大足大佛湾石刻岩石微观与力学特性研究

张鑫鑫，任伟中，吴习文，刘海康，符贵军

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉，430071；2.中国科学院大学，北京，100049；3.兴山县公路管理局，湖北 兴山，443700)



大足大佛湾石刻岩石微观与力学特性研究

张鑫鑫1,2，任伟中1,2，吴习文3，刘海康1,2，符贵军1,2

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉，430071；2.中国科学院大学，北京，100049；3.兴山县公路管理局，湖北 兴山，443700)

为了给大佛湾石刻造像的病害治理提供依据，采用X射线衍射、光学显微镜、扫描电镜和岩石力学试验系统等对该区域内岩样的矿物成分、微观结构和力学特性进行分析。结果表明，石刻区域内岩石的矿物成分以石英、钠长石、方解石、黏土矿物为主，且由于黏土矿物和方解石的含量与分布不同，造成了砂岩外观颜色的差异；区域内岩层没有变形改造，砂岩内部存在较多微孔隙而泥质砂岩、泥岩的结构较为致密，且水对岩石的结构有溶蚀、淋滤等破坏；区域内岩石的力学性质受黏土矿物的影响较大，通过力学试验得出的基本力学参数显示，与天然状态相比，岩样在饱水状态下的强度明显降低。

大足石刻；大佛湾；岩石；矿物成分；微观结构；力学性质；黏土矿物

大足石刻是中国晚期石窟造像艺术的典范，也是世界石窟艺术中壮丽辉煌的一页，而宝顶山大佛湾石刻造像是大足石刻的重要组成部分。古人利用大佛湾的天然地形，开凿出规模宏大、气势恢弘、形态活泼生动的石刻造像，前后衔接，丰富多彩，保存比较完整，具有极高的历史、艺术、科学价值，被联合国教科文组织列入《世界遗产名录》。

八百多年来，由于自然因素侵蚀、人为的扰动和破坏，大佛湾石刻遭到不同程度的破坏，引起研究人员的广泛关注。汪东云等[1]对宝顶山石窟卧佛的渗水病害成因进行分析，提出了圣迹池防渗、完善卧佛周边排水系统、环境整治等治水建议。胡振瀛等[2]探讨了大足石刻危岩体的稳定性。张赞勋等[3]对大足石刻砂岩的层位、成分、成岩变化及其对石刻造像的影响进行了分析，但未对大佛湾石刻区域内岩石的微观力学特性展开研究。张兵峰等[4]认为大佛湾石刻的病害情况与水密不可分，每种病害都能找到水的“影子”，而现阶段石窟水害也是最严重的问题。方芳等[5]调查分析了千手观音造像区的地下水渗流机制。在文物保护部门和相关人士的努力下，多项治理工程在大足石刻区得以实施，使石刻造像的局部病害有所缓解，但形势依然不容乐观，尤其是水害在该区域内还普遍存在。

上述文献大都是从宏观层面上研究石刻造像，而岩体作为石刻造像的载体，其宏观特性又主要取决于岩石的矿物成分和微观结构等微观特性，因此研究人员通过多种手段来分析文物的病害成因以及岩石的风化机理和力学性质[6-9]。为了更加全面地了解大佛湾石刻区域的岩石特性，本文采用X射线衍射、光学显微镜、扫描电镜等对该区域内岩样的矿物成分和微观结构进行分析，并通过岩石力学试验系统检测砂岩的力学性质，以期为大佛湾石刻造像病害治理提供依据。

1 试验

1.1 试样

本次研究的试样是通过大佛湾石刻造像勘察孔获得的岩芯样(直径54 mm)，钻孔分布如图1所示，岩芯主要取自石刻造像崖壁后侧20 m范围内的钻孔中。

石刻造像主要出露地层为侏罗系蓬莱镇组砂岩、泥质砂岩和泥岩。分别选取区域内软弱夹层、泥岩、砂岩进行矿物成分分析、薄片镜下观察、SEM分析等。同时，在钻孔所得岩芯中选取长度大于220 mm的砂岩岩样，按照规范要求加工成高度分别为100 mm(共48个)和25 mm(共26个)的试样进行力学试验。大佛湾石刻区域内的水害现象广泛存在，在对砂岩的力学特性进行检测时应充分考虑水的影响，为更加全面、准确地获得岩样的力学参数，应在天然和饱水状态下分别进行试验，经波速测定最终在试样中筛选出3组进行单轴压缩试验、8组进行间接拉伸试验、2组进行三轴压缩试验。

图1 钻孔分布

1.2 检测仪器与设备

通过粉晶X射线衍射试验(仪器型号D8 Advance)检测岩石的矿物成分。选取不同的岩芯状砂岩和块状夹层状岩样制成切片，通过光学显微镜(仪器型号Axio Scope A1)分别在单偏光和正交偏光下观察其显微结构，并通过扫描电镜(仪器型号Quanta 250)获得不同放大倍数下的岩样微观图像。

根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)和《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561—2009)(第7、9、10部分),在中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的RMT-150C岩石力学试验系统中完成砂岩岩芯试样的单轴压缩试验、间接拉伸试验(巴西劈裂法)和三轴压缩试验。

2 结果与分析

2.1 大佛湾石刻岩体的矿物成分

表1所示为通过粉晶X射线衍射方法得到的大佛湾石刻区域内砂岩、泥岩、软弱夹层的矿物成分，每种类型选取了2～3个试样检测。由表1可见，大佛湾石刻区的岩样虽类型不一，但主要矿物组成均为碎屑和黏土矿物，碎屑主要包括石英、钠长石和方解石，黏土矿物主要有伊利石、绿泥石和蒙脱石，黏土矿物总含量为14%～32%，其具有很大的胀缩性，对岩石的力学性质和工程性质有显著影响。特别要指出，砂岩含有10%左右的蒙脱石，蒙脱石亲水性较强，遇水以后易膨胀，有利于岩石内部微观裂纹的扩展，从而对岩石的强度产生负面影响。

表1 大佛湾岩样的矿物成分

另外，大佛湾石刻区岩石中钠长石和方解石的总含量为31%～52%，而区域内渗水病害又普遍存在，水的作用会导致钠长石高岭土化以及方解石胶结物溶蚀，致使石刻造像出现表层粉化和剥落、造像模糊、岩石内部结构遭到破坏等不良现象的出现[10]，如图2所示。

(a)软弱夹层风化剥落 (b)石刻造像表层粉化

图2 水对石刻造像的不利影响

Fig.2 Negative influences of water on the stone statues

2.2 大佛湾石刻岩体的微观结构

2.2.1 光学显微结构分析

选取不同的岩芯状砂岩，切薄片进行镜下观察，如图3所示，可以明显看出，4#、32#、50#、52#试样在同一切面内颜色上存在很大差异，主要表现为团块的混杂、深色不连续的杂质分布；部分试样(34#、50#、52#)的切面存在清晰的层理构造，但层理间有颜色差异。

在显微镜单偏光和正交偏光下观察上述岩样切面，结果见图4，从图中可以看出岩石碎屑主要是石英和长石，且以石英为主。在50#(图4(f))和52#(图4(k)、图4 (l))岩样中观察到白云母，偶见岩屑，碎屑的分选中等，磨圆度差，没有表现出定向排列的特征，表明没有经过变形改造。各

(a)4#试样 (b)32#试样 (c)34#试样 (d)42#试样 (e)50#试样 (f)52#试样

图3 岩样切面照片

Fig.3 Section images of rock samples

(a)4#单偏光 (b)32#砂质正交偏光 (c)32#泥质纹单偏光 (d)34#正交偏光

(e)42#单偏光 (f)50#泥质部分正交偏光 (g)50#粗粉砂岩部分单偏光 (h)50#泥质和粗粉砂岩接触界线正交偏光

(i)52#单偏光 (j)52#正交偏光 (k)52#泥质岩部分单偏光 (l)52#泥质岩部分正交偏光

图4 不同岩样在显微镜下的特征图

Fig.4 Characteristic images of different rock samples under microscope

岩样的岩性均为砂岩，只是在颜色上存在差异，经过镜下观察发现，颜色上的差异主要是由孔隙间的充填物不同导致的。孔隙主要由黏土矿物和碳酸盐矿物充填，结合X射线衍射的矿物成分分析结果可知碳酸盐矿物为方解石，黏土矿物主要包括伊利石、绿泥石和蒙脱石等。由于充填物的分布不均匀，被黏土矿物充填的地方颜色较深，而方解石充填处颜色较浅。

50#岩样中颜色稍浅的部分为粗粉砂岩，其中也有暗紫红色泥质岩的纹层断续平行分布，显示出层理构造。从镜下观察来看,泥质岩集中的部分与粗粉砂岩集中的部分之间没有截然平直的界线，表现出两者之间的软穿插关系，显示出软沉积压实变形的特征，如图4(h)所示。

52#岩样呈暗紫红色，不同颜色纹层显示的层理构造在显微镜下表现为泥质、粉砂质相间分布，泥质颜色相对较深，在岩芯标本上显示为暗紫红色，主要是黏土矿物，且见大量定向排列的碎屑白云母，浅色部分以粉砂级的碎屑含量较多为特征，如图4(i)和图4 (j)所示。

从区域内地层中软弱夹层部位取出的岩样切面如图5所示，显微镜观察结果如图6所示。图6中浅色部分为细砂岩，碎屑粒度为0.01～0.25 mm，碎屑主要是石英和钠长石，以石英为主，偶见白云母碎屑和岩屑，碎屑分选中等，磨圆度差，呈棱角状，无定向排列特征，表明没有经过变形改造。孔隙主要由黏土矿物和碳酸盐矿物充填(见图6(a))。软弱夹层岩样中的泥质岩部分由黏土矿物组成，含有绿泥石，可观测到极细的白云母碎屑。泥质岩分布于粒状的细砂岩中，显示出平行层理面的定向排列，可能是成岩过程中的压实作用导致泥质岩软层定向排列，如图6(b)所示。

图5 软弱夹层岩样切面图

(a)细砂岩部分单偏光 (b)泥质岩部分正交偏光

图6 软弱夹层岩样在显微镜下的特征图

Fig.6 Characteristic images of rock sample from weak interlayer under microscope

2.2.2 SEM分析

通过扫描电镜观察大佛湾石刻区域内的砂岩、泥质砂岩和泥岩，发现其微观结构存在较大差异，如图7所示。图7(a)中砂岩的微观结构存在明显的孔隙，结构较为疏松；泥质砂岩(图7(b))结构较为致密，几乎看不到孔隙；泥岩(图7(c)、图7(d))结构也比较致密，少见矿物颗粒，黏土矿物比较明显。

(a)砂岩 (b)泥质砂岩 (c)泥岩 (d)泥岩

图7 不同种类岩样的SEM照片

Fig.7 SEM images of different types of rock samples

部分砂岩试样的SEM照片见图8，在图中可以明显观察到石英、蒙脱石、伊利石、方解石、钠长石等通过X射线衍射检测到的矿物成分，矿物形态不一，但各种矿物之间有着很好的共生关系，由于所处环境的影响导致不同矿物之间出现此消彼长的现象，将会改变砂岩的成分并对砂岩的其他性质产生影响。

黏土矿物含量影响砂岩的孔隙发育程度和连通性，黏土矿物的种类和结晶程度也对砂岩的孔隙度和渗透性有重要影响[11]。大佛湾石刻区域内砂岩中所含黏土矿物主要以伊利石和蒙脱石为主，由于其发育不充分，未能将孔隙充填完整，从而导致微孔隙和微裂纹的存在，如图9所示。

石刻区域内遭受水害的影响，主要表现为造像崖壁上经常出现渗水现象，通过SEM图像也能发现砂岩内部矿物遭受水的溶蚀和淋滤而出现孔隙、结构被破坏的现象，如图10所示。

相比于砂岩，泥岩的内部微观结构就较为致密，很少能见到类似于砂岩中那样的孔隙、裂缝的存在，矿物充填比较完整，结构致密，如图11所示。

图8 砂岩试样的SEM照片

图9 砂岩中由于矿物充填不完整而形成的孔隙

Fig.9 Pores formed by under-filling of minerals in sandstone

图10 砂岩内部的溶蚀、淋滤现象

Fig.10 Phenomenon of corrosion and leaching in sandstone

图11 泥岩内部结构SEM照片

2.3 大佛湾石刻区砂岩的力学特性

2.3.1 抗压强度

对3组砂岩岩芯试样进行单轴压缩试验，得到对应的轴向应力-应变曲线(见图12)。取应力-应变曲线的线性段作为弹性模量的计算区域，得到各岩样在天然和饱水两种状态下的抗压强度和弹性模量，如表2所示。

水对岩石力学性质的影响主要体现在黏结力的减小、内摩擦系数的降低和孔隙水压变化[12]。

(a)9#试样 (b)13#试样 (c)28#试样

图12 不同试样的应力-应变曲线

Fig.12 Stress-strain curves of different rock samples

由图12可见，试样在饱水状态下的压密阶段历时较长，这是由于所含黏土矿物(10%～20%)在吸水后产生膨胀力，导致岩石内部微裂纹和孔隙的发育，在轴压作用下孔隙体积被逐渐压密，引起孔隙水压的增加，对裂隙附近岩石产生附加应力，再次触发微裂隙的扩展，从而使压密阶段变长；同样，黏土矿物在遇水以后导致微裂纹的扩展与萌生，颗粒间的黏结力在水的侵蚀和软化作用下变弱，岩石强度会降低，在压缩荷载的作用下黏土矿物所表现出的高压缩性，使得岩石轴向应变增大。

表2 单轴压缩试验结果

2.3.2 抗拉强度

分别考虑天然和饱水状态，对8组岩样进行巴西劈裂试验，结果如表3所示。从表3中可知：①几组数据的离散系数在0.0116～0.0487之间，表明试验结果稳定可靠、误差很小；②大佛湾石刻区域内砂岩在天然状态下的抗拉强度为2.0～3.3 MPa，饱水状态下的抗拉强度为1.3～2.2 MPa，暗紫红色砂岩中黏土矿物和胶结物的含量要高于灰色砂岩中相应矿物的含量，因此前者的黏结力和抗拉强度稍大；③与天然状态相比，在饱水状态下由于孔隙水的影响导致黏结力弱化，从而使砂岩的抗拉强度明显降低，降幅在16%～44%，而且暗紫红色砂岩的强度降低幅度明显高于灰色砂岩，这是由于黏土矿物在水的作用下对岩石内部微观结构的破坏，黏土矿物含量越高，破坏就越严重，对岩石力学特性的影响也就越大。

表3 巴西劈裂试验结果

2.3.3 抗剪强度

本研究采用恒定围压条件下逐渐增大轴向压应力直至岩石破坏的方法即常规三轴压缩试验来检测岩样的抗剪强度。结合实际情况确定0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 MPa五级围压，分别考虑天然和饱水状态进行试验，获得两组试样的围压与相应轴向最大压应力的关系，推算出岩石的抗剪强度参数：内聚力c和内摩擦角φ，见表4。

表4 三轴压缩试验结果

根据三轴压缩试验结果还可以得知，岩石的弹性模量随着围压的增大而提高，天然状态下为6～9.5 GPa，饱水状态下为3～5.5 GPa；泊松比μ为0.23～0.35。试样的破坏形式也随着围压的变化而不同，围压小于2.5 MPa时试样表现为拉伸破坏，围压达到2.5 MPa及以上时试样表现为单斜面剪切破坏。

3 结论

(1)大佛湾石刻区域内岩石的矿物组成以石英、钠长石、方解石、黏土矿物(伊利石、蒙脱石、绿泥石)为主，且黏土矿物含量(14%～32%)较高。

(2)大佛湾石刻区域内砂岩颜色上的差异主要是由黏土矿物和方解石的含量不同以及分布不均所引起的，同时通过对岩样砂质、泥质层理的观察发现，区域内岩石形成过程中并没有变形改造，是自然沉积的结果。

(3)大佛湾石刻区域内的砂岩、泥质砂岩和泥岩的微观结构存在较大差异。砂岩存在较多微孔隙，泥质砂岩和泥岩的结构较为致密；岩石内矿物之间存在较好的共生关系，且渗水病害对岩石的微观结构造成淋滤、溶蚀等破坏。

(4)大佛湾石刻区域内岩石的力学性质受黏土矿物的影响较大。与天然状态相比，岩样在饱水状态下的强度明显降低。天然状态下，岩样的单轴抗压强度为35～41.5 MPa，抗拉强度为2～3.3 MPa，内聚力为13～14.5 MPa，内摩擦角为33°～41.5°；饱水状态下，岩样的单轴抗压强度为28～37 MPa，抗拉强度为1.3～2.2 MPa，内聚力为8.5～10 MPa，内摩擦角为27°～30°。

[1] 汪东云,张赞勋,付林森,等.宝顶山石窟卧佛渗水病害形成原因分析[J].水文地质工程地质,1992,19(3):25-28.

[2] 胡振瀛,范幸义,朱作荣,等.大足石刻保护岩体稳定性预测研究[J].地下空间,1995,15(4):267-276.

[3] 张赞勋,付林森,姚金石,等.大足石刻砂岩的岩石学特征[J].重庆建筑大学学报,1995,17(2):58-62.

[4] 张兵峰,蒋思维.重庆大足石刻大佛湾渗水病害初探[J].中国文物科学研究,2016(1):68-71.

[5] 方芳,方云,燕学锋,等.重庆大足石刻千手观音造像区地下水渗流机制分析[J].文物保护与考古科学,2009,21(4):1-4.

[6] 李宏松.两种不同环境控制下砂岩类文物岩石材料剥落特征及形成机制差异性的研究[J].文物保护与考古科学,2011,23(4):8-16.

[7] 李宏松,刘成禹,张晓彤.两种岩石材料表面剥落特征及形成机制差异性的研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(S1):2825-2831.

[8] 张中俭,杨曦光,叶富建，等.北京房山大理岩的岩石学微观特征及风化机理讨论[J].工程地质学报,2015,23(2):279-286.

[9] 郭子凡.贺兰口岩画岩石力学特性及典型危岩体的稳定性分析[D].银川：宁夏大学,2015.

[10]王金华,严绍军,任伟中，等.石窟岩体结构稳定性分析评价系统研究[M].武汉：中国地质大学出版社，2013：7-10.

[11]张天刚.扫描电镜下砂岩中的粘土矿物[J].矿物岩石,1983(1):35-40.

[12]尤明庆,陈向雷,苏承东.干燥及饱水岩石圆盘和圆环的巴西劈裂强度[J].岩石力学与工程学报,2011,30(3):464-472.

[责任编辑 尚 晶]

Microscopic and mechanical characteristics of rocks near Big Buddha Bay Rock Carvings in Dazu

ZhangXinxin1,2,RenWeizhong1,2,WuXiwen3,LiuHaikang1,2,FuGuijun1,2

(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049, China; 3. Highway Administration of Xingshan County, Xingshan 443700, China)

In order to provide reference for disease management of the stone statues in Big Buddha Bay, mineral composition, microstructure and mechanical properties of the rock samples were analyzed by X-ray diffraction, optical microscopy, scanning electron microscopy and rock mechanics test system. The results show that mineral composition of the rocks in the stone carving area mainly includes quartz, albite, calcite and clay minerals, and different contents and distribution of the clay minerals and calcite result in different appearances and colors of the sandstone samples. There is no deformation in the rook strata in this area. Many micro-pores exist in sandstone and the structures of argillaceous sandstone and mudstone are denser. Corrosion and leaching by water damage the structure of the rocks. Clay minerals have a great influence on the mechanical properties of the rocks in this region. Basic mechanical parameters obtained by mechanical tests indicate that strength of water-saturated rock samples is significantly lower than that of rock samples in the natural state.

Dazu Rock Carvings; Big Buddha Bay; rock; mineral composition; microstructure; mechanical property; clay mineral

2017-03-24

国家自然科学基金资助项目(51379201)；国家自然科学基金青年科学基金项目(51404239).

张鑫鑫(1993-)，男，中国科学院武汉岩土力学研究所硕士生.E-mail：zdx9212@139.com

任伟中(1967-)，男，中国科学院武汉岩土力学研究所研究员，博士.E-mail：wzren@whrsm.ac.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.04.014

TU45

A

1674-3644(2017)04-0314-07