張夢婷，王恩德，李 斌，宋 坤

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

0 引言

中國石質(zhì)型文物具有歷史悠久、分布廣、規(guī)模大的特點，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)生的變化和破壞過程[1].這是一個非常復(fù)雜的過程，是物理、化學、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，損傷機制和防護措施也有所不同.距今有1 500余年的云岡石窟在自然界各種營力的作用下，地質(zhì)損傷較為嚴重，呈現(xiàn)出片狀、鱗片狀、粉狀等風化形態(tài)；許多石雕表面剝落，佛龕風化嚴重，甚至無法辨認，見圖1.長期以來關(guān)于云岡石窟地質(zhì)損傷的研究尚且不夠深入，未能科學有效地開展云岡石窟文物保護工作，本文旨在對云岡石窟石質(zhì)文物地質(zhì)損傷機理進行更深入的研究，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，開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60余年，2001年被聯(lián)合國教科文組織確認為世界文化遺產(chǎn).云岡石窟是中國最大的石窟群之一，是典型的砂巖石窟，開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.石窟依山開鑿，氣勢恢弘，東西綿延約1 km，現(xiàn)存主要洞窟約45個，佛龕約250尊，體現(xiàn)了北魏時期的佛教石窟藝術(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物資料，也是追溯古代中西文化交流和人物友好往來的實物佐證[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.云岡石窟開鑿于侏羅系砂巖中，處于山西中臺隆大同平魯凹陷區(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石窟有影響的地層劃分為6個巖性段，石窟雕像主要開鑿于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，對新鮮巖樣進行鏡下巖礦鑒定，結(jié)果見表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)造對石窟風化的影響，本文不再重復(fù)研究.

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

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

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

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

根據(jù)上述地質(zhì)損傷指數(shù)計算公式分別計算編號為lb-1、lb-2、lb-3、lb-4的長石石英砂巖地質(zhì)損傷程度，其計算結(jié)果見表4.

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

由表4的計算結(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)砂巖較砂巖易風化；② 粗砂巖較細砂巖易風化；③ 基底式膠結(jié)較孔隙式膠結(jié)易風化，泥質(zhì)膠結(jié)較鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)更易風化；④ 云岡石窟的地質(zhì)損傷產(chǎn)物.

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

自然狀態(tài)下風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）對云岡石窟風化物進行礦物成分分析；XRD圖譜見圖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°附近的衍射峰對應(yīng)著石英的特征峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰對應(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°附近的衍射峰對應(yīng)著石英的特征峰；2θ值在26.5°、40°、67.5°附近的衍射峰對應(yīng)著正長石的衍射峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰對應(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°附近的衍射峰對應(yīng)著石英的特征峰；2θ值在21°、29.5°、55°、68°附近的衍射峰對應(yīng)著白云石的衍射峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰對應(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°附近的衍射峰對應(yīng)著石英的特征峰；而 2θ值在 12.5°、25°、43°附近的衍射峰對應(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；風化樣品與新鮮巖樣成分對比發(fā)現(xiàn)原巖礦物方解石、含鐵白云石經(jīng)風化至完全消失，而高嶺石的含量有明顯的增加，白云母的含量從無到有，即云岡石窟經(jīng)風化后，高嶺石代替了方解石與含鐵白云石.由此可見，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

專家普遍認為，水與巖石長期而緩慢的相互作用是造成云岡石窟風化的主要原因[7].由地下水作用引起的云岡石窟風化物類型主要有粉末狀、鱗片狀等.粉末狀風化物的形成是地下水與空氣中的CO2、SO2等結(jié)合，對石雕和石窟巖體表面的長石、鈣質(zhì)膠結(jié)物進行水合溶濾作用，同時，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化物.鱗片狀風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，形成了鱗片狀風化物[8].石窟中長期受地下水作用的部位易于風化，如云岡石窟的第21窟、23窟、24窟、27窟、30窟，調(diào)查結(jié)果見表5.

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

由表5可知，風化的面積占此次調(diào)查總面積的53.48%，其中21窟風化最嚴重，占77.91%，呈片狀、鱗片狀風化；30窟次之，66.80%，呈粉狀、鱗片狀風化；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、粉狀風化與粉狀、片狀風化.

地下水作用主要表現(xiàn)以下方面：一是地下水的風化作用，主要形成粉末狀風化物；二是鹽類析出與結(jié)晶的風化作用，主要形成鱗片狀風化物.在二者的共同作用下，有地下水的洞窟較沒有地下水的洞窟易風化，因此保持一個巖石含水率相對穩(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.煤礦開采及燃煤使空氣中煤的粉塵較多，據(jù)監(jiān)測數(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)國家二級標準計算，超標率為 100%；夏季 5日粉塵含量平均值為0.323 mg/m3，超標率為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)生化學作用，促進了Ca2+與SO42-結(jié)合成石膏[10]

化學風化所形成的石膏在 34℃左右時與硬石膏相互轉(zhuǎn)化

當硬石膏遇水轉(zhuǎn)化成硬石膏時，體積增大31%，同時產(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，造成嚴重的化學風化.煤礦停產(chǎn)后，因煤礦生產(chǎn)需要而進行的井下排水也隨之停止，地下水位必然隨之回升，促進了地下水作用及粉末狀與鱗片狀風化物的形成.

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)砂巖較砂巖易風化；粗砂巖較細砂巖易風化；基底式膠結(jié)較孔隙式膠結(jié)易風化，泥質(zhì)膠結(jié)較鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)更易風化.

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

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