慶陽(yáng)北石窟寺砂巖表層風(fēng)化特征與地層巖性的關(guān)系研究

張景科,張理想,郭青林,李威昊,文 鑫,劉 盾

(1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院/西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;2.敦煌研究院 國(guó)家古代壁畫(huà)與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心,甘肅 敦煌 736200)

慶陽(yáng)北石窟寺,是甘肅隴東地區(qū)規(guī)模最大的石窟群之一,也是古“絲綢之路”上的一處文化遺存,始建于北魏永平二年(公元509), 至今已有1 500多年歷史?，F(xiàn)存窟龕296個(gè),大小雕像2 126尊,宋、明、清碑7尊,陰刻題記和墨書(shū)題記150余方,壁畫(huà)殘跡96.7 m2[1-2]。歷經(jīng)多年風(fēng)化,北石窟寺的造像及壁畫(huà)等文物本體均已遭受嚴(yán)重的損壞,砂巖表層風(fēng)化發(fā)育嚴(yán)重,亟待進(jìn)行保護(hù)研究。

砂巖風(fēng)化的研究始于19世紀(jì)早期,該時(shí)期的風(fēng)化研究主要是對(duì)風(fēng)化地貌特征的觀察、記錄、測(cè)量等描述性研究。Blackwelder研究了巖石表面蜂窩狀風(fēng)化并對(duì)其形貌特征進(jìn)行了詳細(xì)的描述[3-4]。Mustoe對(duì)海岸地區(qū)蜂窩狀風(fēng)化的成因進(jìn)行了研究,研究表明巖石礦物成分的分解是主要誘因之一[5]。Griggs研究了熱力作用下巖石疲勞損傷與巖石表面剝落風(fēng)化的關(guān)系[6]。Conca等對(duì)干旱地區(qū)的砂巖表層硬化的現(xiàn)象進(jìn)行了研究,查明了硬殼的主要膠結(jié)物成分[7]。隨著研究的深入,巖石風(fēng)化成因、發(fā)育過(guò)程及風(fēng)化量化的研究也逐漸興起。Ollier對(duì)巖石風(fēng)化類型的熱力學(xué)成因進(jìn)行了研究,研究表明在干旱區(qū)域熱膨脹是巖石風(fēng)化的主要原因[8]。Wellman對(duì)海岸及干旱地區(qū)環(huán)境下的鹽風(fēng)化進(jìn)行了研究,研究表明鹽分風(fēng)化在同層巖石表面的底部最為迅速,極易導(dǎo)致巖石底部的侵蝕[9]。Turkington研究了微氣候?qū)Ψ涓C狀風(fēng)化的影響,指出了外部微環(huán)境在砂巖風(fēng)化中的影響作用[10]。Bryan開(kāi)創(chuàng)性地提出砂巖基質(zhì)膠結(jié)物的化學(xué)溶解是砂巖風(fēng)化的主要原因[11]。進(jìn)入新時(shí)期,砂巖風(fēng)化的研究不再局限于對(duì)風(fēng)化形貌特征的精確描述,對(duì)風(fēng)化形貌發(fā)生過(guò)程的模型及風(fēng)化速率的研究成為該時(shí)期研究的熱點(diǎn)。Viles提出了巖石表面的生物風(fēng)化概念模型[12]。Mutlutürka等提出了新鮮砂巖的劣化模式[13-15],研究指出砂巖風(fēng)化表征指標(biāo)的衰減符合指數(shù)函數(shù)的形式IN=I0e-λN(IN為N循環(huán)后的砂巖完整度,I0為初始完整度,N為循環(huán)次數(shù))。隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展以及全球?qū)ξ幕z產(chǎn)保護(hù)和管理的關(guān)注,砂巖遺址的保護(hù)成為了砂巖風(fēng)化關(guān)注的重要焦點(diǎn)之一[16]。Dpejme等詳細(xì)分析了外部環(huán)境等因素與巖石學(xué)形制對(duì)石質(zhì)文物風(fēng)化的影響[17]。但針對(duì)地層巖性特征對(duì)砂巖表層風(fēng)化的影響研究仍舊匱乏。

本文基于北石窟寺砂巖表層風(fēng)化發(fā)育嚴(yán)重，保護(hù)性研究較為匱乏的現(xiàn)狀,在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)北石窟寺主窟區(qū)的病害發(fā)育情況進(jìn)行了詳細(xì)地梳理與分析。結(jié)合洞窟地層的分布,對(duì)北石窟寺砂巖表層風(fēng)化與地層巖性特征的關(guān)系進(jìn)行了研究,以期對(duì)北石窟寺砂巖風(fēng)化的保護(hù)加固提供科學(xué)依據(jù)。

1 北石窟寺石質(zhì)文物病害現(xiàn)狀

北石窟寺開(kāi)鑿于覆鐘山腳下的直立崖面,崖體中發(fā)育有大量的卸荷裂隙、構(gòu)造裂隙與層間裂隙,這些裂隙及崖面沖溝為水分在崖體及其表面的運(yùn)移提供了通道,加上區(qū)域降雨較多,且砂巖性質(zhì)較差,導(dǎo)致北石窟寺砂巖表層風(fēng)化病害嚴(yán)重發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,參考ICOMOS出版的石質(zhì)文物劣化模式圖解術(shù)語(yǔ)表[18]及相關(guān)研究[19],將北石窟寺的病害劃分為剝離與脫落、堆積與變色以及生物侵蝕3個(gè)大類,又可以進(jìn)一步劃分為圖1所示的11個(gè)小類。

圖1 北石窟寺砂巖病害分類Fig.1 Sandstone diseases classification of the North Grottoes

1.1 剝離與脫落

1.1.1 顆粒狀剝落 顆粒狀剝落是巖石表面單個(gè)顆?；蛘哳w粒團(tuán)聚體的剝離、脫落現(xiàn)象,在不同的巖石表面顆粒狀剝落的深度有所不同。北石窟寺砂巖表層顆粒狀剝落的深度可以達(dá)到1～3 cm,剝落也多以單個(gè)顆粒的形式發(fā)生(見(jiàn)圖2A),而部分顆粒狀剝落則是以顆粒團(tuán)聚體的形式發(fā)生的剝落(見(jiàn)圖2B)。顆粒狀剝落是北石窟寺砂巖表層的主要風(fēng)化病害之一,幾乎所有的窟龕均有發(fā)育顆粒狀剝落。

1.1.2 層狀剝落 層狀剝落是一種沿著薄層結(jié)構(gòu)巖石的一層或者多層的物理分離。這些分離的巖層就像書(shū)頁(yè)一樣一層一層地發(fā)生剝落,有些甚至?xí)l(fā)生一定的彎曲與扭曲。北石窟寺的層狀剝落往往發(fā)育在洞窟的頂部，與巖層的水平層理相關(guān)。經(jīng)調(diào)查北石窟寺主窟區(qū)共有52個(gè)窟龕的頂部發(fā)育有層狀剝落,但不同洞窟的發(fā)育程度不盡相同,例如C22窟的頂部層狀剝落已經(jīng)導(dǎo)致窟頂貫穿(見(jiàn)圖2C),且有進(jìn)一擴(kuò)張的趨勢(shì)。其是洞窟頂部的主要病害之一。

1.1.3 片狀剝落 巖石整個(gè)或者部分表面破裂成形狀不規(guī)則、厚度與體積大小不一的部分,由此產(chǎn)生不連續(xù)的層面。北石窟寺發(fā)育的主要片狀剝落類型為尖細(xì)片狀剝落,這是由于巖石表層開(kāi)裂而發(fā)生的剝落現(xiàn)象,基本發(fā)育于砂巖表面的結(jié)殼(見(jiàn)圖2D)位置。

1.1.4 鼓包脹裂 鼓包脹裂是石質(zhì)文物表面呈現(xiàn)出的分離式半球形凸起,往往是由于巖石外層的剝離造成的(見(jiàn)圖2E)。北石窟寺造像上較為發(fā)育,尤其是鹽分聚集區(qū)域,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查北石窟寺多數(shù)的窟龕內(nèi)部均發(fā)育有此類病害,且其主要發(fā)育在砂巖表層硬殼部位。

1.1.5 鱗片狀剝落 鱗片狀剝落像魚(yú)鱗一樣或者平行于巖石表面剝落，鱗鱗片狀剝落又可以劃分為2個(gè)子類型薄片狀剝落(flaking)與輪廓線狀剝落(contour scaling)。而在北石窟寺輪廓線狀剝落較為發(fā)育,多數(shù)造像發(fā)育有此類剝落(見(jiàn)圖2F),這是一種剝落層和巖石完好部分的交界面與巖石表面平行的病害,往往發(fā)育于造像的面部與肢體,崖面北端洞窟內(nèi)部分布發(fā)育尤為普遍。

A C37窟造像顆粒狀剝落；B C22窟東壁顆粒狀剝落；C C22窟頂部層狀剝落；D C225龕地仗層片狀剝落；E C263窟南壁鼓包脹裂；F C263窟造像鱗片狀剝落圖2 北石窟寺砂巖剝離、脫落Fig.2 Sandstone Detachment in the North Grottoes

1.2 變色與堆積

1.2.1 變色 受環(huán)境或人為因素的影響,巖石顏色在色調(diào)、亮度和色度方面發(fā)生變化導(dǎo)致的巖石表面變色的一種現(xiàn)象。北石窟寺外側(cè)崖壁以及洞窟內(nèi)部巖壁均存在變色的現(xiàn)象,而引起北石窟寺巖壁變色的原因主要可以分為以下4類，① 一些巖壁典型的褐色與黑色變色，是由于真菌和藍(lán)藻生成了類胡蘿卜素和黑色素以及一些苔蘚生長(zhǎng)造成的砂巖表面變色(見(jiàn)圖3A)。② 巖壁滲水或者潮濕造成的巖石顏色的變暗。③ 煙熏造成的變色,產(chǎn)生的部分煙油會(huì)滲入到表層的一定深度范圍內(nèi)(3～4 mm)(見(jiàn)圖3B)。④ 砂巖表面泛鹽導(dǎo)致的表層顏色的變化。

1.2.2 堆積物 北石窟寺的堆積物主要是因?yàn)樗芟窦皫r壁的表層顆粒狀剝落、層狀剝落、片狀剝落等砂巖表層物質(zhì)的剝離與脫落造成的造像腳部等部位的落砂堆積。部分大型洞窟內(nèi)的造像手部及頂部存在落砂堆積的現(xiàn)象(見(jiàn)圖3C),而北石窟寺的落砂堆積更加集中在造像腳部、側(cè)壁底部部位(見(jiàn)圖3D)。

1.2.3 鹽霜 通常在巖石表面形成的白色粉狀或者晶須狀結(jié)晶, 鹽霜一般由可溶鹽結(jié)晶組成, 其與巖石表面的黏聚力差。 鹽霜一般是由存在多孔隙巖石結(jié)構(gòu)中的含鹽水分蒸發(fā)而形成。 依據(jù)易溶鹽分析的結(jié)果, 北石窟寺砂巖表面鹽霜的主要成分為硫酸鹽, 通常會(huì)在砂巖表面以白色結(jié)晶物的形成累積。 通過(guò)其顯微結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn), 北石窟寺砂巖表面形成的鹽結(jié)晶類型主要有3種， ① 粉末狀鹽結(jié)晶(見(jiàn)圖3E右上); ②團(tuán)聚體狀鹽結(jié)晶(見(jiàn)圖3E右下)； ③ 晶須狀鹽結(jié)晶(見(jiàn)圖3F)。 北石窟寺砂巖表面多數(shù)的病害發(fā)育均與鹽分在淺表層部位的結(jié)晶與積累相關(guān), 而北石窟寺崖面及洞窟內(nèi)部的鹽霜極為廣泛, 幾乎所有洞窟內(nèi)都有發(fā)育。

1.3 生物侵蝕

覆鐘山山體上部為較厚的風(fēng)化黃土層,而慶陽(yáng)地區(qū)降雨豐富,這導(dǎo)致了外部崖壁包括少數(shù)洞窟內(nèi)均有植物的生長(zhǎng)。根劈將會(huì)導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張,最終導(dǎo)致巖石的破壞,也為雨水的深入開(kāi)辟了新的通道,加速雨水對(duì)崖體的侵蝕。同時(shí)植物也會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的潮濕,這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響巖石的其他劣化過(guò)程,例如鹽分的遷移與結(jié)晶。生物的新陳代謝及生物的遺體腐爛分解,同樣會(huì)引起砂巖的風(fēng)化。在砂巖表面生長(zhǎng)的藻類、苔蘚及地衣等(見(jiàn)圖4),均能分泌有機(jī)酸與CO2,菌類則可以利用空氣內(nèi)的氮產(chǎn)生硝酸。

2 北石窟地層巖性與病害發(fā)育關(guān)系

2.1 區(qū)域地質(zhì)

圖4 北石窟寺砂巖表面生物侵蝕(C22窟外壁)Fig.4 Biological colonization of sandstone surface in the North Grottoes(outside wall of C22)

A 部面位置；B 地質(zhì)剖面圖5 北石窟寺崖體地質(zhì)剖面Fig.5 Cliff geological section of the North Grottoes

2.2 礦物學(xué)、巖石學(xué)性質(zhì)

2.2.1 薄片鑒定 經(jīng)薄片鑒定北石窟寺砂巖主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖(見(jiàn)圖6，7),現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)取樣點(diǎn)的砂巖依據(jù)顏色可劃分為2種，沙黃色砂巖(見(jiàn)圖6A)與象牙色砂巖(見(jiàn)圖6B)。砂巖主要由石英(47%～51%)、長(zhǎng)石(5%～12%)、巖屑(13%～20%)、基質(zhì)(24%～31%)及少量膠結(jié)物組成,顆粒分選中等,以細(xì)砂為主,部分中砂,未見(jiàn)明顯顆粒定向排列。成分上石英含量最高,長(zhǎng)石與巖屑含量大致相同,長(zhǎng)石以鉀長(zhǎng)石與斜長(zhǎng)石為主,巖屑以火成巖屑為主,變質(zhì)巖屑以片巖為主,見(jiàn)少量板巖巖屑。填隙物以黏土為主但含量較少,多呈薄膜狀包裹主顆粒,見(jiàn)少量白云石膠結(jié)物,砂巖結(jié)構(gòu)松散,粒間孔隙廣泛發(fā)育,顆粒之間為點(diǎn)接觸式,致密度極低,主要粒徑區(qū)間為0.08～0.3 mm,顆粒為次圓狀。而沙黃色砂巖與象牙色砂巖的主要成分差別為，沙黃色砂巖的磨圓度較差為次棱狀,石英含量較高,其巖屑含量中的火成巖巖屑含量較象牙色砂巖稍高,致密程度也同樣高于象牙色砂巖。

A 沙黃色砂巖；B 象牙色砂巖圖6 北石窟寺砂巖薄片圖片F(xiàn)ig.6 Images obtained by optical microscope of the sandstone

2.2.2 砂巖微觀結(jié)構(gòu) 新鮮砂巖的掃描電鏡結(jié)果顯示了2種不同顏色砂巖的微觀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖8),沙黃色砂巖與象牙色砂巖的顯微結(jié)構(gòu)均清晰地顯示了顆粒之間的相互耦合關(guān)系,砂巖內(nèi)部顆粒之間的耦合關(guān)系類似于“鎖砂”結(jié)構(gòu),顆粒之間為典型的點(diǎn)接觸。這種顆粒之間的“鎖砂”結(jié)構(gòu),內(nèi)部摩擦角大[20-21],使得該類砂巖即便黏土礦物含量較低,甚至為零時(shí)仍具有一定的強(qiáng)度。同時(shí)在象牙色砂巖的顆粒表面發(fā)現(xiàn)高嶺石礦物,將顆粒表面包裹,而在沙黃色砂巖的顆粒周圍則未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。

圖7 北石窟寺砂巖QFL三角圖分類Fig.7 QFL sandstone classification of the North Grottoes

A 沙黃色砂巖； B 象牙色砂巖圖8 北石窟寺砂巖掃描電鏡Fig.8 SEM images of the sandstone from the North Grottoes

2.2.3 XRD礦物成分分析 利用X射線衍射法(XRD) 對(duì)兩種砂巖樣品的礦物成分進(jìn)行了檢測(cè),使用了日本 UltimaⅣ衍射儀。結(jié)果表明砂巖中石英含量最高,沙黃色砂巖中斜長(zhǎng)石含量稍高,而象牙色砂巖中鉀長(zhǎng)石含量稍高,其中象牙色砂巖中發(fā)現(xiàn)了大量的方解石(見(jiàn)圖9)。值得注意的是兩種砂巖內(nèi)均存在黏土礦物,但含量均低于1%。

圖9 北石窟寺砂巖XRD鑒定結(jié)果Fig.9 XRD of the sandstone from the North Grottoes

2.3 地層巖性與病害發(fā)育

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),取樣區(qū)域象牙色砂巖的風(fēng)化較沙黃色砂巖的風(fēng)化速率更快,該區(qū)域出現(xiàn)了明顯的表面凹窩風(fēng)化形貌,并伴隨著嚴(yán)重的表面鹽霜現(xiàn)象(見(jiàn)圖10)。同時(shí)經(jīng)過(guò)室內(nèi)測(cè)試發(fā)現(xiàn)象牙色砂巖的滲透系數(shù)為1.41×10-3m/s,而沙黃色砂巖的滲透系數(shù)為5.22×10-4m/s,象牙色砂巖的滲透系數(shù)約是沙黃色砂巖的2倍,因此在相同的外部溫濕度環(huán)境下象牙色砂巖取樣區(qū)域的鹽分更易被運(yùn)移到砂巖的表層,造成表層的顆粒剝落,最終形成表面凹窩的風(fēng)化形貌。因此在相同環(huán)境條件下,巖層的性質(zhì)差異是影響巖石風(fēng)化的重要因素之一。

圖10 砂巖取樣點(diǎn)Fig.10 Sandstone samples point

北石窟寺崖體發(fā)育的層間裂隙也多由軟弱夾層的差異風(fēng)化引起,經(jīng)調(diào)查崖面發(fā)育有4條較大的層間裂隙，IC1,IC2,IC3與IC4(見(jiàn)圖11)。IC1是崖面上發(fā)育的規(guī)模最大的層間裂隙,其張開(kāi)度為5～50 cm,該裂隙由北至南貫穿整個(gè)崖體,產(chǎn)狀為85°～90°∠20°～25°。由于IC2～I(xiàn)C4在90年代的加固工程中已被封閉,無(wú)法進(jìn)行取樣。針對(duì)IC1的取樣發(fā)現(xiàn),該層巖石為含泥細(xì)中粒石英砂巖(見(jiàn)圖12A)。由于該層砂巖內(nèi)的黏土礦物含量較高,掃描電鏡的結(jié)果顯示顆粒間有大量的高嶺石礦物(見(jiàn)圖12B)。這使得該層砂巖在溫濕循環(huán)的情況下會(huì)發(fā)生反復(fù)的縮脹,使其首先發(fā)生破壞,C165窟造像的頂端部位因此出現(xiàn)了較大的層間裂隙,進(jìn)而又為水分運(yùn)移提供了通道,裂隙周圍產(chǎn)生了嚴(yán)重鹽霜,進(jìn)一步加速該層的風(fēng)化。

北石窟寺崖體地層的河湖相沉積導(dǎo)致了地層之間的復(fù)雜差異。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,可將北石窟寺南端頂層洞窟37窟的洞窟地層詳細(xì)劃分為至少18層(見(jiàn)圖13),18層均為白堊系羅漢洞組砂巖,但各層之間的性質(zhì)差異導(dǎo)致各層的風(fēng)化速率產(chǎn)生了明顯的區(qū)別。由于洞窟內(nèi)的溫濕度變化環(huán)境一致,但巖石表面出現(xiàn)了顯著的條帶狀鹽結(jié)晶,即表層鹽結(jié)晶現(xiàn)象選擇性地出現(xiàn)在了不同的地層(見(jiàn)圖14)。例如8，9，11巖層的產(chǎn)狀為65°～70°∠15°～20°,其表層發(fā)育的主要病害為顆粒狀風(fēng)化,而其他巖層表層發(fā)育的主要病害類型為鹽霜(2，4，6，10，12，14等)。最終導(dǎo)致洞窟內(nèi)壁出現(xiàn)了明顯的白色帶狀風(fēng)化。由于巖性的顯著差異,導(dǎo)致了鹽分在巖石內(nèi)部結(jié)晶的深度不同,對(duì)于表面發(fā)育有嚴(yán)重鹽霜的巖層,其結(jié)構(gòu)往往較為疏松,滲透系數(shù)更大,鹽分得以被運(yùn)移至砂巖的表層。而相反顆粒狀風(fēng)化主要發(fā)育的巖層結(jié)構(gòu)則往往較為致密,鹽分在表面的結(jié)晶會(huì)相對(duì)減少。砂巖表層的鹽結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹致使這些巖層風(fēng)化速率相對(duì)較高。

圖11 北石窟寺崖體層間裂隙分布Fig.11 The distribution of interlayer fissures in the cliff of the North Grottoes

圖14 C37窟實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面Fig.14 Measured cross section of Cave 37 and its location

3 結(jié)論

1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,北石窟寺砂巖文物表面發(fā)育的主要風(fēng)化病害有:顆粒狀剝落、層狀剝落、片狀剝落、鼓包脹裂、鱗片狀剝落、表面凹窩、局部缺失、鹽霜、變色、堆積物以及生物侵蝕等11類。

2)依據(jù)測(cè)試,北石窟寺崖體的砂巖主要為白堊系長(zhǎng)石巖屑砂巖,該砂巖主要含石英(65%～80%)、巖屑(13%～20%)、鉀長(zhǎng)石+斜長(zhǎng)石(5%～12%)以及填隙物(4%～10%)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),北石窟寺砂巖的河湖相沉積導(dǎo)致巖層之間的性質(zhì)差異較大,導(dǎo)致了鹽分的聚集差異,最終引起巖層之間的差異風(fēng)化。

3)除了砂巖的外部溫濕度環(huán)境外,砂巖本身的性質(zhì)同樣與砂巖表層的病害發(fā)育有著密切的關(guān)聯(lián)。北石窟寺砂巖表層風(fēng)化病害多與地層性質(zhì)差異相關(guān)。因此在采取相關(guān)的保護(hù)措施時(shí)應(yīng)關(guān)注到不同巖層的性質(zhì)差異,針對(duì)保護(hù)材料的研究也應(yīng)更加針對(duì)于精細(xì)地層巖性進(jìn)行研發(fā)。

4)要進(jìn)一步地探究北石窟寺地層巖性特征對(duì)砂巖表層風(fēng)化的影響,需要確定風(fēng)化前后砂巖成分、微觀結(jié)構(gòu)及膠結(jié)物的變化。