砂巖,常具鮞狀構(gòu)造。隴東區(qū)慶陽小區(qū)白堊紀地層上統(tǒng)缺失,下統(tǒng)為志丹群,志丹群自上而下分為涇川組、羅漢洞組、環(huán)河組、洛河組、宜君組,本區(qū)僅出露上部四組,各組間均連續(xù)沉積[29]。砂巖石窟開鑿在羅漢洞組和環(huán)河組。羅漢洞組(K1lh):湖泊相碎屑巖,以鎮(zhèn)原、涇川為中心,向西變薄，向西南厚度變大,粒度變粗,以礫巖為主夾砂巖;頂部為藍灰色泥巖或泥灰?guī)r夾層,底部為土黃色砂巖或紫紅色礫巖。在環(huán)縣合道川一帶以棕色砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)巖為主;虎洞溝附近以棕紅色砂巖為主,夾泥巖;南部鎮(zhèn)原一帶為黃棕、棕紅色粗—細粒砂巖與泥質(zhì)巖互層,砂巖多含礫,在崇信縣廂房溝為暗紫紅、黃綠色礫巖夾砂巖，主要出露在環(huán)縣、慶陽縣、西峰鎮(zhèn)以西,代表性石窟有北石窟寺和南石窟寺。環(huán)河組(K1h):主要巖性為棕紅、紫紅色以及少量灰、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖韻律互層,由下往上砂巖減少,粒度變細,泥質(zhì)巖多具微細水平層理及龜裂,粉砂巖具微細斜層理及波痕砂巖微斜層理發(fā)育,底部為棕紅色具水平波狀、微斜層理的砂巖,在甘陜交界的較大河谷中零星出露[29]，代表性石窟有蓮花寺、保全寺石窟等。

圖2 隴東地區(qū)白堊系出露分布圖Fig.2 Cretaceous outcrop distribution in Longdong area

2.2 古近紀地層中的砂巖石窟

甘肅的古近紀為陸相湖盆及山間凹地型沉積,可將地層劃分為北山區(qū)、祁連—走廊區(qū)、隴東區(qū)及西秦嶺區(qū)4個區(qū)(見圖3),砂巖石窟主要位于祁連—走廊區(qū)、隴東區(qū),代表性石窟有馬蹄寺石窟和法泉寺石窟。

馬蹄寺石窟地屬祁連—走廊區(qū),地層為古近紀漸新統(tǒng)白楊河組(E3b)。該組以紅色泥巖和砂巖為主,分布廣泛,不整合于火燒溝組(或更老地層)之上,其上被疏勒河組平行不整合所覆。在張掖盆地的班大口紅崖子,以磚紅、棕紅色粉砂質(zhì)泥巖為主,中夾青灰色泥巖、桔紅色細砂巖及黃褐色砂礫巖,具斜層理,底部含石膏礦。

法泉寺石窟地處隴東區(qū),地層為古近紀漸新統(tǒng)野狐城組(E3y)。該組僅在盆地北部的靖遠一帶出露,為一套暗紅、紫紅色黏土砂質(zhì)黏土,具底礫巖,夾鈣質(zhì)結(jié)核層,與下伏西柳溝組整合接觸,與上覆甘肅群平行不整合接觸,以石膏層的始現(xiàn)和消失與其上、下相鄰組(群)分界。

2.3 新近紀地層中的砂巖石窟

甘肅新近紀地層分布于祁連山北麓、河西走廊及甘肅東部,北山亦有零星分布,為陸相湖盆及山間坳地型沉積,是一套棕黃、棕紅色河流-湖泊相泥巖及砂巖,并有很多礫巖夾層,盆地邊緣粗顆粒增多,以山麓相礫巖及砂巖為主?？蓜澐譃?個地層大區(qū)、4個地層區(qū)和5個地層分區(qū)[30]。

砂巖石窟主要分布在蘭州—隴西地層分區(qū),地層為新近紀甘肅群(NG),代表性石窟為五佛沿寺。甘肅群(NG)廣泛分布于蘭州、隴中臨夏和毛毛山南平城堡等盆地,由一套以黃、紅、灰等色為主的泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂礫巖夾泥灰?guī)r組成。底部為灰白色礫狀粗砂巖,與下伏古近紀野狐城組(E3y)含石膏層整合接觸(局部為平行不整合),以石膏層的消失為界,與上覆第四紀五泉山組(Qp1)不整合接觸。

3 砂巖石窟氣候環(huán)境特征

甘肅省地域廣闊,地形呈狹長狀,氣候類型多樣,自南向北有亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、青藏高原垂直溫度帶;由東南向西北有濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)、干旱區(qū)。

據(jù)1951—2010年資料分析,河西走廊一帶平均溫度7℃～8℃,靖遠景泰8℃～9℃,蘭州10℃左右,隴東8℃～10℃[31]。根據(jù)1981—2010年氣溫統(tǒng)計,全省氣溫年較差變化范圍為20.2℃～34.1℃,河西走廊為26.2℃～34.1℃,隴中為22.5℃～29.3℃,隴東為25.3℃～28.6℃;氣溫日較差河西地區(qū)為12℃～17℃,隴中為9℃～13℃,隴東為12℃～13℃;年極端最高氣溫河西走廊為35.3℃～42.1℃,隴中為28.4℃～40.7℃,隴東為34.6℃～40.0℃;年極端最低氣溫河西走廊為-35.1℃～-24.5℃,隴中為-32.2℃～-17.4℃,隴東為-26.5℃～-21. 4℃;日最低氣溫≤ 0℃的平均日數(shù)河西走廊為142.3～191.2 d,隴中為102.5～169 d,隴東為125.4～150.2 d[32]。

圖3 甘肅砂巖石窟分布位置及古近系地層出露位置示意圖Fig.3 Distribution location of sandstone grottoes and outcrop location of Palaeogene strata in Gansu Province

據(jù)1981—2010 年資料統(tǒng)計分析,年平均降水量河西走廊為39.8～211.8 mm,隴中為245.8～592.7 mm,隴東為409.5 ～ 609.8 mm,由北向南遞增,7—9月降水占全年降水量的47%～65%。年平均降水日數(shù)(日降水量≥ 0.10 mm的天數(shù))由東南向西北減少,河西走廊為6～174 d,隴中為60～126 d,隴東為78～103 d。河西走廊平均年降雪日數(shù)為10～35 d，隴中和隴東地區(qū)平均年降雪日數(shù)分別為16～58 d和23～35 d[32]。根據(jù)1971—2000年間資料分析,一日最大降水量東南大而西北小,隴東為65～167 mm/d,安西、玉門、鼎新一線以西最大日降水量< 20 mm/d,武威等地曾出現(xiàn)> 50 mm/d,隴中黃土高原一般為60～120 mm/d[33]。

風向受地形影響很大,河西走廊大多為西風或西北風,隴中一般多東南風或東風,隴東多東南風。全省年平均風速的變化范圍為0.9～5.0 m/s,蘭州年平均風速為0.9 m/s,河西走廊為2～5 m/s,隴中為0.8～2.5 m/s,隴東為1.7～2.2 m/s[32]。年平均大風日數(shù)(風速>17.0 m/s),河西走廊西部和白銀等地為40～66 d,最多年大風日數(shù)可達70～140 d,河西走廊中、東部為14～28 d,最多年大風日數(shù)達39～70 d,其余地區(qū)最多年大風日數(shù)為3～53 d。河西走廊、蘭州、白銀和靖遠等地年平均沙塵暴日數(shù)為5～20 d,最多年沙塵暴日數(shù)可達10～58 d,隴東、臨夏為1～4 d,最多年沙塵暴日數(shù)可達7～17 d，其余地區(qū)平均不到1 d,最多每年1～7 d[34]。

甘肅省干燥度自東南向西北增大,河西走廊干燥度為3.0～16.0,其中安敦盆地為25.0～31.0,中部偏北地區(qū)為2.0～5.0,中部偏南地區(qū)、隴東及祁連山區(qū)為0. 6～1.9。年平均相對濕度大致自東南向西北減少,變化范圍為35%～75%，河西走廊為40%～53%,中部、隴東為51%～70%,隴南和甘南為59%～74%。年平均蒸發(fā)量自東南向西北逐漸增大,河西走廊年平均蒸發(fā)量為2 000～3 000 mm,祁連山區(qū)為1 600～1 800 mm,中部為1 300～2 000 mm,隴東為1 200～1 700 mm[34]。

年平均地面溫度從東南向西北遞減,河西走廊為7℃～12℃,中部和隴東為9℃～11℃,祁連山區(qū)為1℃～9℃。地面溫度的極端年振幅可達80℃～100℃,地中溫度從地表到深層,冬半年為增溫,夏半年為減溫,地溫的年變化振幅隨深度的增加而減小。河西地中5 cm處的地溫年較差在30℃以上,160 cm處為8℃～15℃,320 cm處則為4℃～6℃;河東地中5 cm處的地溫年較差為23℃～26℃,160 cm處為10℃～14℃,320 cm處為4℃～6℃;地溫0℃層出現(xiàn)的深度河西大多數(shù)地方平均在80 cm左右,中部和隴東在40 cm左右。河西走廊最大凍土深度大都在100～150 cm之間,中部、隴東為60～130 cm[34]。

總體上,甘肅砂巖石窟的賦存特征可以歸納為，隴東、隴中地區(qū)較為相似,濕潤多雨,溫度變化幅度較小;河西走廊區(qū)域為典型的干旱氣候,年降水量少蒸發(fā)量大,受風沙影響明顯,溫差大且冷凍期長。年平均地面溫度、地面溫度的極端年振幅和最大凍土深度從東南向西北遞減。

4 砂巖石窟淺表層風化病害

4.1 淺表層風化病害類型

本次調(diào)查除斷裂與缺損病害外皆參照石質(zhì)文物保護工程勘察規(guī)范。本文所定義的斷裂與缺損主要包括斷裂與裂隙、缺損兩類病害；斷裂與裂隙主要指石質(zhì)造像、窟壁等小塊體已有明顯裂隙或與主體有明顯位移,存在與母體分離的可能性,也包括已經(jīng)斷裂分離,但可以恢復的現(xiàn)象；缺損主要指石質(zhì)造像、窟壁突出部位等文物在自然營力作用下部分殘缺,而且缺損仍受外力作用,有繼續(xù)擴大的可能,對于受人為作用已經(jīng)缺損而且無法恢復的、不再擴大的不屬本病害范疇。調(diào)查表明,甘肅砂巖石窟淺表層風化的類型有表面泛鹽、表面片狀剝落、表面粉化、孔洞狀風化、生物病害、煙熏、斷裂與缺損等(見表3)。從統(tǒng)計表可以看出,甘肅砂巖石窟淺表層病害主要為煙熏、生物病害、粉化。受石窟巖性和賦存環(huán)境影響,淺表層病害分布具有明顯的地域特征。

表3 甘肅砂巖石窟淺表層病害類型統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of diseases in shallow surface of sandstone grottoes in Gansu Province

4.2 淺表層風化病害分布特征

從現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果來看,砂巖石窟淺表層風化區(qū)域特征明顯,總體可分為3個區(qū)域，隴東地區(qū)、隴中地區(qū)(黃河干流及支流區(qū)域)、河西地區(qū),主要受到地層巖性、地質(zhì)環(huán)境、降水條件影響。

隴東地區(qū)主要包括隴山以東的慶陽市和平?jīng)鍪?由于降水量大,砂巖層理明顯且透水性相對較大,地層存在二元結(jié)構(gòu),即上部多覆蓋有滲透性相對較好的黃土,下部為白堊系砂巖,因而石窟主要病害為生物病害、表面粉化、表面泛鹽和孔洞狀風化。該區(qū)域石窟淺表層風化病害為甘肅區(qū)域較為嚴重區(qū)域,北石窟寺、南石窟寺、平定川流域石窟表現(xiàn)最為明顯。受人為活動影響,該區(qū)域石窟煙熏病害普遍存在(見圖4A,B)。生物病害表現(xiàn)為石窟頂部多植被覆蓋,植被覆蓋度大,以喬木和灌木為主(見圖4C,D),洞窟內(nèi)部和崖體表面,多生長有苔蘚,大部區(qū)域苔蘚結(jié)殼(見圖4E)。該區(qū)降水量大,巖體普遍潮濕,除石拱寺石窟由于地層為李洼峽組膠結(jié)較好外,其余石窟砂巖膠結(jié)性差,表面粉狀風化強烈,尤其底層洞窟多見粉化堆積(見圖4F)。該區(qū)域表面泛鹽病害嚴重,泛鹽多呈帶狀或以滲水點為中心的不規(guī)則狀出現(xiàn),部分形成鹽殼,主要由巖體滲水和潮濕引起,受地層層狀結(jié)構(gòu)和產(chǎn)狀影響,成水平條帶狀分布(見圖4G)。由于地層不均性引起差異風化,孔洞狀風化普遍存在,但就單個石窟來說,分布面積一般相對較少,主要分布在巖性不均勻及底部水蝕、風蝕活動較強位置,多呈條帶狀水平分布(見圖4H,I)。

A 保全寺煙熏病害；B 石拱寺煙熏病害；C 北石窟寺頂部植被；D 南石窟寺崖面植被；E 北石窟寺崖面苔蘚；F 北石窟寺窟內(nèi)粉狀風化及堆積；G 北石窟寺窟內(nèi)泛鹽病害；H 保全寺崖面孔洞狀風化；I 北石窟寺窟內(nèi)孔洞狀風化圖4 隴東地區(qū)砂巖石窟淺表層風化特征Fig.4 Shallow surface weathering characteristics of sandstone grottoes in Longdong area

隴中地區(qū)主要包括以蘭州為中心的白銀市區(qū)域石窟和臨夏回族自治州永靖縣炳靈寺石窟,皆位于黃河干道及其附近,該區(qū)域石窟普遍存在煙熏病害(見圖5A，B),黃河干道和支流的砂巖石窟受地形地貌影響,病害呈現(xiàn)兩類不同分布特征。

隴中黃河支流石窟如法泉寺、五佛沿寺、紅山寺皆位于高階地上,崖體直立高度小,石窟一般規(guī)模小,巖體普遍較干燥,穩(wěn)定性較好,病害不嚴重,五佛沿寺和紅山寺由于頂部覆蓋層較薄,有少量沿裂隙滲水現(xiàn)象及泛鹽。五佛沿寺和法泉寺地層時代較晚,巖性膠結(jié)差,局部有表面粉化現(xiàn)象(見圖5C，D),而紅山寺地層時代為白堊紀,表面粉化不明顯。黃河干道的炳靈寺和寺兒灣石窟,地下水作用強烈,淺表層主要病害為表面粉化、表面泛鹽(見圖5E)和滲水,局部發(fā)育微生物病害(見圖5F)。

A 寺兒灣石窟煙熏病害；B 法泉寺石窟煙熏病害；C 法泉寺石窟表面粉化；D 寺兒灣石窟表面粉化；E 炳靈寺石窟表面粉化及泛鹽； F 炳靈寺石窟表面苔蘚圖5 隴中地區(qū)砂巖石窟淺表層風化特征Fig.5 Shallow surface weathering characteristics of sandstone grottoes in Longzhong area

河西地區(qū)多為礫巖石窟,砂巖石窟相對較少,典型石窟為馬蹄寺石窟群,主要為植物病害(見圖6A)、孔洞狀風化(見圖6B)及煙熏(見圖6C),局部有滲水和表面粉化(見圖6D)。

A 馬蹄寺石窟植物病害；B 馬蹄寺石窟孔洞狀風化；C 馬蹄寺石窟煙熏病害； D 馬蹄寺石窟表面粉化病害圖6 河西地區(qū)砂巖石窟淺表層風化特征Fig.6 Shallow surface weathering characteristics of sandstone grottoes in Hexi-Corridor area

5 結(jié)論

1)甘肅砂巖石窟分布可分為3個區(qū)域,隴東地區(qū)、隴中地區(qū)(黃河干流及支流)、河西地區(qū),其中以隴東地區(qū)分布最為廣泛。砂巖石窟地層以白堊紀地層為主,古近紀和新近紀地層較少。

2)石窟淺表層風化主要受自然和人為環(huán)境因素影響,煙熏普遍存在。隴東地區(qū)表面泛鹽和表面粉化較為嚴重,植物病害普遍發(fā)育。隴中地區(qū)的黃河干道及支流區(qū)域石窟淺表層病害與石窟地形地貌關(guān)系較為密切,干道區(qū)域石窟植物病害及表面粉化較為嚴重,支流區(qū)域石窟淺表層病害以表面粉化為主,其他病害發(fā)育較弱。河西地區(qū)石窟普遍表層粉化較弱,受裂隙等構(gòu)造條件影響,局部發(fā)育表面孔洞狀風化病害,植物病害也較為發(fā)育。