高原大温差环境下西藏岩画风化试验研究

叶唐进 安 阳 张永昇 顾学颖

（西藏大学工学院 西藏拉萨 850000）

高原大温差环境下西藏岩画风化试验研究

叶唐进 安 阳 张永昇 顾学颖

（西藏大学工学院 西藏拉萨 850000）

西藏地区拥有非常丰富的露天岩画文物。由于露天岩画日晒雨淋，并受到冻融循环、盐风化及热力风化等作用，岩画受到损坏。文章通过对西藏岩画样品，在室内进行冻融循环试验、波速测试和单轴压缩试验，得到了岩画风化的主要成因、风化速度及风化机理。

岩画；风化机理；风化速度；冻融循环

引言

西藏是藏传佛教圣地，板岩和花岗岩上刻画各种经文和佛像的现象较为常见。在海拔高、紫外线辐射强、昼夜温差大、反复冻融循环破坏严重及盐害作用明显的西藏高原露天环境，各种风化作用较为强烈，岩画不断受到侵蚀损坏。从图1可看出，岩画风化受损，佛像已经模糊不清；从图2可清晰看到岩画发生鳞片状剥落较为严重，尤其是1#、2#和3#部位，岩画损坏较为突出，导致岩画表面图像难以辨识。

关于岩画风化的研究，张晓霞[1]在贺兰山岩画风化状况调查中，对岩画附近岩石进行劈裂、单轴、三轴及剪切力学试验并进行X射线、电子显微镜扫描，得到温度变化、风沙剥蚀使岩石表面疏松多孔、风化严重的结论。郭宏等[2]对花山岩画的保存现状和环境温湿度及风速风向进行了调查，运用XRD分析、偏光显微分析和化学全分析，指出岩画物理风化的最主要原因是高湿度环境，风向、风速、光辐射、温差为次要因素。丁梧秀等[3]对龙门石窟围岩的风化特征和风化作用进行了调查研究，认为研究区对岩画的破坏以热胀冷缩、冰劈作用的物理风化和根劈作用的生物风化为主，化学风化影响相对较小。

这些研究虽然取得了一定的成效，但对于西藏的高海拔、昼夜温差、紫外线、反复冻融循环及盐害作用对岩画风化的影响方面的研究，目前无人涉及。因此，本课题采用实地风化状况调查并在实验室对岩样进行冻融循环试验、波速测试和单轴压缩试验，分析了西藏岩画风化的主要因素、风化速率及风化机理。

图1 风化的岩画照片

图2 风化剥蚀的岩画照片

1 试验方法

1.1 试验方案设计

岩画属于室外不可移动的石质文物，基本都是就地或就近取材经过雕琢而成。岩石的力学性质是由组成岩石的成分、裂隙、结构层理和赋存条件等所决定，因此不同岩石的力学强度相差较大。岩石矿物成份及性质、裂隙以及结构面的断裂程度在某些自然因素作用下会继续发育、逐步扩大，导致岩石的力学性质变弱[4]。因此，本文采用冻融循环机对样品进行加盐冻融循环不同次数，运用CTS-25型非金属超声波检测仪测试样品的波速，采用SANS微机控制电液伺服万能试验机进行单轴压缩试验，测试样品的力学性能。

1.2 试样制备

西藏岩画几乎都刻画在花岗岩和板岩之上，因此在岩画附近选取花岗岩和板岩相似的石材，在实验室内用钻孔取芯机制作试样。标准样品尺寸为：高×直径=100mm×50mm,完全满足《工程岩体试验方法标准》规范要求L(高度)：D(直径)=2：1的试样尺寸要求。将花岗岩编号为A系列，板岩编号为B系列，A、B系列各5组，每组各3种样品，共计30种样品。

冻融循环试验是通过控制岩体所处环境温度，反复进行冻结和融化，模拟试样在天然气象条件下发生的冻融过程。根据西藏多年最高气温（29.4℃）和最低气温（-16.5℃），确定样品冻融循环试验的冻融温度分别为30℃和-20℃。将样品在蒸馏水和NaCl溶液中浸泡饱和后进行冻融循环，先冻12h，再融12h。如此反复冻融不同次数，再测试其波速和力学性能，具体冻融试验方案见表1。

表1 冻融试验方案

1.4 波速测试试验

图3 声波测试示意图

1.5 单轴抗压强度试验设计

单轴抗压强度是指岩石试样抵抗单轴压力时保持自身不被破坏的极限应力，是岩石力学最基本的指标之一[6]。为了分析试样经过冻融循环后的力学性能，文章采用单轴压缩试验测试样品的单轴抗压强度，运用SANS微机控制电液伺服万能试验机，采用位移控制的加载方式，加载速率为0.002mm/s，垂直方向最大载荷1000KN，垂直方向最大位移5mm，水平方向最大位移2.5mm。单轴抗压强度试验见图4。

2 数据分析

2.1 波速的变化

根据超声波测试数据，得出花岗岩和板岩各试样冻融不同次数的波速和波速差，见图5。

从图5可以看出，板岩和花岗岩冻融后的波速比冻融前的波速明显降低，冻融次数越多，波速差就越大。盐水饱和浸泡冻融后的波速比蒸馏水饱和浸泡后的波速低，板岩冻融前后的波速差值比花岗岩冻融前后的波速差值低。表明，冻融循环及其次数、是否浸泡盐水、岩性等对样品的波速均有较大影响，在同等工况条件下，花岗岩比板岩波速下降快。

以学生为中心的教学改革是教育思维模式的颠覆性变革，“关键是将教与学的重心真正地转变到以学生为中心的教育上来，实现从以教为中心到以学为中心的转变”［1］。把这一理念落实到教学实践中并不是一件容易的事，这既涉及到教师的教学习惯，又与学生的学习习惯有关。就教学本身的目的而言，这一理念也应运用于指导成人教育。我们这里提出的“以学习者为中心”，不仅强调在教学中要以学生为中心，更要明确指出，教育教学的一切工作都要以学生为中心，真正地把提高学生的核心能力作为成人教育的中心任务。

图4 岩心单轴抗压试验照片

图5 花岗岩和板岩冻融前后波速及波速差

图6 花岗岩风化等级图

图7 板岩风化等级图

2.2 风化等级分析

式中VP0为新鲜岩石纵波速度（m/s）；VP为风化岩石纵波速度（m/s）。根据《岩土工程勘察规范》得出西藏岩画在各种工况下的风化等级。

花岗岩和板岩各组试样经冻融循环试验后风化等级见图6和图7。

根据图6可得，花岗岩试样在冻融30次和60次情况下，浸泡盐水比浸泡蒸馏水的风化等级高，表明在冻融循环中岩石内部盐分将加深花岗岩风化程度，加快风化速率。试样在浸泡蒸馏水条件下，冻融30次与60次后风化等级差别不大；在浸泡盐水条件下，冻融30次与冻融60次后风化等级差别也很小。这并不表明冻融60次与30次岩石内部劣化效果是一样的，恰恰说明了岩石内部结构劣化的加深。究其原因是试样内部的微裂隙和孔隙中的水冻结成冰充满空腔，产生巨大的冻胀力，使部分微裂隙和孔隙随着冻融次数的增加逐渐扩大、贯通。因超声波在水中传播速度约为1450m/s，大于空气中340m/s的传播速度，冻融60次与30次的风化等级差别反而不大[8]。

从图7可看出，板岩试样在冻融30次和60次情况下，浸泡盐水比浸泡蒸馏水风化等级要高，风化速度更快，表明盐分在板岩冻融过程中加剧了风化作用。板岩试样在浸泡蒸馏水条件下，冻融60次与30次风化等级差别不大；在浸泡盐水条件下，冻融60次与冻融30次风化等级相差较小，究其原因是与花岗岩冻融循环情况相似、原理相同。

2.3 单轴抗压强度分析

通过试验，将两类岩石各组3个岩样的单轴抗压强度取平均值。两类岩石各组试样单轴抗压强度见图8。

图8 花岗岩和板岩单轴抗压强度平均值

根据图8可以看出，花岗岩和板岩在未经冻融循环试验时抗压强度最大，分别为29.25Mpa和12.93Mpa；经过冻融循环后抗压强度逐渐减小，表明冻融循环及其次数对岩石的风化破坏十分显著。试样分别在浸泡蒸馏水条件下冻融30次、浸泡盐水条件下冻融30次、浸泡蒸馏水条件下冻融60次、浸泡盐水条件下冻融60次之后，单轴抗压强度逐渐减小，但减小幅度较小。表明随着冻融循环次数增加，岩石的风化破坏程度逐渐加深。同时，浸泡盐水加剧岩石强度的减小。

从图8可以看出，板岩的单轴抗压强度普遍比花岗岩小，这是由花岗岩和板岩的岩性决定的。花岗岩和板岩经过同等条件冻融循环试验后，花岗岩单轴抗压强度减小幅度比板岩大，表明在相同的环境下花岗岩的风化速率较板岩快。

3 结论

通过对西藏岩画风化现状调查，采用冻融循环、超声波测试以及单轴压缩试验，对岩画风化机理及风化速率进行了分析。主要结论如下：

①冻融循环及次数是岩画风化的主要作用因素，盐分的存在加剧了风化速度。

②在同等冻融循环条件下花岗岩比板岩风化速率快，且与两种岩石的岩性及结构面等特性有关。

[1][4]张晓霞.贺兰口岩画风化机理研究及其保护材料探索[D].银川：宁夏大学,2014.

[2]郭宏,韩汝玢,黄槐武,等.广西花山岩画物理风化机理及其治理[J].文物科技研究,2004(00)：97-106.

[3]丁梧秀,陈建平,冯夏庭,等.洛阳龙门石窟围岩风化特征研究[J].岩土力学,2004,25(1)：145-148.

[5][8]苏伟.冻融循环对岩石物理力学性质及边坡稳定性影响的研究[D].长沙：长沙矿山研究院,2012.

[6]周宇翔.西藏高海拔地区冻岩冻融循环过程中劣化规律研究[D].成都：西南交通大学,2015.

[7]孟田华.云冈石窟风化的综合分析研究[D].北京：中国地质大学,2014.

Study on theweathering testof rock paintingsunder the large temperature variation in the Tibetan Plateau

Ye Tang-jin An Yang Zhang Yong-sheng Gu Xue-ying
(SchoolofEngineering，TibetUniversity，Lhasa850000，Tibet)

There aremany open rock painting cultural relics in Tibet.The rock painting have being damaged constantly in Tibet due to the effect of the sun and rain,freeze-thaw cycles,salt and thermalweathering.The main causes ofweathering rockpainting,weathering speed and weatheringmechanism were obtained by field investigation,the freeze-thaw cycle test,wave velocity testand uniaxial compressive test.

rock painting;weatheringmechanism;weathering speed;freeze-thaw cycle

10.16249/j.cnki.54-1034/c.2016.02.005

O347

A

1005-5738（2016）02-031-006

[责任编辑：索郎桑姆]

2016-07-15

2016年度西藏自治区自然科学基金项目“基于西藏高原大温差环境下不同岩石类型石质文物（岩画）的风化速率及风化机理研究”（项目号：2016ZR-15-7）；2015年度西藏自治区大学生创新性实验训练计划项目“西藏岩画的风化速率和风化机理研究”（项目号：2015QCX029）阶段性成果。

叶唐进，男，土家族，贵州铜仁人，西藏大学工学院讲师，主要研究方向为地质灾害。