瓜州榆林窟崖體礫巖中水鹽分布特征研究

楊善龍　王彥武　蘇伯民　郭青林　裴強強

內(nèi)容摘要：瓜州榆林窟位于瓜州縣鎖陽城鎮(zhèn)境內(nèi)，現(xiàn)存洞窟42個，保存壁畫5000m2，彩塑200多身。榆林窟壁畫存在酥堿、起甲、空鼓等病害，而這些病害的存在與崖體中水鹽運移有一定的關(guān)系。為了查明榆林窟崖體中水、鹽分布特征，特在榆林窟第6窟窟頂東側(cè)崖體中開挖一口深10m的探井，調(diào)查了榆林窟崖體地層特性，以及崖體砂礫巖中水分含量和鹽分含量。榆林窟洞窟所在崖體為中更新統(tǒng)酒泉組礫巖，其中含水率在0.55%—2.94%之間，平均含水率為1.79%；崖體礫巖中陰離子以 和Cl-為主，陽離子以Ca2+和Na+為主，易溶鹽總含鹽量平均為0.16%。通過對榆林窟崖體礫巖中水鹽分布特征的分析，可以為榆林窟壁畫保護提供鹽害防治依據(jù)。

關(guān)鍵詞：榆林窟；礫巖；水分；鹽分分布

中圖分類號：K854.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4106（2018）01-0136-05

The Moisture and Salt Distribution Properties of the Cliff in the Yulin Grottoes at Guazhou

YANG Shanlong1，2，3 WANG Yanwu2，3 SU Bomin2，3 GUO Qinglin1，2，3 PEI Qiangqiang2，3

（1. College of Cultural Heritage， Northwest University， Xian， Shaanxi 710069； 2. National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites， Dunhuang， Gansu 736200； 3. Conservation Institute， Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200）

Abstract：The Yulin Grottoes site is located in Guazhou Countyand contains 42 caves， 5000 m2 of wall paintings， and 200 painted statues. The wall paintings have suffered various types of deterioration， including efflorescence， flaking， detachment， and more， all of which are caused or affected in some way by salt movement insidethe cliff conglomerate onto which they are painted. In order to find out the moisture and salt distribution characteristics in the cliff， a ten-meter well was dug out of the top of the east side of cave number 6， the evidence from which was used to research the formation process and water and salt content in the cliff. The results are as follows： the rock structure is of the Pleistocene Jiuquan conglomerate group； the water content is between 0.55%～2.94% and the average water content is 1.79%； analysis of the soluble salt content is 0.16%， the main anions are and Cl-， and the main cations are Ca2+ and Na+. The evidence yielded from this analysis can provide practical data useful for preventing salt-related damages to the murals at Yulin.

Keywords：Yulin Grottoes； conglomerate； moisture； salt distribution

1 引 言

榆林窟又名萬佛峽，是第一批公布的全國重點文物保護單位之一，位于甘肅省瓜州縣鎖陽鎮(zhèn)境內(nèi)，距離瓜州縣城76km，洞窟開鑿于榆林河?xùn)|、西兩岸的崖壁上。榆林窟始建于盛唐，后經(jīng)中唐、晚唐、五代、宋、西夏、元和清代，現(xiàn)存洞窟總數(shù)42個，東崖一層11個，二層20個，西崖僅1層，共11個洞窟。其中現(xiàn)存約5000m2的壁畫和200余身彩塑，和莫高窟同屬于一個藝術(shù)體系，是敦煌石窟的重要組成部分，以其精美的壁畫著稱。

受自然因素的破壞，榆林窟壁畫存在空鼓、酥堿等病害[1]，這些病害嚴(yán)重影響到壁畫的長久保存。榆林窟壁畫和莫高窟壁畫具有相同的載體和制作工藝[2]，通過對莫高窟壁畫同樣病害的大量研究，認(rèn)為壁畫存在的空鼓、酥堿病害與水鹽運移有很大關(guān)系[3-9]。

對于榆林窟的保護加固，過去主要以崖體加固為主[10-11]，在崖體加固的同時對榆林窟所在的崖體的工程地質(zhì)問題進行了研究[12]。榆林窟崖體膠結(jié)作用差，風(fēng)化嚴(yán)重，存在裂隙發(fā)育、沖溝發(fā)育、窟頂降雨入滲等問題。通過對榆林窟賦存的地質(zhì)環(huán)境、水文環(huán)境和氣象環(huán)境的研究[13]，認(rèn)為榆林窟崖體地層降雨入滲使鹽分發(fā)生運移和富集，而榆林窟所屬的大陸性氣候和溫?zé)嵘衬畾夂騾s是榆林窟長期保存的有利條件。隨著文物保護技術(shù)的發(fā)展，對榆林窟多個洞窟內(nèi)的微環(huán)境進行了研究，主要研究洞窟內(nèi)溫濕度的變化規(guī)律。通過對榆林窟洞窟內(nèi)溫濕度監(jiān)測[14]，認(rèn)為洞窟內(nèi)微環(huán)境平均溫度的變化趨勢與窟區(qū)大環(huán)境的變化趨勢相同，洞窟內(nèi)相對濕度受外界環(huán)境變化的影響。

壁畫病害的發(fā)生是一個復(fù)雜的過程，目前僅從榆林窟所處的大環(huán)境、洞窟內(nèi)的微環(huán)境進行了研究，而單對壁畫載體（礫巖崖體）的研究卻較少，尤其是與壁畫病害相關(guān)的水鹽研究。通過對與榆林窟有相同地層的莫高窟砂礫巖中水鹽研究[15-18]，發(fā)現(xiàn)砂礫巖中干旱環(huán)境下砂礫巖中鹽分主要為硫酸鹽和氯鹽，平均含水率為1.6%，砂礫中的水分以吸附于顆粒表面的弱結(jié)合水和孔隙中的氣態(tài)水為主，這些水汽隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生運移，從而帶動鹽分運移使壁畫產(chǎn)生病害。本文采用現(xiàn)場取樣方法，首次對榆林窟洞窟所在崖體礫巖中水分、鹽分進行了詳細調(diào)查，為榆林窟洞窟中壁畫病害機理的研究提供了依據(jù)，對榆林窟壁畫保護具有重要的意義。

2 榆林窟賦存環(huán)境特征

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

榆林窟所在的具體位置為敦煌盆地東南部的玉門-踏實盆地，在區(qū)域構(gòu)造上隸屬于北東東向構(gòu)造體系之榆林窟槽地，后期疊加的東西向構(gòu)造體系控制了測區(qū)河谷的發(fā)育和晚近期構(gòu)造活動的特征[19]。榆林窟周邊地貌可分為河谷地貌和河谷階地的礫石戈壁平原地貌。榆林河谷兩岸有零星分布的河漫灘及一、二級階地，洞窟開鑿于河漫灘和一級階地之間的崖壁上。

榆林窟出露的地層均為第四紀(jì)地層，按其成因、時代的不同，可劃分為下更新統(tǒng)玉門組礫巖（Q1）、中更新統(tǒng)酒泉組礫巖（Q2）、上更新統(tǒng)戈壁組礫巖（Q3）、全新統(tǒng)沖洪積砂土、砂及砂礫層（al-PLQ41-3）和全新統(tǒng)坡積層（col-dLQ4）。榆林窟開鑿在中更新統(tǒng)酒泉組礫巖（Q2），這是一套洪積形成的泥鈣質(zhì)微膠結(jié)或無膠結(jié)的砂礫巖層含透鏡體的地層，厚25—40m，顆粒呈次圓狀到棱角狀，分選和磨圓較差，膠結(jié)程度和強度均低于玉門組，與玉門組呈不整合關(guān)系接觸。

2.2 氣候特征

據(jù)蘑菇臺站的氣象資料，該地區(qū)多年平均氣溫6.7℃，歷年極端最高氣溫35℃，極端最低氣溫-30.4℃，多年平均降水量63.2mm，降水主要集中在6、7、8月，占全年總降水量的63%。多年平均蒸發(fā)量為3020.2mm，蒸發(fā)數(shù)十倍于降水，干旱指數(shù)為25，為嚴(yán)重干旱氣候。多年平均風(fēng)速3.9m/s，歷年最大風(fēng)速為21.0m/s，最大凍土深146cm，相對濕度42%，無霜期為210天左右。榆林窟氣候的特征為夏季炎熱，冬季寒冷，風(fēng)沙多，溫差大，降雨稀少，蒸發(fā)量大，日照長，云量低，積溫高，屬典型的大陸性氣候和溫?zé)嵘衬畾夂騕13]。

2.3 水文特征

榆林窟開鑿在榆林河兩岸的崖壁上。榆林河又名踏實河，屬疏勒河流域，是疏勒河左岸的一級支流，源于祁連山西段北坡的冰川。榆林河流向基本上是由南向北，流經(jīng)龔岔口、踏實，于破城子折流向西注入鹽沼，為內(nèi)陸型河流。地表徑流以降水、融冰化雪及地下水為補給源，屬綜合補給型河流。榆林河全長118km，流域面積5494km2，據(jù)蘑菇臺水文站和榆林河水庫管理所1956—2013年水文數(shù)據(jù)，多年平均徑流量為0.5157×108m3[20]。

3 試驗方法

3.1 取樣方法

為了調(diào)查榆林窟崖體中水鹽分布特征，并且防止取樣對測試結(jié)果的影響，特在榆林窟第6窟頂部崖體向東14m的位置開挖一口深10m的探井（圖1），在井內(nèi)取原狀樣進行含水率和鹽分測試。整個探井的開挖采用人工方式開挖，避免機械開挖震動對遺址的影響。

3.2 含水率測量方法

在探井開挖的過程中，每隔20cm取一組樣，每組樣品取三個，分別在探井每層平面上西、圓心和東三個位置，西和東分別距離井壁10—20cm（圖2）。取樣49組，共147個樣。取樣后進行現(xiàn)場稱量，然后帶到試驗室用DHG-9146-A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干測試，具體測試方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）進行。

3.3 易溶鹽測量方法

易溶鹽測試取樣和含量率測試取樣方法一樣，取樣49組，共147個樣。取出的樣品進行顆粒分析，然后取小于0.075mm的樣品1g左右，利用戴安ICS-90睿智型離子色譜儀進行易溶鹽測量。

4 測試結(jié)果

4.1 含水率測試結(jié)果

圖3為含水率隨深度變化曲線圖，榆林窟礫巖崖體中含水率最大為2.94%，最小為0.55%，平均值為1.79%。

4.2 易溶鹽測試結(jié)果

樣品中易溶鹽測試的陰離子有NO3-、 、Cl-，陽離子有Ca2+、Mg2+、Na+、K+。通過測試，探井中的易溶鹽總量隨探井深度的分布如圖4所示。圖5為各離子含量變化圖。

5 水、鹽測試結(jié)果分析

5.1 崖體中水分分布分析

通過對榆林窟崖體礫巖中含水量的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)榆林窟崖體礫巖中水分分布具有如下特征：

（1）榆林窟礫巖崖體中含水率最大為2.94%，最小為0.55%，平均值為1.79%；

（2）崖體內(nèi)含水率變化不大，基本在平均值的上下波動，且并沒有出現(xiàn)含水率隨深度的增加而增大的情況；

（3）榆林窟崖體礫巖中水分分布特征和莫高窟砂礫巖中水分分布情況比較一致，水分以吸附水和弱結(jié)合水為主。這種水在一定的溫度下，就會變成氣態(tài)水蒸發(fā)[17-18]。

5.2 崖體中易溶鹽分布分析

通過探井內(nèi)取樣，測試崖體礫巖中的易溶鹽，發(fā)現(xiàn)榆林窟崖體礫巖中易溶鹽分布具有如下特征：

（1）易溶鹽在1m以上含量較高，存在頂部富集的情況。在1m以下，易溶鹽總量在0.3%以下，且隨深度沒有發(fā)生變化；

（2）從表面向下1m范圍內(nèi)，陰離子主要以 為主，陽離子以Ca2+為主。1m以下，陰離子以 和Cl-為主，且含量基本相當(dāng)；陽離子以Na+為主。

5.3 榆林窟崖體中水鹽分布影響因素分析

榆林窟所在地區(qū)常年氣候干燥，蒸發(fā)強烈，年降水量很小，且降水集中在6、7、8三個月，蒸發(fā)量是降水量的50多倍，因此降水只能引起崖體頂部表層范圍內(nèi)鹽分的溶解和遷移，再加上榆林窟崖體頂部有一層厚20cm的三合土保護層，因此，降雨作用不可能引起榆林窟崖體礫巖中鹽分發(fā)生大量遷移。

崖體頂部向下1m以后范圍內(nèi)溫濕度保持恒定[17]，外界溫濕度對其影響較小，不會導(dǎo)致鹽分隨著水汽發(fā)生運移從而破壞壁畫。壁畫發(fā)生鹽害的鹽分主要與地仗層中的鹽分有關(guān)系，地仗層中的鹽分也有很大一部分來自于在壁畫制作時吸附崖體中的鹽分。只有崖體出露部位，在溫濕度的強烈變化下，礫巖中的水分在小范圍內(nèi)發(fā)生變化引起鹽分的運移。

6 結(jié) 論

（1）榆林窟礫巖崖體中含水率最大為2.94%，最小為0.55%，平均值為1.79%，且含水率不隨深度的變化而變化，基本保持一致。

（2）榆林窟崖體礫巖中水分以吸附水和弱結(jié)合水為主，這種水在一定的溫度下，就會變成氣態(tài)水蒸發(fā)。

（3）榆林窟崖體中易溶鹽在1m以上含量較高，存在頂部富集的情況。在1m以下，易溶鹽總量在0.3%以下，且隨深度沒有變化。

（4）榆林窟崖體從表面向下1m范圍內(nèi)，陰離子主要以 為主，陽離子以Ca2+為主。1m以下，陰離子以 和Cl-為主，含量基本相當(dāng)，陽離子以Na+為主。

（5）榆林窟地區(qū)降水不會引起榆林窟崖體內(nèi)鹽分發(fā)生大量遷移，僅在表層發(fā)生反復(fù)溶解和遷移。

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