龙门石窟鲕粒灰岩劣化试验

严绍军 田世瑶 陈建平 窦彦 方云

内容摘要：龙门石窟鲕粒灰岩自然破坏相对严重，且自身存在相对特殊风化现象。为研究该类岩石风化机理，在室内设计了酸劣化及冻融试验。通过试验表明，在相对恒定的酸性、水体流动环境条件下，鲕粒灰岩风化明显，出现类似现场的风化现象。在风化影响因素方面，pH值影响明显，H+离子浓度越高，风化速度越快。溶蚀后不溶物在一定程度上会降低鲕粒间钙质成分的溶蚀，形成局部相对封闭的环境，降低溶蚀速度。而冻融这种物理风化对鲕粒灰岩影响不是太明显，这一现象应该与鲕粒自身与基质间热力学性质相对一致、鲕粒灰岩吸水性低有关系。

关键词：龙门石窟；鲕粒灰岩；劣化试验

中图分类号：P589.1 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2018）03-0038-06

Abstract： The natural damage to cave structures sustained by the oolitic limestone at the Longmen Grottoes is relatively extensive and exhibits a unique pattern of erosion. Acid deterioration， freezing， and thawing deterioration experiments were designed to study the weathering mechanism of this limestone， the results of which show that in an environment of constantly flowing， acidic water， the oolitic limestone weathering process is remarkably similar to natural conditions. Among all the factors of erosion， the influence of the pH value is obvious，wherein the higher the H+ ion concentration is， the faster the weathering speed will be. During the erosion simulation it was shown that indissoluble reaction products can to some extent reduce the disolution speed of the calcite between oolites and form a relative isolation environment. The effect of physical weathering on the oolitic limestone is not particularly obvious because the thermodynamic properties of the oolite is relatively equal to that of the underlying substrate and has a low degree of water absorption.

Keywords： Longmen Grottoes； oolitic limestone； deterioration test.

1 前 言

鲕粒灰岩是在龙门石窟广泛分布的岩石类型，具有非常特殊的风化现象。一般认为，鲕粒是环境温度高、海水蒸发量大的时候，在海水的搅动下，CO2气体溢出、过饱和的碳酸钙包裹悬浮的碎屑物质条件下，形成的一种特殊的灰岩粒状物质。也有人认为鲕粒灰岩的形成是一个复杂的生物过程[1]。豫西地区鲕粒灰岩的分布受当时古地貌环境控制，具有一定时空规律性[2]。总的说来，目前对鲕粒灰岩的研究一般集中于鲕粒灰岩的现象、成因、地质环境等，对龙门石窟这种特殊灰岩本体的风化破坏机理缺乏足够的认识。前期将其视作普通灰岩进行过相关工作[3]，但针对性不强。因此，本次工作主要通过对龙门石窟鲕粒灰岩特征进行详细研究，并开展相应的风化模拟试验，来探讨这类岩石在石窟环境下风化的控制因素。

鲕粒灰岩在龙门石窟南段寒武纪地层中发育。野外观察鲕粒普遍呈黑色颗粒状，基质颜色稍浅，鲕粒呈带状富集，总体含量在50%以上，鲕粒的形成与该地层总的沉积环境密切相关。造像风化程度明显较非鲕粒灰岩段要强，风化后颗粒感强，另外出现类似砂岩风化的砂糖状。

龙门石窟鲕粒粒径在250—500？滋m之间，主要类型为薄皮鲕，含有少量椭形鲕、放射鲕及椭形放射鲕（图1）。研究区鲕粒多发生重结晶作用及压溶作用，使其内部结构不明显。各层均可见球形残余颗粒，可以看到破碎的鲕粒，部分鲕粒内部发生交代作用，可看到自形白云石结晶。鲕粒的核心多由磨圆的碎屑及有空虫等生物碎屑组成，鲕粒的形状多受核心的形态影响[4]。

从电子探针测试可以看出（图2），鲕粒的主要矿物成分为白云石，胶结物主要为灰岩，这种矿物成分组合关系在鲕粒灰岩中是比较少见的，但在龙门石窟却非常普遍。白云石成为鲕估计与当时的特殊气候环境或者后期交代有一定关系。

在调查中发现，雨水冲刷区和冻融区的岩石风化非常严重，为研究这种鲕粒岩石的风化过程，本次研究设计了酸溶蚀试验和冻融试验。

2 酸溶蚀模拟试验

2.1 试验设计

以该地区典型的鲕粒灰岩为材料，开展模拟酸雨作用下的溶蚀破坏试验。受环境条件影响，龙门石窟酸雨在历史上比较严重，近年来有所好转。另外石窟区顶部目前植被茂盛，一般土壤中生物形成CO2浓度为大气中100倍，加上植物有机酸溶解于雨水中。因此，降雨期间冲刷石窟表面的水体为具有良好溶蚀能力的酸性水体[5]。本试验配置了pH值为3、4、5酸性緩冲溶液，用于模拟降雨形成的表面流对岩石表面的冲刷溶蚀作用，研究动水条件下，不同温度、不同pH值环境中鲕粒灰岩的质量、尺寸、微观形态的变化规律，以及反应残留物对溶蚀过程的影响[6]。整个系统为开放系统，不考虑CO2分压，每次反应时间为12h，试验温度设置为35℃与15℃，每个温度下，配制3组不同pH值的缓冲溶液，每组分别有3个样品，样品质量为7—8g，片状方形。编号及配制方法如附表所示。

2.2 结果分析

首先从形态上可以看出，在酸性环境下，鲕粒灰岩基质风化明显强烈，方解石晶体溶蚀后形成次生粉末状物，而鲕粒的风化程度相对要弱一些，白云石晶体间残留的方解石出现局部的溶蚀现象（图3）。随溶蚀不断发育，鲕粒与基质之间的界限逐渐清晰，鲕粒形态更为明显，在鲕粒外周形成一圈白色的溶蚀环。形成溶蚀环的现象应该与鲕粒方解石表皮矿物成分相关。在低浓度的（pH=5）的样品中，溶蚀环发育更为明显（图4），这种现象应该与pH值高的溶液中，白云石与方解石的差异风化比较明显有关系。

本次试验采用相对恒定的pH值进行溶蚀，模拟动态水体冲刷作用，样品的溶蚀速度主要受样品表面尺寸、pH值及温度等因素影响。

pH值对该类岩石的溶蚀速度的影响非常明显（图5），总的说来，pH值越低，溶蚀速度越快。在pH值为3的溶液中，岩石表面迅速溶蚀，并产生大量的次生产物，覆盖在样品表面，随着不溶物的增加，反应速度逐渐减缓。而pH值为5的样品反应比较缓慢，在动荡（类似自然流水）环境条件下，次生产物随水流失，反应速度基本保持不变。文物表面风化产物的抗溶蚀能力一般远远大于石窟岩体本身，这种次生的“污染物”在一定程度上隔离了酸性水体对文物的侵蚀。因此，对于龙门石窟文物表面的污染物，也应该辩证地看待，一些不合理的清理，可能会加剧文物本体的风化。

试验表明，龙门石窟鲕粒灰岩溶蚀与温度有一定关系。在pH值为3、4的样品中，15℃环境下样品溶蚀速度较35℃时明显要快一些，而在pH值为5条件下，两种温度环境对样品的溶蚀速度的影响就不是太明显。形成这种现象的原因如下：鲕粒灰岩溶蚀是以粒间灰岩为主，高温环境下，岩石与溶液接触后，产生的次生不溶物速度过快，迅速挤满颗粒间的溶隙，在裂隙局部形成了相对封闭的环境条件，减缓了后续反应发生。在粒间裂隙被填充后，主要反应发生在鲕粒本身，而鲕粒结构密实，成分以白云石为主，这种情况下，鲕粒控制溶蚀速度。而在相对低温环境下，反应速度稍慢，鲕粒间的次生产物能够较好流失，整个反应以颗粒间方解石溶蚀为主，速度较快。PH值为5的溶液中，H+浓度低，初期反应速度慢，导致鲕粒间阻溶现象并不明显，温度对溶蚀速度的影响并不显著。

通过上述试验，可以得出，石窟区鲕粒灰岩砂糖状风化，主要是因为鲕粒间方解石风化速度远大于鲕粒本身形成，而要减缓该灰岩风化速度，其关键是控制粒间物质的溶蚀。

图6为样品体积损失曲线。测试结果与质量损失规律基本一致，但pH值为3、4时，在不同温度下体积损失幅度差别不大，这是因为次生的溶蚀产物结构疏松，在一定程度上抵消了质量流失导致的体积变化。另外，这种鲕粒溶蚀还是以粒间损失为主，虽然质量损失已经比较明显了，但是在鲕粒脱离样品之前，体积仍然得以维持。

3 冻融模拟试验

3.1 试验方案

据现场监测，龙门石窟崖壁表面温度波动幅度非常大，特别是冬季，存在一定冻融现象[7]。从前面的分析看，鲕粒灰岩鲕粒与基质间存在明显的差异性，这种差异性为水体渗入提供了条件。另外在热胀冷缩的过程中，不同成分及结构的矿物形成差异性变形，形成挤压作用而产生内因力，导致岩石结构破坏，出现物理风化。龙门石窟所在地区夏季炎热，最高温度可达40℃，尤其西山石窟日间受太阳直射，岩石表面温度更高；冬季最低温多低于-5℃，最低可达-10℃，以极值温度来确定冻融循环温度，设置为-15℃～35℃，以24h为一个循环周期。试验步骤如下：（1）清洗试样表面，在105℃下烘干24h，测量试样质量、直径、高度，为每个试样拍照；（2）将试样浸泡于蒸馏水中48h，使其自然饱水，然后放入真空饱和缸中，抽气2h，注水后，继续抽气6h，真空饱水，测量饱水后的质量、波速；（3）将试样取出放于托盘上，放入低温冷冻箱中8h，温度设置为-15℃；（4）将试样浸泡于35℃的蒸馏水中16h，温度由恒温箱控制，取出后擦干试样，测量试样的质量、波速，一个循环为24h；重复步骤（3）、（4），试样循环到次数30、60、80、90、100；（5）将试样进行单轴抗压强度测试，研究试样强度变化规律。

3.2 结果分析

衡量冻融对岩石的破坏主要通过质量损失、强度衰减及微观结构等来判断。

图7为样品的质量衰减曲线。从试验结果可以看出，得到的测试结果在图中表现出较强的离散性，但整体呈减小的趋势。在冻融100次以后，试样质量变化都在1g以内，且多数小于0.5g，相较于试样本身质量，小于0.1%，其变化为一个很小的值。从样品破损形态看，破损部位具有一定离散性，一般出现在局部凸出、裂隙发育等部位，样品鲕粒与基质之间并未出现明显的破裂。图8为冻融100次前后样品的照片。除了10号样中微观裂隙（图中黄色部位）有轻微扩展、延伸更为清晰外，鲕粒本身及基质并无明显的破损。

为分析冻融过程中，样品强度变化，采用超声波测试样品冻融过程中的波时，结果如图9。从测试结果看，岩石在初期基本上无明显的衰减，各样品在冻融40次以后，略微有波时增加，波速降低现象。

对不同循环次数岩石进行抗压强度测试，岩石强度无明显的衰减，强度变化与冻融次数基本无相关。这种强度差异主要是岩石样品的不均匀性而形成。

也就是说，在冻融100次测试结果内，岩石的强度基本无损失（图9），质量损失率在1%以下，这种变化基本可以忽略。本次试验结果与已有成果结论有所出入，初步分析本次冻融试验设置以岩石所处真实环境为前提，冻融劣化效应虽然比较符合实际，但劣化程度要弱而致。

龙门石窟鲕粒灰岩整体强度极高，一般大于90MPa，属于坚硬岩。在这种环境条件下，鲕粒本身与基质之间的热力学性质差异并不容易形成岩石的结构性破坏，加上吸水率又很低，一般小于1%。因此一般的物理风化对本鲕粒灰岩影响不是很明显。冻融效应应该与酸劣化叠加时，才更为显著。

4 结 论

张夏组鲕粒灰岩差异风化严重，主要表现为片状风化、鲕粒剥落，特别是以砂糖状风化最为明显。在龙门石窟造像中，鲕粒灰岩石窟相对于其他地层石窟风化更为显著。

鲕粒的主要成分以镁质的薄皮鲕为主，表皮及基质以钙质为主。鲕粒本身结构比较致密，而基质结晶较好，属于亮晶灰岩。

鮞粒灰岩抗溶蚀能力很差，基质与鲕粒抗溶蚀能力具有显著差异性。这种溶蚀作用主要顺鲕粒间基质首先发育，而过快形成次生矿物可能降低鲕粒灰岩的溶蚀速度。鲕粒本身以白云岩为主，其抗溶蚀能力明显好于基质。

龙门石窟鲕粒灰岩强度高，吸水性低，具有良好的抗冻融能力，因此单独的冻融作用对岩石的破坏基本可以忽略。

从本次研究可以看出，对于鲕粒灰岩的次生溶蚀污染物，在没有良好的保护技术的情况下，不宜无差别地清洗。鲕粒灰岩防风化措施，建议以防具有溶蚀能力的表面流为主。

参考文献：

[1]梅冥相.鲕粒成因研究的新进展[J].沉积学报，2012，30（1）：20-32.

[2]齐永安，杨小伟，代明月，等.豫西登封地区寒武系第三统鲕粒和鲕粒灰岩演化及其意义[J].古地理学报，2014（1）：55-64.

[3]王晓东.CO2对龙门石窟碳酸盐岩体表面劣化作用的模拟试验研究[R].2011.5.

[4]窦彦，严绍军，王磊，陈嘉琦，张新鹏.龙门石窟张夏组鲕粒灰岩特征及溶蚀试验研究[J].文物保护与考古科学，2017，29（3）：60-66.

[5]曹建华，潘根兴，袁道先.柠檬酸对石灰岩溶蚀动力模拟及岩溶意义[J].中国岩溶，2001（1）：4-7.

[6]Chou L，Garrels R M，Wollast R.Comparative study of the kinetics and mechanisms of dissolution of carbonate minerals[J].Chemical Geology，1989，78（3/4）：269-282.

[7]丁梧秀，徐桃，王鸿毅，陈建平.水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2015（5）：979-985.