藻菌共生体对乐山大佛红砂岩风化影响初探

2018-05-29黄继忠宋绍雷董海燕

文物季刊 2018年3期

□ 黄继忠宋绍雷董海燕

陈学萍彭学义

乐山大佛坐落于四川省乐山市城东南，大渡河和岷江交汇处的凌云山栖鸾峰陡崖上，系在岩体上雕刻而成。大佛坐东朝西，背负凌云九峰，脚踏三江汇流，面对峨嵋三山，静坐岷江东岸，“莲花出水，如自天降，如自地涌”，至今已有1200余年历史，是世界上最高的弥勒佛坐像。大佛两侧崖壁上还有众多各具神态的石刻，是唐朝石刻艺术创作的代表作品，具有非常高的文物价值[1]。自1949年以后，乐山大佛相继被公布为四川省文物保护单位、全国重点文物保护单位，并在1996年被联合国教科文组织列为“世界文化与自然遗产”。

经过千百年的自然风化，特别是随着近代工业的发展，乐山大佛石刻的风化问题异常严重。目前，乐山大佛的保护问题得到越来越多的关注，四川省文物考古研究所、乐山大佛乌尤文物保护管理局等对乐山大佛开展了包括石刻的维护历史沿革、形体特征测量、水文地质构造、修复材料研制等一系列调查和研究。上世纪以来，相关部门及组织先后对乐山大佛进行了七次（1914、1934、1962-1963、1968、1990、1996、2001-2002）规模较大的表面维护，解决了大佛的稳定性问题。然而，由于大佛依江而建，在湿润气候条件下，佛体表面为苔藓、藻类等的生长创造了良好的环境。因此，佛体上的植被、苔藓、藻类等在每次清除后不久又重新生长，对大佛造成新的伤害。从岩体表面观测结果来看，各种苔藓、藻类等生长范围和数量较大，从大佛旁边佛龛造像的风化程度推断，其风化剥离的深度达到几厘米至十几厘米的范围，苔藓、藻类等的生长对大佛表面的侵蚀是造成乐山大佛石刻风化问题的主要原因之一。

此外，由于藻类等周期性生长后会在岩石表面形成脱水、收缩、起皮、剥落现象，从而暴露出新的岩石面，加剧岩体的损毁程度[2]。因此，针对乐山大佛风化的问题，本文分析了其病害现状，并从岩石化学成分、物相结构和微观结构等方面研究了藻菌共生体等对岩石作用的效应以及风化机理，可为乐山大佛文物保护及修复提供理论基础和科学依据。

一、乐山大佛表面病害现状

图一乐山大佛及九曲栈道表面现状

2017年11月现场调研时发现，大佛周身生长了大量植物，表面还可观察到地衣、苔藓等，以及它们周期生长后的残留，造成了大佛表面岩石颜色的变化（图一）。同时，由于地处潮湿环境，雨水过后大佛表面经久无法干燥，出现了不同程度的“花脸”和“泪痕”[3]。由于岩体表面藻菌共生体的周期性生长及风蚀、渗水等作用，大佛旁边的九曲栈道岩壁也出现了不同程度的表面粉状剥落、表面片状剥落。在研究乐山大佛“黑鼻子”时发现，藻菌共生体主要是一些真菌、细菌以及地衣、苔藓和藻类。细菌主要包括了芽孢杆菌、硝化细菌和固氮菌等，真菌主要是霉菌类的圆弧青霉、纤细芽枝霉、新月弯孢菌、土曲霉等[4]。这些细菌都具有较强的抗逆性，能产生胞外酶、能固定大气中的氮，为岩石表面生长的藻类或地衣提供营养物质，促进繁殖。这些藻菌共生体通过分泌的胞外物、菌丝破坏岩石结构，是造成岩石风化、致黑现象最主要的原因之一。

二、藻菌共生体对大佛区域红砂岩的影响研究

1.藻菌共生体对红砂岩化学成分与物相结构影响研究

为了研究藻菌共生对乐山大佛红砂岩风化破坏的影响，在乐山大佛乌尤文物保护管理局的协助下，选择与大佛毗邻的九曲栈道旁岩石为研究对象，在九曲栈道不同位置取样，并对不同的风化样品进行成分分析和物相结构分析，化学组成检测仪器采用X射线荧光光谱仪（岛津XRF-1800,日本），结果如表1。

对乐山大佛的九曲栈道部分风化红砂岩进行XRF成分检测，主要化学成分为SiO2、CaO和Al2O3，同时含有较多的Fe2O3，颗粒坚硬但结合不紧密，表面有轻微的细粉化现象，从XRF结果中可以发现各处主成分差异不大，但在含有黑色死亡藻菌共生体的样品中发现有少量的Cl，这与它们在生长周期内富集了一定量的盐类有关。LS-2号样中发现含量较高的SO3，从表观观测，LS-2样品颜色偏黑，藻菌共生体残留相对较多，这与菌类生长过程中分泌物有关。同时发现Fe2O3和MgO的相对含量存在一定的关系，Fe2O3含量高时，MgO含量也高，这可能是由于铁质胶结物包裹的含镁碎屑在藻菌共生体侵蚀下风化，经过雨水的冲刷流失而引起的[5]。

图二乐山大佛风化岩石样XRD图谱

表1 乐山大佛风化红砂岩XRF主要元素含量（%）×

图三乐山新鲜红砂岩微观形貌

采用日本理学D/max2200 对采自不同位置点风化岩石样进行物相结构分析，结果如图二所示。5个不同位点主晶相一致，为石英、钙（钠）长石和方解石，胶结物主要为钙质胶结物，含有少量铁质胶结物。但位点不同，物相组成也略有不同。LS-2中方解石谱峰削弱，说明在风化样中含量较低，同时可观测到石膏相的存在。结合XRF分析结果，LS-2中Ca含量与其他四个样品并无太大变化，但S含量比其他高出很多，连兵等[6]认为藻菌共生体对S有一定的富集作用，而LS-2中又含有大量死亡的藻菌共生体，因此可以推测，LS-2中S含量的增高是由于方解石分解，在藻菌共生体富集S源的过程中，分解的方解石在水的作用下与S源反应生成石膏相等[7]。这进一步说明了藻菌共生体对砂岩的化学成分和物质组成的影响。

2.藻菌共生体对红砂岩微观结构影响研究

为了进一步考察藻菌共生体对红砂岩微观结构的影响，分别取生长有藻菌共生体的风化样、一般风化样和新鲜岩石样进行微观结构观测，岩石表面形貌通过场发射扫描电镜（Ultra 55，Carl Zeiss，Germany）观察，并利用 EDS（Xmax,Oxford Instruments,England）对样品进行成分信息采集。

图三呈现的是乐山新鲜红砂岩的表面形貌，从低倍数图中可以看出，颗粒大小不一，结合不紧密，这与岩石成岩时所处的环境密切相关，局部放大颗粒表面清晰可见褶皱状结构，这些应是颗粒间的胶结物，说明大颗粒未受到明显的风化侵蚀。

图四所示是乐山风化样品由风化表层向内部观测时的微观结构。风化外表层颗粒之间结构疏松，有细粉化现象，随着观测深度的加大，可以看到褶皱状结构呈现增多趋势，同时褶皱纹路变得更加清晰。与图3相比可以看出，乐山风化样品中褶皱状结构数量相对较少，说明乐山红砂岩在风化过程中发生胶结物溶蚀现象。

图四乐山风化样品表面形貌

图五表面生长过藻菌共生体样品的微观形貌

图五为去除藻菌共生体后岩石的表面形貌，岩石表面呈现松散的粒状颗粒结构（图五，a），未见胶结结构，说明岩石已受到明显风化。通过观察发现，在岩石表面生长的藻菌共生体主要为苔藓、地衣以及一些藻类。它们一般在潮湿环境同时出现，随着周围生长环境适宜程度的增强，这些藻菌共生体大量繁殖，快速覆盖岩石的表面。研究发现[8][9]苔藓的假根会深入到岩石内部，对红砂岩表面起到物理性破坏的作用。根系在呼吸过程中产生的CO2与周围的水及岩石本身形成一个弱酸性的微环境，藻菌共生体生长过程中也会产生一些酸碱分泌物，使红砂岩颗粒间的胶结物发生腐蚀溶解，进而造成岩石酥松剥落。在样品的表面随处可见多种形态的硅藻（图五，b-d），由于其胞外物质的分泌和丝状物质的产生，硅藻得以附着在岩石表面，进一步与细菌、真菌和其他藻类发展成更复杂的生物群落，具有较强的侵蚀作用，加速了岩石表面的风化[10][11]。

图六所示为距生长过藻菌共生体岩石样表面不同位置的微观形貌。区别于单一风化样的微观形貌，生长过藻菌共生体后颗粒表面观测不到胶结物的存在，且出现明显的层片状结构和丝网状。在距离藻菌共生体生长面较远的位置发现有针状结构（图六，d），能谱结果显示为 Ca，C，O，推测应为CaCO3。在自然环境下，雨水沿裂隙或孔隙进入岩石内部侵蚀颗粒之间的胶结物，由于不同矿物抗侵蚀能力不同，从而导致颗粒表面呈现层片状结构[12][13]。与风化样相比，由于岩石表面生长过藻菌共生体，在藻菌共生体生长周期内产生的分泌物会对岩石起到一定的风化作用，这与表面作用机制类似，在水的作用下发生溶蚀，从而在颗粒表面呈现出多孔结构和细粉包裹现象。通过对照分析生长过藻菌共生体的岩石与一般风化样发现，生长过藻菌共生体后，岩石风化情况更加严重，胶结物几乎观测不到，在颗粒表面形成疏松多孔层，这为岩石表面水进一步向岩石内部风化提供了有利的条件。四川文物考古研究院曾对生长过苔藓的岩石进行研究，发现其表面失水量和吸水量都有很大的提高[14]。由于大佛临江，本身湿度就大，加之苔藓的生长，增加了岩石的持水量，延长了岩石和水相互作用时间，进一步促进了大佛红砂岩的风化。除了这些藻菌共生体外，岩石上还生长有木本植物，它们的根系深入岩石内部，为雨水浸入岩体内部提供了通道，加速了内部岩石的风化。

三、结论

通过现场对乐山大佛的病害现状调查，发现佛体受水害、植物及藻菌共生体侵害严重，特别是藻菌共生体对砂岩文物的影响不应忽视。对于一般风化岩石样而言，由于表面胶结物的消失出现粉化现象，但样品内部仍可观测到胶结物的存在，而生长过藻菌共生体的岩石表面出现了粉化、起翘、剥落等现象，向内观测有网格及针状结构，侵蚀深度更深，浅表层观测不到胶结物的存在。初步的分析研究表明，藻菌共生体一方面在砂岩浅表面形成疏松多孔层为岩石内部进一步风化创造了条件，另一方面使砂岩中的胶结物受到更多的侵蚀，砂岩结构受到破坏，藻菌共生体的存在加剧了砂岩文物表面的风化速度。

本文得到上海市文教结合项目“与国家文物局共建中华优秀传统文化传承平台”以及上海市文化遗产保护创新团队等资助。

[1]袁金泉《乐山大佛的研究与保护》，《四川文物》2005年第1期。

[2]四川省文物考古研究所、乐山大佛乌尤文物保护管理局《治理乐山大佛的前期研究》，四川科学技术出版社，2002年。

[3][4]江滔《乐山大佛“黑鼻子”形成机理与防治对策浅析》，《四川文物》2013年第6期。

[5]秦中、张捷、彭学义、王兴山《四川乐山大佛风化的初步探讨》，《地理研究》2005年第6期。

[6]连宾、陈烨、朱立军、杨瑞东《微生物对碳酸盐岩的风化作用》，《地学前缘》2008年第6期。

[7]张喜长、刘琼英《乐山大佛景区环境空气质量变化规律及污染特征研究》，《环境科学与管理》2014年第7期。

[8]张中俭、张路青、李丽慧、王学良、傅燕、李芬霞《微环境对龙游石窟粉砂岩风化的影响》，《工程地质学报》2010年第5期。

[9]曹建华、袁道先《石生藻类、地衣、苔藓与碳酸盐岩持水性及生态意义》，《地球化学》1999年第3期。

[10]蔡晓琛、孙莉莉、万俐等《明城墙藻菌共生体调查及微型藻类腐蚀城墙效应探究》，《文物保护与考古科学》2016年第2期。

[11]李海、胡小兰、舒开倩、周玉迪、彭红《乐山大佛风化程度研究》，《乐山师范学院学报》2016年第8期。

[12]周骏一《乐山大佛风化剥蚀及渗水病害防治对策》，《山地学报》2009年第3期。