基于地氣活動的酥堿帶形成機制

李紅壽

[1． 敦煌研究院敦煌石窟監(jiān)測中心，甘肅酒泉 736200； 2． 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200； 3． 古代壁畫保護國家文物局重點科研基地(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200； 4． 甘肅省敦煌文物保護研究中心(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200]

0 引 言

酥堿是指在水分的參與下，建筑物中的鹽分因干濕交替而反復(fù)結(jié)晶和溶解，造成建筑表層酥軟脫落、粉化的一種病害[1]，通常在民用建筑、建筑遺產(chǎn)和土遺址上普遍發(fā)生[2]。酥堿是典型的水分作用下的鹽風(fēng)化(salt weathering)[3-4]，屬于典型的水-鹽病害。在建筑近地面部分尤為明顯，通常呈現(xiàn)帶狀分布，有明顯的高度界限(圖1)。酥堿帶的病害不只是酥堿一種，它包含了許多其他水-鹽病害，如粉化、皰疹、霉變、空鼓、起甲、龜裂等。一般來說，建筑保存時間越長，鹽分含量越高，酥堿危害越嚴重，甚至發(fā)生酥堿掏蝕下的坍塌[5]，故有“君子不立于危墻之下”的諺語。年代久遠的土墻富含N、P、K鹽而常常作為農(nóng)家肥料，稱之為“糞土之墻”。因其墻體酥朽，難以抹泥修復(fù)，故孔子有“糞土之墻不可圬”的名言?？梢妷w酥堿在兩千多年前就已有充分的認識。

目前，對于這種在近地面一定高度發(fā)生的病害，學(xué)術(shù)界普遍認為是不飽和水運移引起的[6-8]。其形成機理是土壤或建材經(jīng)毛細作用將地下水提升到一定高度[8-9]，然后通過蒸發(fā)使墻體變得干燥[1，7-9]，并將鹽分滯留于墻體內(nèi)[9]。而毛管水的反復(fù)運移引起墻體干濕交替和鹽分頻繁結(jié)晶-溶解最終導(dǎo)致酥堿帶形成。在寒冷地區(qū)還包括毛管水在凍融交替下的風(fēng)化作用[10]。然而，筆者發(fā)現(xiàn)在半干旱、干旱地區(qū)，發(fā)生酥堿的部位水分含量很低，通常沒有毛管水存在，即水分含量達不到存在毛管水的程度。特別是位于極干旱地區(qū)的敦煌莫高窟，洞窟圍巖和地仗的含水量極低[11]，常年處于極干旱環(huán)境，只存在結(jié)合水分，即結(jié)晶水、吸濕吸附水和薄膜水。然而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，下層洞窟近地面壁畫也普遍存在明顯的帶狀酥堿病害，局部地仗層已經(jīng)完全脫落，露出了圍巖(圖1c)。對此，通常解釋是：在不飽和毛管水反復(fù)運移和干濕交替影響下，鹽分的反復(fù)結(jié)晶-溶解改變了壁畫和地仗層的結(jié)構(gòu)，使地仗層膨脹脫落，在近地表一定高度形成嚴重的酥堿病害[1，7，12]。因此，筆者推測毛細作用形成機理在干旱、半干旱區(qū)存在問題。酥堿病害一直是建筑及文保領(lǐng)域防治的重點和難點[13]。正是由于形成機理懸而未決，給根治帶來了很大的困難。

圖1 近地面酥堿帶Fig.1 Salt weathering belts near the ground surface

筆者長期在敦煌莫高窟從事戈壁深埋潛水蒸發(fā)[14]和洞窟水分來源[15]研究，發(fā)現(xiàn)戈壁[15-16]和洞窟[17]存在來自深層潛水的蒸發(fā)，并通過水分同位素的檢測示蹤得到了印證[18]。為了研究方便，筆者將地下土壤內(nèi)的空氣稱為“地氣”[19]。地氣與大氣相連，形成了統(tǒng)一的連續(xù)體。從潛水面到地表的包氣帶空氣受外界大氣壓波動的影響，上下波動：當外界大氣壓上升時，地氣體積被壓縮，有大氣進入土壤；當外界的大氣壓下降時，地氣體積膨脹露出地表，有地氣進入大氣[20-21]。研究表明地氣的活動使該戈壁區(qū)的蒸發(fā)量增大了3個數(shù)量級，對潛水蒸發(fā)產(chǎn)生了重要影響[22]。地氣活動機理和水分來源研究為近地面酥堿帶形成機理揭示奠定了基礎(chǔ)。

本研究根據(jù)地氣活動的基本原理，通過對莫高窟戈壁土壤溫濕度和氣壓的監(jiān)測，應(yīng)用地氣的日/年活動規(guī)律和活動數(shù)量揭示近地表酥堿帶的形成機制，為建筑、土遺址、古墓葬和珍貴壁畫等的保護提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 地氣活動的基本原理

首先，將潛水面以下區(qū)域當作水分飽和的不透氣地層。潛水面以上到地表的包氣帶空氣看作封閉系統(tǒng)和理想氣體。在日常大氣波動過程中，100 km內(nèi)的地氣整體活動[23]，在大氣壓由P1轉(zhuǎn)變?yōu)镻2的過程中不考慮側(cè)向水平移動，并忽略土壤溫度變化影響，地氣的體積由V1轉(zhuǎn)變?yōu)閂2。根據(jù)玻意耳定律，P1V1=P2V2，則

ΔV=V2-V1=V1(P1-P2)/P2
=V0(P1-P2)/P2

(1)

式中，ΔV為地氣的體積變化量(正值表示地氣體積增大，有地氣進入大氣；負值表示地氣下降，有大氣進入土壤)；V1為氣壓為P1時的地氣體積，通常視為與地表持平，即初始體積V0。那么，單位面積的地氣體積為

V0=tn

(2)

式中，t為包氣帶厚度；n為土壤孔隙度。那么，地氣在土壤(或建筑)中上升/下降的高度(h)為

h=ΔV/n=V0(P1-P2)/nP2=tΔP/P2

(3)

式中，ΔP為大氣壓由P1轉(zhuǎn)變?yōu)镻2時的大氣壓變化量。

2 研究區(qū)域狀況與方法

研究區(qū)域位于莫高窟窟頂戈壁(40°02′14″N，94°47′38″E)，海拔1 350 m。該區(qū)潛水埋深(t)約為200 m，孔隙度約為25%。該區(qū)屬于極端干旱氣候，年降水量42.2 mm，潛在蒸發(fā)量為3 479 mm。太陽輻射強度可高達1.1 kW/m，年日照率71%；年平均相對濕度(RH)32%，年平均溫度11.23 ℃，年平均風(fēng)速為4.1 m/s。土壤富含鹽分，0～50 cm含鹽量在2.2%～9.2%之間，其中芒硝(Na2SO4)占50%以上。3.0 m以下空隙內(nèi)空氣RH常年保持100%，土壤含水量在1.0%左右；土壤通常只包含吸濕吸附水、結(jié)晶水和膜狀水[14-19]。

為了研究該區(qū)深埋潛水蒸發(fā)和地氣活動，筆者對該區(qū)域土壤內(nèi)10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、600 cm及地上200 cm的氣壓、溫度、相對濕度(RH)、絕對濕度(AH)等進行了每10 min一次的長期監(jiān)測。筆者選用2013年全年土壤內(nèi)外大氣壓和2009年未受強降雨影響下的土壤溫度、RH、AH，說明土壤內(nèi)的溫濕度梯度及氣壓的基本狀況和變化規(guī)律，說明莫高窟壁畫酥堿帶的形成機理(2012年6月百年一遇的44.8 mm強降雨，2019年7月6日遭遇較強降雨40.2 mm導(dǎo)致10 cm以下土壤空氣的RH一直保持在100%)。

3 結(jié)果與酥堿形成機理分析

3．1 地氣年活動規(guī)律

土壤內(nèi)外大氣壓年變化如圖2所示。地氣壓強與外部大氣壓曲線幾乎重合，整體隨同步波動。說明地氣與大氣具有良好的聯(lián)通性，互為一體。氣壓冬季較高夏季較低，呈“V”字形變化趨勢，根據(jù)變化趨勢線年變化量約為16 hPa。這意味著整體而言，從冬到夏有地氣冒出地面，從夏到冬有大氣進入地下。大氣壓年平均為861.2 hPa，在天氣過程中，氣壓的變化幅度可達10～30 hPa。

圖2 大氣壓與地氣壓強的年變化Fig.2 Annual variation of atmospheric pressure and earth-air pressure

3．2 地氣活動對酥堿帶形成的影響

在代表性晴朗天氣下，大氣壓及土壤內(nèi)RH、AH和溫度如圖3所示。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.3 Monitoring data

通常土壤內(nèi)RH隨深度的增加而增高。在淺層較大溫度變化(圖3d)影響下，RH和AH隨溫度變化：溫度升高，土壤釋放水汽，導(dǎo)致RH和AH升高，有時淺層AH甚至高于深層的[24]；反之，則降低。為了方便說明地氣活動在近地面酥堿帶形成中的作用，筆者忽略溫度影響，以土壤RH(圖3b)向下穩(wěn)定遞增為基本背景，以墻體結(jié)構(gòu)為模型(圖4)，說明地氣升降對酥堿帶形成的影響。

當大氣壓上升時，雖然地氣壓強也隨之上升，但地氣整體會被壓縮，有干燥大氣進入土壤，而土壤水分會迅速進入干燥大氣使之轉(zhuǎn)化為較潮濕的地氣(圖4a)；當大氣壓下降時，地氣上升，有部分潮濕地氣進入大氣，但因外部大氣較強烈對流、擴散影響而消散于無形(圖4b)。如不考慮外部影響，將墻體看作理想的透氣材料，且孔隙度與下層土壤一致，那么理論上根據(jù)公式(3)，地氣在墻體中的運移高度為h。

圖4 近地面墻體中地氣的上升(a)和下降(b)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the rising earth-air (a) and falling earth-air (b) in the wall near the ground surface

反過來，若墻體兩側(cè)表層不透氣，那么，根據(jù)公式(3)，由于它增加了一個墻體的高度而使包氣帶厚度增大，因此地氣波動幅度將增大，在墻頂?shù)某鋈肓扛哂诘乇?。而事實上，在透氣性適當或墻體不太厚的情況下，墻體的透氣性和蒸發(fā)會在下一次地氣上升前釋放完上升地氣帶來的水分，達成動態(tài)平衡。通常地氣頻繁上升的高度就是墻體內(nèi)潮氣活動的高度，也是酥堿發(fā)生的高度。

然而，如圖3a，在連續(xù)氣壓下降(8．3 hPa)天氣下，根據(jù)公式(3)，地氣的上升高度可達1．9 m。在10～30 hPa的降壓天氣過程中，地氣的上升高度可達2．3～7．1 m。顯然，這樣在波動幅度較大、頻次較低的天氣過程形成的高度應(yīng)不是墻體酥堿帶形成的高度，它應(yīng)當受有規(guī)律、更穩(wěn)定、更頻繁的地氣日波動的影響。

3．3 大氣日變化與酥堿帶高度

根據(jù)圖2中大氣壓年變化，將每日不同時刻的氣壓(P)進行平均，即

(4)

式中，Pi(t)為每日在t時刻的氣壓；N為天數(shù)，這里為365天。那么，大氣日變化如圖5所示。

圖5 大氣壓日變化Fig.5 Diurnal variation of atmospheric pressure

根據(jù)公式(3)，夜間和白天大氣壓下降時，地氣在墻體中上升到的高度h分別為112 cm和28 cm。早晨和傍晚地氣下降的深度分別為86 cm和54 cm。上升總高度與下降總高度相等，都為140 cm。這由地氣活動機理決定的，地氣“呼出量”與“吸入量”相等，整體上是平衡的。

3．4 地氣活動與酥堿病害形成機制

在大氣壓日波動作用下，近地面墻體空氣濕度干濕交替，使滯留鹽分反復(fù)發(fā)生溶解-結(jié)晶。因溫濕度狀況、鹽分種類不同，結(jié)晶體千變?nèi)f化，有針狀、簇狀、塊狀等結(jié)晶破壞建筑結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致酥堿發(fā)生[25]。同時，與之相伴的還有孔隙內(nèi)地氣流動引起的風(fēng)蝕和顆粒物沖擊影響。下面結(jié)合圖5和圖3來做具體說明。

在22∶40～5∶00，大氣壓減小。根據(jù)公式(3)，地氣上升28 cm(圖3b)。潮濕地氣進入墻體，墻體吸濕吸附水分，無水鹽分結(jié)晶或有水鹽分溶解。如莫高窟巖土富含芒硝，它在RH高于62.5%時發(fā)生潮解[25]，無水芒硝形成結(jié)晶，對墻體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，水汽轉(zhuǎn)變結(jié)晶水。在更高RH下，部分結(jié)晶芒硝溶解變成液態(tài)。同時，在孔隙前端，之前因干燥而析出的部分結(jié)晶或失水鹽分粉末會被地氣吹出，成為土壤鹽分排放的重要方式。在地氣上升過程之中，墻體中上升的水汽會通過孔隙向外擴散蒸發(fā)。在地氣下次上升之前，大部分來自地氣的水分會擴散蒸發(fā)。蒸發(fā)量與孔隙度和地氣上升高度之間存在微妙的平衡關(guān)系。通常在蒸發(fā)量一定的情況下，若孔隙度變大，地氣上升不需要很高就可完成蒸發(fā)。反之亦然。如果孔隙度不變，外界條件使?jié)撛谡舭l(fā)量增大時，地氣上升高度也會下降。

在5∶00～10∶50，大氣壓上升，地氣壓縮，干燥大氣進入土壤86 cm。對于墻體而言，干燥上層空氣的下移使得酥堿區(qū)濕度降低，結(jié)合水分迅速蒸發(fā)。同時，因為蒸發(fā)失水，芒硝溶液會形成結(jié)晶，已結(jié)晶芒硝變成無水芒硝粉末，并有少量鹽分顆粒物隨空氣流動進入土壤。土壤水分的迅速蒸發(fā)使可溶鹽分析出。部分鹽分的結(jié)晶對墻體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

在10∶50～17∶30，大氣壓下降，地氣上升，在墻體內(nèi)上升到112 cm。在此過程中，來自深層土壤的細顆粒物和上升氣流首先會吹蝕土壤和墻體中粉末狀鹽分、風(fēng)化墻體細顆粒物，對結(jié)晶鹽分、墻體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強沖擊，形成更多的顆粒物，最終對酥堿層產(chǎn)生重要的“風(fēng)化”影響。另外，隨著地氣的上升，潮氣到達酥堿病害層，未被吹走的粉狀鹽分會形成結(jié)晶，部分結(jié)晶鹽分可能會溶解。

在大約6.67 h左右，地氣上升112 cm，通?？磥硎窍喈斁徛臍怏w活動。但若將1 μm相當于1 m來計算對比的話，地氣在墻體中的運動速度就相當于168 km的時速，在空隙中具有相當強的沖擊和侵蝕力。若局部受“狹管效應(yīng)”影響，流速則更快，破壞力更強。相比之下，水汽在墻體和土壤中的解吸附單純擴散相當緩慢，不及地氣運移的1%[26]。在該區(qū)10～30 hPa的天氣過程中，地氣活動的強度更大，對墻體的影響更強。通常地上發(fā)生沙塵暴時，氣壓波動較大，地下也在發(fā)生“飛沙走石的沙塵暴”。

在17∶30～22∶40，大氣壓上升，地氣下降54 cm，干燥空氣進入墻體和土壤。之前溶解的鹽分就會結(jié)晶，而已結(jié)晶的鹽分失水變成粉末，部分進入土壤。進入土壤的干燥空氣會迅速得到土壤蒸發(fā)水分的補充，與5∶00～10∶50的地氣下移相同，所不同的是運移速度和深度存在一定差異。之后，進入下一輪循環(huán)。

4 討 論

4.1 影響酥堿帶高度的因素

酥堿帶形成高度是本研究的重點之一[27]。根據(jù)公式(3)，地氣波動的高度與氣壓波動幅度、海拔和包氣帶厚度成正比，與當?shù)卮髿鈮撼煞幢?海拔高度決定大氣壓的大小，海拔越高，大氣壓越小，因此酥堿高度與海拔成正比)。地氣上升高度是一個相對概念，與時間尺度有關(guān)。在年尺度上，年氣壓存在16 hPa的升降變化(圖2)，根據(jù)公式(3)，h=tΔP/P2=2 000×16/(861.2-16/2)=375(cm)，可引起的地氣總升降達375 cm。前半年上升，后半年下降。平均每日有2.1 cm的升降幅度。但實際高度可能并不完全隨年變化增大，使變幅達375 cm?？紤]到地氣日升降變化的具體過程，不應(yīng)連續(xù)累積升高。因為高度主要取決于日變化幅度，即前一日與后一日的對比，只要增加相對增加量(2.1 cm)即可，并不累加。因此，前半年要高于后半年2.1 cm。通常，地氣白天10∶00～17∶00在墻體中的上升高度就是酥堿帶形成的高度(H)。這與洞窟內(nèi)壁畫酥堿帶高度基本吻合。

根據(jù)公式(3)，地氣上升高度與孔隙度無關(guān)。但這是理想氣體狀態(tài)下，實際上地表之上的墻體孔隙度、透氣性和厚度[28]等對地氣上升高度有明顯影響，干旱地區(qū)通常達不到計算高度。另外，如果墻體較薄或其孔隙度和透氣性較大(尤其是粗孔材料)，有可能在地氣逐漸上升過程中水汽就已經(jīng)大量擴散，類似于地表一旦冒出地面就消散于大氣，達不到H高度。

另外，公式(3)中地氣上升高度與孔隙度無關(guān)，是指在整個包氣帶土壤及墻體的質(zhì)地均勻的情況下。如果下層的土壤孔隙度較高，而墻體的孔隙度較低，那么上升高度會增高；反之，會降低上升高度。它與地氣活動量成正比，與孔隙度成反比，可根據(jù)ΔP和n計算。通常H與酥堿帶基本一致，酥堿是墻體對地氣活動的綜合響應(yīng)。而受水汽擴散及長期累積鹽分的影響，老舊酥堿帶高度會略高于H。具體情況需要具體分析。

4．2 溫度對墻體水汽RH、AH和酥堿速率的影響

圖4是在忽略溫度影響下，以穩(wěn)定的RH為基礎(chǔ)，示意地氣升降對墻體影響的。事實上，墻體中RH和AH受溫度的影響，都隨溫度的升高而升高，隨溫度的下降而下降，如圖3中淺層土壤所示。如10∶50～17∶30受太陽輻射影響，溫度升高，墻體水分蒸發(fā)，RH和AH增大。此時受上升地氣的影響，蒸發(fā)量迅速增加，結(jié)晶鹽分迅速失水。另外，墻體受走向(如東西走向或南北走向)影響，墻體內(nèi)溫度將是圖3d的變形，因此RH和AH也隨之改變，它們的峰值在出現(xiàn)時間和強度上有所變化。蒸發(fā)量受兩個獨立因子控制：溫度控制AH，大氣壓波動幅度控制地氣活動量，兩者共同決定墻體酥堿帶的蒸發(fā)量(E=ΔV×AH)[22]。因此，除了大氣波動影響的地氣數(shù)量外，溫度的變化幅度也決定著水分蒸發(fā)強度和酥堿的速率。

夜間來自下層的水汽在經(jīng)過酥堿帶時大部分會被墻體吸收。白天，隨著墻體溫度的升高和AH的增大(可大于地氣的AH，圖3c)，上升地氣通過時會得到土壤蒸發(fā)水分的補充，而后直接排放到大氣中。墻體除了白天蒸發(fā)水分通過夜間吸收水分來平衡外，另有來自地下的薄膜水的持續(xù)補充，來維持地下水和蒸發(fā)之間的平衡[22]。通常，墻體較為干燥，吸收水分的潛力巨大，在較大溫度變化下，來自地氣的水分對RH和AH的影響會淹沒在吸濕和溫度影響之中。

5 結(jié) 論

通過敦煌莫高窟地氣活動規(guī)律，揭示了以墻體為模型的近地面酥堿帶形成機制。在大氣壓波動影響下，地氣隨大氣壓的增大而下降，隨大氣壓的減小而上升，引起地氣在墻體中上下運移，致使空氣干濕交替，引起易溶鹽分反復(fù)溶解結(jié)晶，從而導(dǎo)致近地面酥堿帶的發(fā)生。長期的水分蒸發(fā)使近地面鹽分富集，高鹽分含量加速了酥堿帶的形成。地氣平均日波動上升高度就是酥堿帶形成高度。酥堿帶高度與包氣帶厚度、海拔和大氣波動幅度成正比，與當?shù)貧鈮撼煞幢?。同時與大氣壓波動頻率、天氣過程、墻體厚度、透氣性、溫度等有重要關(guān)聯(lián)，它們對酥堿帶形成和高度有重要影響。基于地氣活動理論的酥堿形成新機制的揭示為建筑防潮、土遺址保護、古建維修提供了新的科學(xué)依據(jù)。