大氣環(huán)境對石質(zhì)文物遺址病變機(jī)理的影響研究

宋土順，王德順，田苗，龔凱

(1. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 清東陵文物管理處，河北 唐山 064206；3. 華北理工大學(xué) 期刊社，河北 唐山 063210；3. 華北理工大學(xué) 科技處，河北 唐山 063210)

引言

歷史文物內(nèi)涵豐厚，承載文明，傳承文化，維系民族精神，是弘揚(yáng)傳統(tǒng)文化的財(cái)富，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的優(yōu)勢資源，是培育社會主義核心價(jià)值觀、凝聚共筑中國夢磅礴力量的源泉。國外文物建筑保護(hù)研究較早。19世紀(jì)60年代以來，老建筑被認(rèn)為是值得保護(hù)的建筑遺產(chǎn)，文物建筑的內(nèi)涵得到了拓展，涵蓋了蘊(yùn)含文明、特殊意義、特殊時(shí)期建筑等具有突出價(jià)值特征的組合體[1]。日本對文物的保護(hù)可追溯到7世紀(jì)，隨著式年造替制度的實(shí)施，使得綜合文化遺產(chǎn)和建造技法得到有效傳承[2]。在近百年的建筑史中"拆舊建新"成為歷史潮流，人們?yōu)檠杆賹?shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，拆毀一個(gè)個(gè)有價(jià)值的舊建筑[3]。直到1897年，《古社寺保存法》的實(shí)施，才開始對有形文化財(cái)產(chǎn)通過立法的形式進(jìn)行保護(hù)[4]，并通過加固等方法進(jìn)行修繕。

建國以來，我國十分重視對古建筑和古跡的保護(hù)。1980年國務(wù)院同意關(guān)于加強(qiáng)古建筑和文物古跡保護(hù)管理工作的請示報(bào)告，強(qiáng)化了我國對古建筑和文物的立法保護(hù)。陳志華(1986)探討了在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)理論基礎(chǔ)之上鑒定、評價(jià)、保護(hù)和修繕的文物建筑保護(hù)機(jī)制[5]。Frank(1987)圍繞酸雨對環(huán)境及生態(tài)的影響開展調(diào)查，指出生物對酸化水體的敏感性[6]。侯鮮婷(2015)通過防護(hù)實(shí)驗(yàn)對露天石灰?guī)r文物保護(hù)開展研究，針對表面風(fēng)化和病害嚴(yán)重的石材建筑，設(shè)計(jì)不同防護(hù)材料提升保護(hù)效果[7]。清東陵的保護(hù)研究在1980年以后得到陸續(xù)開展，指出為保護(hù)文物和促進(jìn)旅游事業(yè)的發(fā)展，應(yīng)對清東陵開展保護(hù)、修繕和管理[8-10]。此后，陸續(xù)開展文物建筑群保護(hù)利用對策[11]、古建筑維修[12]和石質(zhì)文物與環(huán)境監(jiān)測的研究[13-15]，探索損傷、裂縫、腐蝕和凍害等治理方法[16]。石質(zhì)文物建筑的巖石組成比較穩(wěn)定,由于現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)造成的環(huán)境惡化、酸雨和氣候變化等原因，造成石質(zhì)建筑的風(fēng)化、病變、龜裂、多孔等多種形態(tài)的損傷，因此，開展室外石質(zhì)文物遺址長期保存的不利因素分析，可提升預(yù)防性保護(hù)水平。

1室外石質(zhì)文物建筑材質(zhì)

在人類文明發(fā)展歷史中，石器時(shí)代人類最早開始利用巖石，隨著歷史的演變，具有歷史意義、藝術(shù)價(jià)值和科學(xué)研究價(jià)值的遺物保存了下來，形成石質(zhì)文物[14]。石質(zhì)文物材質(zhì)主要包括砂巖、石灰?guī)r(大理巖)和花崗巖(表1)，在室外大自然環(huán)境中，石質(zhì)文物經(jīng)受著物理、化學(xué)和生物作用侵蝕，發(fā)生著石質(zhì)文物病害過程。

表1 我國石質(zhì)文物建筑(部分)材質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

(1)砂巖材質(zhì)主要特征

砂巖為碎屑結(jié)構(gòu)(圖1，圖2)，碎屑顆粒的粒度在0.005～2mm之間，孔隙膠結(jié)或基底式膠結(jié)，顆粒支撐或雜基支撐。碎屑粒間接觸關(guān)系為點(diǎn)-線-凹凸接觸，碎屑顆粒主要由石英、長石和巖屑組成，碎屑粒間含量>50%，其次為云母、綠泥石和重礦物等次要礦物。碎屑石英，表面干凈，無解理，一級灰白干涉色，正低突起。碎屑長石，包括堿性長石和斜長石，卡式雙晶和聚片雙晶較發(fā)育，長石在流體作用下易于發(fā)生蝕變，例如鉀長石高嶺土化，斜長石絹云母化等。巖屑：按成因，包括沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖巖屑。在大氣水淋濾和風(fēng)化作用下，形成裂縫、植物存在、粉化、斑痕和侵蝕等病變。

圖1 長石巖屑砂巖(正交偏光，100X) 圖2 長石巖屑砂巖(單偏光，100X)

(2)石灰?guī)r材質(zhì)主要特征

石灰?guī)r材質(zhì)屬于碳酸鹽巖類(圖3，圖4)，主要由方解石和白云石礦物組成，其次為粘土礦物、石英、長石及微量重礦物。主要化學(xué)成分為CaO、MgO、CO2，次要化學(xué)成分為SiO2、TiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、K2O、Na2O等。石灰?guī)r材質(zhì)文物主要采用結(jié)晶顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為材料，結(jié)晶顆粒通常>0.001 mm，方解石礦物在大氣水、酸雨等弱酸條件下易于發(fā)生溶解作用，形成石灰?guī)r材質(zhì)文物的蜂窩狀孔洞、裂縫、斑痕、侵蝕等病變。

圖3 亮晶灰?guī)r，裂縫發(fā)育(正交偏光，40X) 圖4 亮晶灰?guī)r(單偏光，40X)

(3)花崗巖材質(zhì)主要特征

花崗巖為結(jié)晶結(jié)構(gòu)(圖5，圖6)，一般花崗巖材質(zhì)文物為全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，晶粒粒度>0.02 mm，礦物主要為石英、堿性長石和斜長石，其次為黑云母等。晶粒呈半自形-自形分布，塊狀構(gòu)造。顯微鏡下，石英無色透明，正低突起，一級灰白干涉色，它形粒狀；堿性長石主要為微斜長石、正長石和條紋長石，卡式雙晶、格子雙晶和條紋結(jié)構(gòu)發(fā)育；斜長石表面容易發(fā)生絹云母蝕變，一級灰白干涉色，聚片雙晶發(fā)育；黑云母，綠色，片狀，干涉色二級藍(lán)綠?；◢弾r材質(zhì)文物在室外條件下，容易遭受風(fēng)化作用影響，形成色彩變質(zhì)、裂縫、侵蝕和生物綠銹等病變。

圖5 中粒二長花崗巖(正交偏光，40X) 圖6 中粒二長花崗巖(單偏光，40X)

2室外石質(zhì)文物建筑在大氣水作用下變化

為了解大氣水條件下石質(zhì)文物建筑的病變機(jī)理，采用流體-巖石相互作用實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行模擬。大氣降水為弱酸性水，根據(jù)國內(nèi)外大氣降水?dāng)?shù)據(jù)(表2)，參考北京地區(qū)和愛爾蘭西部的大氣降水的離子組成進(jìn)行溶液配置，綜合考慮富含CO32-和HCO3-的水溶液，弱碳酸，pH值5.0-6.4，開展流體-巖石相互作用實(shí)驗(yàn)，模擬石質(zhì)文物中長石、石英和方解石礦物的病變過程。所用藥品為Na2CO3，HCl，NaHCO3,，Na2SO4和KCl，配制過程是在500 mL去離子水中加入不同質(zhì)量的藥品。

表2 國內(nèi)外大氣降水的物質(zhì)組成(單位：μg/L)(柴合范，2001)

(1)長石

樣品中長石主要為堿性長石和斜長石，經(jīng)過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)長石類礦物實(shí)驗(yàn)前無溶蝕、溶解現(xiàn)象(見圖7)。隨著溫度的升高溶蝕、溶解程度加強(qiáng)，沿著晶體表面形成溶蝕坑和凹槽(見圖8)，沿著裂隙形成溶蝕溝(見圖9)。在更高溫度時(shí)，長石骨架顆粒溶蝕、溶解作用強(qiáng)烈，在表面形成次生沉淀物(見圖10)。

圖7 實(shí)驗(yàn)前長石表面干凈 圖8 長石溶蝕坑、凹槽

圖9 長石溶蝕條帶 圖10 沉淀新生高嶺石和綠泥石

(2)石英

石英作為地表最常見、最基本的硅酸鹽礦物,是巖石中最穩(wěn)定的礦物。在實(shí)驗(yàn)中石英主要是由單晶石英組成。反應(yīng)前后的實(shí)驗(yàn)樣品，經(jīng)過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)石英礦物實(shí)驗(yàn)前無溶解現(xiàn)象(見圖11)，隨著溫度的升高，沿著裂縫發(fā)生微弱溶解(見圖12)。

圖11 實(shí)驗(yàn)前石英樣品無溶解現(xiàn)象 圖12 石英沿著裂縫發(fā)生微弱溶解

(3)方解石

方解石作為石灰?guī)r材質(zhì)文物的主要礦物組成,在地表?xiàng)l件下易于遭受風(fēng)化作用影響，發(fā)生溶解作用。在實(shí)驗(yàn)中方解石采用的晶體。反應(yīng)前后的實(shí)驗(yàn)樣品，經(jīng)過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)方解石礦物實(shí)驗(yàn)前無溶解現(xiàn)象，晶間存在微弱孔隙(見圖13)，隨著溫度的升高，沿著表面和晶間縫發(fā)生溶解作用，形成齒狀殘余錐(見圖14)。

圖13 實(shí)驗(yàn)前方解石樣品無溶解現(xiàn)象 圖14 方解石沿著表面形成齒狀殘余錐

(4)大氣水作用下石質(zhì)文物病變機(jī)理

石質(zhì)文物材質(zhì)砂巖、石灰?guī)r(大理巖)和花崗巖，其主要礦物組成為長石、方解石和石英，在大氣水淋濾作用下，主要礦物發(fā)生這溶蝕、溶解等病變過程[17]。長石的溶解首先發(fā)生在長石表面的高能量位置，如元素連接點(diǎn)和晶格有缺陷的地方，溶蝕坑發(fā)育在斜長石礦物表面的線缺陷和微孔隙上[18-19]。在大氣水作用下，酸性物質(zhì)隨著CO2、CO32-、HCO3-水解作用的發(fā)生公式(1)、公式(2)，H+與長石、云母礦物發(fā)生相互作用，沿著石質(zhì)文物表面和解理溶蝕、溶解作用發(fā)生，形成高嶺石(圖10)和金屬陽離子公式(3)～公式(5)，同時(shí)促進(jìn)水解作用的進(jìn)行公式(1)、公式(2)。當(dāng)Ca2+足夠高時(shí)，發(fā)生CaCO3沉淀公式(6)，這樣就在一定程度上消耗了Ca2+，致使溶液中的Ca2+減少。同時(shí)溶液中的Mg2+、Fe等元素富集，轉(zhuǎn)化成綠泥石(圖10)，沉淀在礦物表面。Dove(2005)運(yùn)用經(jīng)典晶體增長理論在解釋石英溶解機(jī)理,將石英溶解主要分為3個(gè)階段[20]:表面梯臺的消退;石英表面缺陷造成的溶解;光滑表面的溶解。石灰?guī)r材質(zhì)文物在室外條件下，易于遭受大氣水侵蝕，發(fā)生病變公式(7)。在大氣水作用下，石質(zhì)文物遭受風(fēng)化作用，發(fā)生蜂窩狀孔洞、裂縫、斑痕、侵蝕和差異病變等病害過程。具體病變反應(yīng)過程如下：

CO32-+H2O=HCO3-+H+

(1)

HCO3-=CO32-+H+

(2)

2NaAlSi3O8(鈉長石)+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+ 2Na++4SiO2

(3)

2KAlSi3O8(鉀長石)+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+ 2K++4SiO2

(4)

CaAl2Si2O8+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4+Ca2+

(5)

Ca2++CO32-=CaCO3

(6)

(7)

3室外石質(zhì)文物建筑長期保護(hù)的不利因素

石質(zhì)文物建筑長期遭受地質(zhì)環(huán)境、大氣環(huán)境、水文環(huán)境、生物環(huán)境和人文環(huán)境的影響。隨著現(xiàn)代化工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，引起環(huán)境惡化、酸雨、酸霧和氣候變化等原因，石質(zhì)文物建筑風(fēng)化、病變、龜裂、多孔等多種病害常有發(fā)生，通過分析室外石質(zhì)文物遺址長期保存的不利因素，可提升預(yù)防性石質(zhì)文物保護(hù)水平。

(1)地質(zhì)環(huán)境

地質(zhì)環(huán)境是石質(zhì)文物穩(wěn)定性主控因素之一。巖石形成環(huán)境是石質(zhì)文物材料形成的決定因素，多數(shù)文物采取就地取材的方式，主要包括砂巖、石灰?guī)r和花崗巖。不同的石質(zhì)材料來源于不同的地質(zhì)背景，例如花崗巖和亮晶石灰?guī)r形成結(jié)晶條件，砂巖經(jīng)歷了風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積和成巖作用，往往花崗巖材質(zhì)穩(wěn)定性較高，石灰?guī)r穩(wěn)定性較弱。

(2)大氣環(huán)境

大氣環(huán)境包括溫度、濕度、太陽光輻射、大氣運(yùn)動等因素，影響著氣候類型。在干旱地區(qū)，水的吸收和蒸發(fā)作用、鹽分的結(jié)晶與潮解，對石質(zhì)文物的病變起決定性作用。在潮濕地區(qū)，流體侵蝕和生物風(fēng)化作用表現(xiàn)突出。在高原和寒冷地區(qū)，由于晝夜溫差的變化，石質(zhì)文物的冰劈風(fēng)化作用強(qiáng)烈。

(3)水文環(huán)境

水文環(huán)境是由各種地表和地下水體及其分布、運(yùn)動形態(tài)組成的，這些水體的存在，誘發(fā)了石質(zhì)文物的許多病害類型。巖石中有些礦物在流體作用下，易于發(fā)生溶蝕、溶解作用，例如碳酸鹽和硫酸鹽，最常見石灰?guī)r和白云巖。水文環(huán)境中酸性污染會加劇溶蝕、溶解作用，如酸雨、酸霧對石質(zhì)文物產(chǎn)生侵蝕破壞，同時(shí)水的溶解和水化作用又會導(dǎo)致巖石膠結(jié)組分的破壞等。

(4)生物環(huán)境

生物環(huán)境主要由動植物和微生物及其活動構(gòu)成。植物根系在巖石縫隙中生長，產(chǎn)生巨大的壓力，導(dǎo)致巖石破裂、變形。喬灌木類的根系對石質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的劈裂破壞作用，使裂隙不斷擴(kuò)大。不同的植物會給文物帶來不同的危害，植物群落會改變小氣候環(huán)境，微生物對石質(zhì)文物的危害是普遍的，地衣、藻類、苔蘚、菌類等可附著在石質(zhì)表面和裂隙深處，其生長和繁殖會導(dǎo)致石質(zhì)文物材質(zhì)的惡化。

(5)人文環(huán)境

人文環(huán)境包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的環(huán)境污染和不當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)活動，無意識的如空氣污染、環(huán)境產(chǎn)生的震動等，是室外石質(zhì)文物病害加劇的重要因素，近年旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的不良后果，直接影響著露天石質(zhì)文物的保存狀況。

4結(jié)論

通過實(shí)地考察，實(shí)驗(yàn)室模擬和理論分析的方法，對影響室外石質(zhì)文物遺址長期保存的不利因素開展了研究，取得以下結(jié)論：

(1)我國石質(zhì)文物材質(zhì)主要包括砂巖、石灰?guī)r和花崗巖，由長石、石英和方解石礦物組成。在室外條件下經(jīng)受著物理、化學(xué)和生物作用侵蝕，發(fā)生著石質(zhì)文物建筑病害過程。

(2)在大氣水淋濾作用下，石質(zhì)文物發(fā)生著溶蝕、溶解和新礦物沉淀作用，形成了蜂窩狀孔洞、裂縫和斑痕等病害，形成溶蝕坑、溶蝕凹槽、溶蝕條帶和齒狀殘余錐。

(3)石質(zhì)文物建筑長期保護(hù)的不利因素包括地質(zhì)環(huán)境、大氣環(huán)境、水文環(huán)境、生物環(huán)境和人文環(huán)境。在石質(zhì)文物保護(hù)過程中，對大氣環(huán)境和水文環(huán)境的治理應(yīng)放在首位，是根本的石質(zhì)文物保護(hù)方法。