四川广元千佛崖石窟造像表面风化的环境地质问题分析

宗静婷,王淑丽,张忠永

(1.西安文理学院旅游与环境系,陕西西安710065;2.西北大学地质学系,陕西西安710069; 3.西北有色地质研究院,陕西西安710065;4.西北有色地质勘查局,陕西西安710061)

0 引言

石窟造像是一种精细的艺术,风化作用从其表面细微处毁损,使其缓慢破坏却无法逆转,造成造像失去本真色彩乃至科学艺术价值[1-4]。广元千佛崖摩崖石窟是中国首批文物保护单位,赋存于四川省广元市城外的陡峭岩壁上,历经百年沧桑,季节交替,风雨剥蚀,多一半已经脱落无存或残缺不全,汶川5·12特大地震后,保护和修复愈显重要。

从环境地质角度来研究石质文物破坏与保护是一个趋势,也是由摩崖造像的特性决定的。摩崖造像雕刻在石壁上,而岩石材料是地质作用的产物,岩石的变形和破坏不但与岩石的复杂成因和结构密切相关,而且还受温度、围压、孔隙水等环境因素影响[5-11]。因此,对摩崖石质文物风化病害机理的分析应当对地质与环境进行勘察,了解它所依存的岩石与当地环境因子的关系,分析环境条件对岩石风化的影响。从窟室内外温湿度变化、造像岩体温度变化、造像岩石渗水性和岩石学特征的角度对千佛崖石窟造像表面风化现象进行详细勘察并分析风化形成机理,为石质文物的保护提供科学依据。

1 环境因素

温湿度是影响石窟造像风化的主要环境因子。为了解广元千佛崖窟室内外温湿度和窟龛岩壁表层温度的变化,在岩壁表层和窟龛内外均做了温湿度的原位测试。

1.1 窟室内外温湿度测试

本次勘察在206窟、308窟、400窟、512窟、744窟等5个窟室放置高级WS2020温度和湿度计,每天8:00、13:00、20:00各观测一次。测试结果表明:底层洞室温度较大,当窟室进深较大时,内外温度相差2℃～4℃,湿度相差10%～20%;湿度大,在温度下降时会形成凝结水(图1、2)。

1.2 岩体受日照温度变化测试

图1 2009年7月窟室内外温度变化Fig.1 Changes of Temperature of G rotto Inside and Outside in July,2009

图2 2009年7月窟室内外湿度变化Fig.2 Changes of Humidity of G rotto Inside and Outside in July,2009

本次勘察在柏堂寺左上方岩壁钻微型孔5个,深度分别为20、40、60、80、200 mm,通过TP3001多功能高稳定性高准确度温度计测孔底温度,测试结果表明:0～40 mm深的温度变化与孔外温度较为接近,相关度较高;40～80 mm深孔底温度维持在28.8℃左右,变化较小;孔深大于或等于200 mm的孔底温度不受外界温度影响。

1.3 岩面和文物本体温度测试

本次勘察采用DT8380红外线温度测试仪先后对岩石不同部位和大小不同文物表面进行温度测试。测试结果表明:岩石不同角度温度不同,相差1℃～3℃;有地衣藻类植物处,温度较低;体积小的文物升温较快,其温度比体积大的文物的温度高2℃～4℃;文物本体中,手肢处温度高于躯体;洞室进深浅的文物比进深大的文物温度高。

2 千佛崖岩石原位水和渗水实验

2.1 岩石自然状态下水渗透性原位实验

本次勘察于保护区内采取同类岩块1件,尺寸为350 mm×400 mm×400 mm,并将样品放在室内风干 3 d,然后在岩层顶面用橡胶泥围成一个200 mm×200 mm渗水坑,在坑中注碱性水溶液约5 mm深(相当于中雨),2 h后切开岩石检查水渗透深度,实验结果为20 mm/h。可见千佛崖岩层表层吸水渗透性较强,水对岩层影响较大。

2.2 渗水影响的红外热成像法实验

为了调查千佛崖石窟造像病害对水的依赖关系,选择千佛崖308窟、411窟以及689窟等,采用NECTH7700SP红外热像仪进行全面热成像检测(图3)。检测日期为2008年9月 8日15:00至16:30,气象条件为雨后初晴。

从红外检测图像可以看出,造像及窟龛岩石的含水率与佛像的损害程度呈显著对应关系,损害程度高的地方含水率高。但308窟佛像损坏最严重的部位,红外检测显示其含水率反而不高;现场勘察分析发现,这些部位已经严重风化酥粉,大小裂隙纵横分布,岩石疏松,雨水很快进入岩石内部,因此表面水分反而较小。411窟佛像左手的净瓶容易受雨淋,其含水率明显偏高,这个部位的损坏也明显严重得多;689窟内顶部有一较大的横向裂隙,水沿裂隙下渗,使窟内正面岩体表面含水率要高很多,底部角落出现积水坑,因此越靠底部含水率也越高。

3 千佛崖石窟造像岩石特征

3.1 千佛崖岩石落片偏光显微镜鉴定

在千佛崖岩体风化剥落的残块表面和石块中分别采集了2个风化层样品(样品1和2)和2个岩芯样本(样品3和4),运用LEICAMPS 60偏光显微镜进行岩相分析(图4)。

图3 不同窟的含水率分布Fig.3 Distribution of Water Moisture in Different G rottoes

结果表明:风化层样品呈黄褐色、砂状结构、块状构造、质地疏松。砂屑粒径0.2～0.5 mm,主要物相成分为长石、岩屑、石英、黑云母等;颗粒支撑,颗粒之间及空隙内胶结物为氧化铁和黏土矿物。

岩芯样品分析表明:岩芯呈土褐色、砂状结构、块状构造。碎屑粒径0.1～1.2 mm,碎屑体积分数约95%,以长石、岩屑、石英、黑云母等为主。胶结物主要为氧化铁质和泥质,四壁常见铁质膜。

3.2 千佛崖岩石落片矿物组分X衍射分析

对千佛崖岩体采样用D/MAX-rA-X衍射仪进行矿物成分测试,利用衍射峰强度值查JCPDF卡片进行物相鉴定,通过强度值、峰位和峰宽计算物相的含量,结果与偏光显微镜鉴定结果相符。风化层样品矿物平均体积分数为:石英67%、斜长石17%、正长石5%、伊利石3%、蒙脱石3.5%、硬石膏2%、绿泥石1.5%,其他未检出1%;岩芯样品矿物平均体积分数为:石英72%、斜长石12%、正长石8%、伊利石3%、蒙脱石3%、硬石膏1%,其他未检出1%。X衍射分析图谱见图5。

3.3 可溶盐离子分析

图4 样品的偏光显微镜岩相照片Fig.4 Photos of Lithofacies of Samples with Petrographic Microscope

多数岩壁、窟龛及造像表层都有可溶盐的浸润,使表层酥碱、沙化以及彩绘粉化等(图6、7),是造成岩壁龛窟造像病害最常见和最主要的原因之一。对千佛崖石窟像区可溶盐的种类及分布情况进行调查分析,在千佛崖的不同部位分别采集石材表面风化粉样,检测其中可溶盐含量,样品采集点位及阴、阳离子的分析结果见表1。

表1表明,千佛崖窟的可溶盐离子主要有Na+、K+、Mg2+、Ca2+5种阳离子以及 F-、Cl-种阴离子 。从333窟和崖壁一层不同高度可溶盐的分布可以看出,阳离子主要以Ca2+、Mg2+含量相对较高,阴离子以含量为最高,其他离子的含量均比较低。结果表明,千佛崖石窟的可溶盐主要以硫酸盐和硝酸盐为主。

4 石窟造像表层风化病害分析

4.1 温度影响

通过实验测试数据可以看出,石窟造像表层温度随气温的变化显著。夏天千佛崖气温达35℃～36℃,遭曝晒的石雕,表面温度达50℃～60℃,特别是那些没有生物体覆盖、易被晒透的小型佛像和佛像手指等与外界多方位接触的部位,温度会更高。而暴雨过后,温度急剧下降,岩石膨胀产生的挤压力和冷却收缩产生的拉力会产生破坏作用,在石窟造像表面形成微裂隙;同时,暴雨面状流动和线状流动都具有强大冲刷能力,降雨强度越大,冲刷岩壁表层的微裂隙越强,在温差反复变化和晴雨交替过程中,微裂隙逐渐增多增大,那些温度稍高的棱角部位和小型造像,风化速度要明显快于其他部位,就会出现疏松、起壳、鳞片剥落等病害现象。

4.2 水-岩相互作用的风化破坏

千佛崖岩石具有很强的吸水性,水对千佛崖造像的毁坏主要表现为可溶盐离子表聚、彩绘层空鼓、酥碱、沙化和色素粒子沿微裂隙锈染等,使造像失去原真。

4.2.1 水合压力和结晶压力

影响千佛崖造像表层侵蚀的因素除了降雨就是凝结水,广元地区降雨量大特别是夏秋季节,降雨过后空气湿度也增大,早、晚就会在窟室内造像表面凝结,水沿微裂隙下渗,岩石中的膨胀性矿物遇水膨胀,如硬石膏水化成石膏时,体积增大31%,同时产生0.15 MPa的膨胀压力[1];蒙脱石吸水后体积可膨胀10～30倍[2]。破坏石刻岩体颗粒间的连结和岩石表层与里层的连结,使造像表层疏松产生裂缝,最终导致岩壁表层孔隙、空穴起壳剥落等。

4.2.2 水化学作用-可溶盐离子形成

千佛崖岩石成分中含有较多的斜长石、钾长石、云母等易水合水化作用的矿物,在水以及水中溶解的SO2、NO2等酸性成分的作用下(式(1)、(2)),水化作用的速度会加快,形成可溶盐性阳离子 K+、Na+、Ca2+、Mg2+以及阴离子 SO2-4、NO-3等,这些可溶盐离子溶出后,表层岩石成分遭到破坏,岩石内部结构疏松,特别是其中的Fe2+氧化后,会形成锈染,导致造像沿裂隙变色。

4.2.3 可溶盐离子活动规律

图5 岩石样本X衍射分析图谱Fig.5 X-ray Diffraction Patterns of Rock Samples

图6 400窟顶的盐类结晶Fig.6 Salt Crystallization on the Ceiling of G rotto 400

图7 689窟造像的盐类结晶Fig.7 Salt Crystallization on the Statues of G rotto 689

研究表明水诱发酥碱的机理是一种单纯的物理过程[3]。当岩体中有水的运动,岩体以及地下水中的可溶盐会随着毛细水的上升移动到石窟造像表层而结晶,但是蒸发又促使毛细水不断上升,当水分再经过表层时这些盐又重新溶解并随着水分的迁移而迁移。千佛崖上、中部的岩壁、龛窟和造像受雨水漂淋的部位,可溶盐流失,而在雨水汇集部位,水分蒸发后可溶盐富集在表层。千佛崖底层部位以及水泥栈道以上部位,往往是以降雨积水及地下水的影响为主,可溶盐会随着毛细水的上升移动到岩壁、龛窟和石窟造像的表层并结晶。当再一次的雨水漂淋或冲湿表层时这些盐又重新溶解并随着水分迁移,即岩石表面的盐常常处于“溶解→结晶→再溶解→再结晶”的过程。溶解-结晶使石质体积发生膨胀,缓慢的侵蚀造像,最终导致造像表层疏松脱落,对文物本体造成病害。

5 减缓石窟造像表面风化的措施

减缓广元千佛崖石窟造像表面温差风化的破坏效应,可以在窟龛上面加盖窟檐。这种窟檐既可减少阳光对石窟造像的直射,改变石窟造像随气温的变化速度和频率,又可减少雨水对石窟造像表面的直接漂淋。针对窟龛的顶部渗水,在崖顶开挖排水沟槽,使大气降水能够迅速通过排水沟槽疏干。针对立面坡表面存在的一些水量集中并且流经窟龛的现象,宜适当改造微地形,在局部适当刻槽或修建小挡水坎,将水流引导到窟龛之外,减少水岩作用的时间。

表1 千佛崖风化层可溶盐阴阳离子质量分数Tab.1 Mass Fraction of Anion and Cation of Soluble Salts in the Weathering of Qianfoya

6 结语

(1)广元千佛崖石窟造像温度在表层40 mm内的变化与外界气温变化相关性很高,特别是阳光直射的部位以及窟室浅的石窟造像和小的石窟造像温度变化较快,热胀冷缩的频率和幅度均大于进深大的石窟造像,岩石膨胀产生的挤压力和冷却收缩产生的拉力会在石窟造像表面形成微裂隙,更有利于温差风化作用。

(2)千佛崖风化层孔隙率和疏松程度均高于岩芯层,岩石吸水性和透水性均高,雨水和凝结水均能从表层进入造像内部,有利于水-岩相互作用,吸水性相对高的地方风化严重。

(3)可溶盐离子沿岩石裂隙和孔隙在毛细作用下从内部迁移于表层,并在表层反复发生“溶解→结晶→再溶解→再结晶”过程,造成造像表层酥碱、粉化、结壳和色素粒子锈染等。

(4)广元千佛崖石窟造像表面风化的保护可采取在石窟造像上面加盖窟檐以降低石窟造像表面温差变化和雨水的漂淋入渗,同时采取疏排水措施防止水从地面下渗到石窟造像和流进窟室,改变石窟造像的小环境,达到减缓风化的目的。

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