重庆合川钓鱼城古战场遗址砂岩风化试验研究

严绍军，何　凯，孙　鹏，窦　彦，陈嘉琦

(中国地质大学(武汉)工程学院，武汉　430074)



重庆合川钓鱼城古战场遗址砂岩风化试验研究

严绍军，何凯，孙鹏，窦彦，陈嘉琦

(中国地质大学(武汉)工程学院，武汉430074)

为了解重庆合川钓鱼城古战场遗址砂岩风化现状，保护文化遗址、风景名胜及周边居民和游客的安全，根据钓鱼城所处的地质环境划分了文物本体区的地层，进行区域地表与地下水的水质分析，同时对第⑥层上、下不同深度的地层取岩芯进行半定量的XRD矿物测试及X荧光化学成分测试。由于文物本体主要赋存于第⑥层砂岩，因此对该层不同位置砂岩的风化部位取样，并进行相关测试及综合比较。结果表明：风化样中石英及方解石含量较岩芯样增多，长石含量不同程度降低及石膏等可溶盐对岩石的片状风化有一定的作用。

砂岩风化；钓鱼城；水质分析；半定量的XRD矿物测试；X荧光化学成分测试

1　研究背景

重庆合川钓鱼城始建于南宋淳祐三年(公元1243年)，由东到西约0.8 km，面积2.5 km2。城垣依山势起伏而筑，多以悬崖为屏障，崖高十几米至几十米不等。钓鱼城有始关门、护国门、小东门、东新门、青华门、奇胜门、出奇门、镇西门，历史遗存丰富[1]。钓鱼城遗址具有重要的文化、历史和军事意义，于1961年被列为省级文物保护单位，1982年10月28日被国务院列为全国重点风景名胜区，1996年11月20日被国务院公布为全国重点文物保护单位，2010年10月9日被列入国家文物局公布的“第一批国家考古遗址公园立项名单”，2012年10月22日被列入国家文物局公布的“中国世界文化遗产预备名单”。景区一角照片如图1所示。

图1　景区一角Fig.1　Scenic spot

如今对于石质文物出现的病害及保护的重要性，引起了国内外学者广泛关注，并开始针对砂岩风化特征进行了研究，如周文静等[2]从酸性气体排放、温度效应和水体污染3个方面阐述了环境污染加剧对石质文物风化的影响和作用机理；王时伟等[3]以石质文物保存现状的科学评价和对文物所处环境、石材本体材料与风化产物进行采集与分析为基础，科学地分析其病害类型、产生原因及发展的影响因素，并根据病害及各种影响因素提出相应的治理对策，进行保护材料及其工艺的试验室模拟研究，找出适合故宫石质文物特点的保护材料；张卫中等[4]以不同风化程度的砂岩作为研究对象，通过力学试验论证随风化程度的增加，砂岩的摩擦角增大，黏聚力减小，力学强度逐渐降低；冯楠等[5]介绍了环境因素中可溶盐对石质文物原貌结构的破坏和加剧砂岩的风化作用。

近年来，由于人为和自然环境因素的作用，使得文物本体砂岩风化及裂隙发育特别严重，引起遗址区的崩塌、危岩体、滑坡等地质灾害。本文着重分析了研究本体的地层及区域地下水文化学成分，借助X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)矿物测试和X荧光化学成分试验，研究影响砂岩风化的因素及对比风化前后矿物成分及胶结物的变化，从而对文物保护提出更为合理的措施。

2　钓鱼城地层及水文条件

2.1钓鱼城文物本体区地层划分

根据资料收集、野外地质测绘和钻探揭露可知，遗址区地层可划分为以下6层：

第①层，泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，厚度大，易崩解，岩芯呈短柱，形成缓坡地貌；第②层，中粒岩屑石英砂岩，巨厚层，岩芯呈长柱状，风化颜色加深为灰红色；第③层，泥岩与粉砂质泥岩互层，较坚硬，易风化，岩芯呈短柱状；第④层，上段为中风化、强风化的泥质砂岩，岩芯呈短柱状，较破碎，下段为微风化的长石石英砂岩，岩芯呈长柱状，较坚硬，地形上构成护国门所处的砂岩陡坎；第⑤层，泥岩，岩芯呈短柱状，空间分布不稳定；第⑥层，巨厚层的细粒石英砂岩，钻孔岩芯多呈短柱状、长柱状，中部夹紫红色的泥岩。

表1　水质简分析成果

表2　岩石的物理力学试验成果

2.2地下水水文地质特征

遗址区含水层特征主要为松散土层孔隙水和砂岩裂隙水，分别在嘉陵江、卧佛处的裂隙水及卧佛顶部池塘取样，进行水质分析[6-8]，结果见表1。

从测试结果可以看出，研究区水体主要为HCO3—Ca水，水体对建筑材料无腐蚀性。地下水为卧佛顶部池塘(天池)水，主要来源于降雨和人工抽取的江水补给，其矿化度最低，而卧佛处泉水流经岩石后，矿化度稍高。另外，虽然从测试结果看，水体的pH值为6.58～6.71，基本呈中性，但研究区地表与地下水均含较高含量的硫酸根离子，这表明研究区受一定程度酸雨影响。较高的硫酸根、氯离子将有利于在岩石表面形成可溶盐，如芒硝、泻利盐及石膏等，导致文物本体表面出现片状开裂、粉状脱落。

3　岩石性质及化学成分试验

3.1岩石物理力学性质

本次调查布置了3个钻孔，钻孔位置分别为一号天池(奇胜门上方)、王坚记功碑附近及顶部九口锅遗址西，分别重点采取第②层、④层、⑥层砂岩，并采取了部分泥岩样品，在室内进行试验[9-11]。如表2所示，测试结果表明：砂岩结构致密，吸水性一般，天然密度为2.28～2.47 g/cm3，饱和密度为2.41～2.52 g/cm3，砂岩强度较大，表明景区内钻孔岩芯样受到的风化程度影响较小。

3.2砂岩化学成分

由于第⑥层是研究区文物本体重点分布区域，包括顶部的九口锅遗址、软弱夹层上唐宋造像与题刻、软弱夹层下方护国门、郭沫若题刻等均位于该层，同时也是危岩体、崩塌等地质灾害发生最多的地方，故有必要对该层砂岩的化学成分进行重点探究。对第⑥层砂岩取岩芯进行半定量的XRD矿物测试[12-13]，测试结果如表3及图2，说明砂岩中的矿物成分以碎屑物质石英为主(石英抗风化能力较强)，其次为长石，黏土矿物含量偏低。

表3　岩芯样XRD矿物成分分析成果

注:2θ为衍射角图2　岩样的XRD矿物成分分析测试成果Fig.2　Test results of XRD mineral composition analysis of samples

所处地层取样位置化学成分含量/%SiO2Al2O3TFe2O3MgOCaONa2OK2OTiO2P2O5MnOH2O-烧失量/%⑥下砂岩下部22m68.2310.052.591.596.162.431.570.510.120.080.346.24⑥下砂岩下部19m68.5110.352.651.925.412.531.650.510.120.080.362.90⑥上砂岩下部3m71.728.711.811.305.832.261.100.380.090.060.346.28⑥上砂岩上部1.5m70.799.472.291.595.572.211.320.350.070.060.586.20

对第⑥层的上、下层不同深度的岩样进行了X荧光化学成分测试[14]，表4为X荧光化学成分分析结果。由表可知，岩样的主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3。说明始关门及九口锅岩体的化学成分以硅铝质为主，砂岩钙质含量较高，泥岩铁质含量较高。烧失量为2.90%～6.28%。

3.3文物本体砂岩化学成分

由于遗址核心区内的重要文物多赋存于第⑥层砂岩处，因此，对该层砂岩的风化部位取样并进行半定量的XRD矿物测试和X荧光化学成分分析，取样位置如表5，XRD矿物成分分析成果如表6，风化样测试成果如图3所示。

表5　风化样取样位置

表6　风化样XRD矿物成分分析成果

DYC-2，DYC-6取自同一位置，DYC-2为片状脱落后岩石表面的粉末状风化样，DYC-6为风化片状脱落体本身。通过测试结果可以看出，两者的矿物成分有一定的区别，DYC-6中不含石膏，石膏的形成可能是因为空气中二氧化硫与钙质物质发生反应，生成硫酸盐，并在岩石表面富集，也造成DYC-2中方解石含量降低。总之，石膏对岩石的片状风化可能有一定作用。

结合岩芯样的化学分析成果(表7)可知，风化样中二氧化硫以铁作为中介，反应生成硫酸盐，受雨水冲刷而流失，造成铁质胶结物减少，TFe2O3含量降低；SiO2不易风化，在原地富集，其含量增多，因此石英含量增多；氧化钙含量增多，可能是从其它地方冲刷堆积而来。风化样在一定程度上受到环境污染影响。岩石的化学成分分析结果与XRD矿物分析成果基本一致。

图3　风化样XRD测试成果Fig.3　Results of XRD test for weathered samples

样品编号化学成分含量/%SiO2Al2O3TFe2O3MgOCaONa2OK2OTiO2P2O5MnOH2O-烧失量/%DYC-161.335.990.850.6811.771.661.210.160.0350.0622.6410.52DYC-271.838.271.671.215.612.171.190.340.0780.0520.806.44DYC-365.996.310.710.6512.041.721.310.120.0300.1100.5610.60DYC-455.545.560.810.7313.441.530.970.140.0460.0594.4412.20DYC-563.848.071.861.417.482.061.240.300.0740.0392.908.22DYC-672.887.761.481.066.152.061.040.320.0720.0600.526.56

4　砂岩风化成因分析

结合研究区地下水的化学成分分析、XRD矿物测试及X荧光化学成分分析等，可以发现直接暴露于空气中的文物表面砂岩更容易受到外界环境因素的影响而破坏，具体表现为强度降低，石英和方解石含量增多，长石含量减少，出现石膏等中溶盐，泥质、钙质胶结物的成分含量降低等。为了更好地保护文物本体，降低砂岩的风化程度，可以采用以下几种措施：

(1)大型珍贵文物顶部可以设置屋檐，降低阳光的暴晒和降雨的洗刷。

(2)对于砂岩文物内的裂隙进行防渗加固，减小含硫酸盐的地表水和地下水的渗入和维持文物本体整体的稳定性，避免垮塌、崩落。

(3)从文物四周自然环境着手，提倡人与自然和谐相处的生活准则，以可持续生态发展的理念来调整人类的生产、生活。

5　结　论

(1)研究区地表与地下水中含较高含量的硫酸根离子，易在岩石表面形成可溶盐，导致文物本体出现片状开裂、粉状脱落等现象。

(2)风化后的砂岩石英和方解石含量增多，长石减少，出现石膏。可以推测本体风化与盐类富集密切相关，而控制盐的形成一个关键因素在于对地下水返潮的控制。

(3)岩石中碳酸盐胶结物的流失是风化的一个重要因素，碳酸盐岩对酸非常敏感，因此，对于遗址区文物本体直接暴露于降雨、表面流的部位，应该及时采取措施予以应对。

(4)评价钓鱼城遗址区岩石的风化指标可以使用SiO2和Al2O3含量比来建立，而TFe2O3含量绝对值的变化也值得关注。

[1]王毅.钓鱼城与重庆旅游文化资源[J].重庆建筑大学学报(社科版),2000，(1):51-54,90.

[2]周文静,潘辰,连宾.环境污染加剧石质文物风化——机理、过程及防护措施[J].地球与环境,2013,41(4):451-459.

[3]王时伟,朱一青，韦庆林.故宫室外石质文物保护研究[C]∥中国文物保护技术协会.中国文物保护技术协会第七次学术年会论文集.北京：科学出版社，2012：214-219.

[4]张卫中,陈从新,余明远.风化砂岩的力学特性及本构关系研究[J].岩土力学,2009,30(增1):33-36.

[5]冯楠,王蕙贞,宋迪生.环境因素对露天石质文物的危害——以集安市高句丽王城、王陵和贵族墓葬为例[J].边疆考古研究,2010,(1):316-324.

[6]白玉娟,殷国栋.地下水水质评价方法与地下水研究进展[J].水资源与水工程学报,2010,21(3):115-119,123.

[7]吴彭令,李鸿生.地下水水质分析质量控制(Ⅱ)[J].上海地质,1993,(3):44-49,63.

[8]杨军生.太原市地下水水质分析评价[J].地下水,2005,27(2):107-109.

[9]孟召平,彭苏萍,张慎河.不同成岩作用程度砂岩物理力学性质三轴试验研究[J].岩土工程学报,2003,25(2):140-143.

[10]方云,乔梁,陈星,等.云冈石窟砂岩循环冻融试验研究[J].岩土力学,2014,35(9):2433-2442.

[11]黄理兴.类砂岩物理力学特性的试验研究[J].岩土力学,1994,15(1):28-33.

[12]戴立民.浅谈岩石矿物分析的基本流程[J].科技创新与应用,2013,(18):108.

[13]邱海鸥,郑洪涛,汤志勇.岩石矿物分析[J].分析试验室,2014,(11):1349-1364.

[14]王卓.能量色散X荧光仪在空气颗粒物成分分析中应用研究[D].成都：成都理工大学,2013.

(编辑：占学军)

Experimental Study on Sandstone Weathering in the Ancient BattlefieldRelics of Fishing Town in Hechuan District of Chongqing

YAN Shao-jun,HE Kai，SUN Peng,DOU Yan,CHEN Jia-qi

(Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan430074,China)

Fishing Town in Hechuan District of Chongqing，as an ancient battlefield,has important cultural,historical and military values.In order to avoid geological disasters,protect cultural relics and scenic spots ,and make sure the safety of surrounding residents and tourists,we should research the features of sandstone weathering of this site.According to the geological environment of Fishing Town,we divided rock mass of the cultural relics into 6 layers,and analyzed the water quality of surface water and groundwater of the area.Meanwhile ,we obtained rock coring samples at different depths of stratum No.6 and conducted half quantitative X-ray diffraction(XRD)test and X fluorescence chemical composition test.Since the cultural relics were mainly found in sandstone stratum No.6,we carried out identical tests of weathered samples at different positions of this layer,in association with analysis data and comprehensive comparison.Test results show that the contents of quartz and calcite in weathered samples are larger than those in rock core samples; moreover,reducing of feldspar content at different degrees and soluble salts such as gypsum play a significant role in rock flake weathering.

sandstone weathering;Fishing Town; water quality analysis; half quantitative XRD test; X fluorescence chemical composition test

2015-06-17;

2015-07-13

严绍军(1973-)，男，四川绵竹人，副教授，博士，主要从事岩土文物保护和地质工程等方面的研究，(电话)18971675062(电子信箱)Shaojuncug@qq.com。

何凯(1991-)，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事地质工程和岩土文物保护工作研究，(电话)13871321384(电子信箱)1240029447@qq.com。

10.11988/ckyyb.201505072016,33(08):100-104

TU451

A

1001-5485(2016)08-0100-05