云冈石窟石质类文物地质损伤机制研究

2021-07-16张梦婷王恩德

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2021年3期

张梦婷，王恩德，李斌，宋坤

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819；2.辽宁有色勘察研究院有限责任公司文物保护部，辽宁沈阳 110002）

0 引言

中国石质型文物具有历史悠久、分布广、规模大的特点，但由于各石质文物内部岩性及外部环境的影响，各地的石质类文物遭受着一定程度的地质损伤.地质损伤指岩石在空气、水和生物等外力作用下所发生的变化和破坏过程[1].这是一个非常复杂的过程，是物理、化学、生物等作用共同作用的结果.它跟岩石材料的本身特性（成分多样、异质多像、多孔结构）以及暴露的外部条件（如水循环）的影响有关[2-3].岩石的抗风化能力与岩石的矿物组成、结构构造、胶结物类型等因素共同决定[4].

各种类型的石质文物所受的地质损伤程度不同，损伤机制和防护措施也有所不同.距今有1 500余年的云冈石窟在自然界各种营力的作用下，地质损伤较为严重，呈现出片状、鳞片状、粉状等风化形态；许多石雕表面剥落，佛龛风化严重，甚至无法辨认，见图1.长期以来关于云冈石窟地质损伤的研究尚且不够深入，未能科学有效地开展云冈石窟文物保护工作，本文旨在对云冈石窟石质文物地质损伤机理进行更深入的研究，从定性、半定量的角度分析云冈石窟地质损伤，为云冈石窟的保护提供理论指导.

图1 云冈石窟地质损伤情况Fig.1 geological map of Yungang Grottoes

1 云冈石窟概况

云冈石窟是人类的雕刻艺术宝库，开凿于北魏文成帝和平年间（460-465年）至北魏孝明帝正光五年（524年）建成，历时60余年，2001年被联合国教科文组织确认为世界文化遗产.云冈石窟是中国最大的石窟群之一，是典型的砂岩石窟，开凿在山西省大同市城西约16 km的武周山余脉低山丘陵区前缘.石窟依山开凿，气势恢弘，东西绵延约1 km，现存主要洞窟约45个，佛龛约250尊，体现了北魏时期的佛教石窟艺术与文化，云冈石窟不仅是今天了解和研究古代历史、雕刻、建筑等方面的重要实物资料，也是追溯古代中西文化交流和人物友好往来的实物佐证[5].

本地区为大陆性半干旱气候，年平均气温7 ºC～10 ºC，雨季集中在 7月至 9月，年平均降雨量423.8 mm，月最高降雨量达100 mm以上；年平均蒸发量1 748 mm，年积雪20 mm左右.云冈石窟开凿于侏罗系砂岩中，处于山西中台隆大同平鲁凹陷区的东北端箱型向斜轴部；窟区地层结构较简单，属中生代中侏罗统上部云冈组（J2y）和第四系中上部的中更新统、上更新统、全新统.本次研究将云冈组对石窟有影响的地层划分为6个岩性段，石窟雕像主要开凿于J2y2-J2y4.

2 云冈石窟差异性地质损伤分析

2.1 云冈石窟的岩性差异性地质损伤分析

（1）岩性特征的差异性对佛龛地质损伤的影响

为定性、半定量分析云冈石窟岩性的差异性对佛龛地质损伤的影响，在云冈石窟景区东侧岩壁（J2y2-J2y4）上采集新鲜岩样，对新鲜岩样进行镜下岩矿鉴定，结果见表1.从砂岩的结构、矿物成分、胶结方式的差异性讨论石雕的地质损伤程度.由于邓云[6]等论述了原生构造对石窟风化的影响，本文不再重复研究.

表1 云冈石窟标本岩矿鉴定结果Tab.1 rock and mineral identification results of Yungang Grottoes

石雕地质损伤程度计算为：首先对新鲜岩样采用电感耦合的方法进行常量元素分析，其结果见表2.利用帕克风化指数（WIP）判定地质损伤程度，地质损伤指数计算公式与理论值见表3.

表2 云冈石窟砂岩常量元素质量分数Tab.2 percentage of major elements in sandstone of Yungang Grottoes

表3 地质损伤指数计算公式与理论值Tab.3 calculation formula and theoretical value of geological damage index

根据上述地质损伤指数计算公式分别计算编号为lb-1、lb-2、lb-3、lb-4的长石石英砂岩地质损伤程度，其计算结果见表4.

表4 砂岩地质损伤程度计算结果Tab.4 calculation results of geological damage degree of lithology sandstone

由表4的计算结果可知，样品lb-2地质损伤程度最大，为25.269 5；样品lb-3次之，为28.696 5；样品lb-1为31.723 8；样品lb-4地质损伤程度最小，为33.446 5.样品lb-4中的硅质胶结物增加了岩石的力学性质，降低了石窟地质损伤的程度，故样品lb-4的地质损伤程度最小，结合新鲜岩样的岩矿鉴定特征可得：① 泥质砂岩较砂岩易风化；② 粗砂岩较细砂岩易风化；③ 基底式胶结较孔隙式胶结易风化，泥质胶结较钙质、硅质胶结更易风化；④ 云冈石窟的地质损伤产物.

通过对云冈石窟风化样品与新鲜岩样的矿物成分及化学成分的对比分析，得出云冈石窟砂岩风化前后的成分变化，得出云冈石窟风化产物.

自然状态下风化样品取自山西省大同市云冈石窟第3窟、第5窟内部，并采用X射线衍射（XRD）对云冈石窟风化物进行矿物成分分析；XRD图谱见图2～图5.

图2 B-1砂岩XRD图谱Fig.2 B-1 XRD diagrams of sandstone

图2 中，2θ值在 21°、26°、39.5°、42.5°、50°、60°、67°、68°、75°、80°附近的衍射峰对应着石英的特征峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰对应着高岭石的衍射峰；此外，还有少量硅质胶结物、石膏及石墨.

图3 中，2θ值在 21°、26°、37°、42.5°、46°、50°、60°附近的衍射峰对应着石英的特征峰；2θ值在26.5°、40°、67.5°附近的衍射峰对应着正长石的衍射峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰对应着高岭石的衍射峰.

图3 B-2砂岩XRD图谱Fig.3 B-2 XRD diagrams of sandstone

图4 中，2θ值在 26°、37°、42.5°、50.5°、60°附近的衍射峰对应着石英的特征峰；2θ值在21°、29.5°、55°、68°附近的衍射峰对应着白云石的衍射峰；而2θ值在12.5°、25°附近的衍射峰对应着高岭石的衍射峰.

图4 B-3砂岩XRD图谱Fig.4 B-3 XRD diagrams of sandstone

图5 中，2θ值在 21°、26°、30°、50°、55°、61°、67°、80°附近的衍射峰对应着石英的特征峰；而 2θ值在 12.5°、25°、43°附近的衍射峰对应着高岭石的衍射峰；此外，有5%～10%的硅质胶结物.

图5 B-4砂岩XRD图谱Fig.5 B-4 XRD diagrams of sandstone

由表2可知：云冈石窟新鲜岩样的主要矿物成分是石英、钾长石、方解石，且含有少量的铁，故推知岩样中可能含有少量的含铁白云石矿物；风化样品与新鲜岩样成分对比发现原岩矿物方解石、含铁白云石经风化至完全消失，而高岭石的含量有明显的增加，白云母的含量从无到有，即云冈石窟经风化后，高岭石代替了方解石与含铁白云石.由此可见，方解石、含铁白云石为新鲜砂岩样品的胶结物，云冈石窟的地质损伤的主要产物是高岭石.

2.2 云冈石窟地下水分布的差异性地质损伤分析

专家普遍认为，水与岩石长期而缓慢的相互作用是造成云冈石窟风化的主要原因[7].由地下水作用引起的云冈石窟风化物类型主要有粉末状、鳞片状等.粉末状风化物的形成是地下水与空气中的CO2、SO2等结合，对石雕和石窟岩体表面的长石、钙质胶结物进行水合溶滤作用，同时，地下水将盐类带到石雕和岩体表面聚集而形成粉末状的风化物.鳞片状风化物的形成是由于地下水沿裂隙通道渗透至石雕与岩石表面，水分蒸发后，可溶盐从水中析出结晶而聚集在石雕与岩石表面，形成了鳞片状风化物[8].石窟中长期受地下水作用的部位易于风化，如云冈石窟的第21窟、23窟、24窟、27窟、30窟，调查结果见表5.

表5 石窟风化调查结果Tab.5 grotto weathering questionnaire

由表5可知，风化的面积占此次调查总面积的53.48%，其中21窟风化最严重，占77.91%，呈片状、鳞片状风化；30窟次之，66.80%，呈粉状、鳞片状风化；然后是23窟，占56.68%，呈鳞片状、粉状；接着是27-1窟与24窟，分别占 35.77%和20.73%，呈鳞片状、粉状风化与粉状、片状风化.

地下水作用主要表现以下方面：一是地下水的风化作用，主要形成粉末状风化物；二是盐类析出与结晶的风化作用，主要形成鳞片状风化物.在二者的共同作用下，有地下水的洞窟较没有地下水的洞窟易风化，因此保持一个岩石含水率相对稳定的环境，有利于减缓石窟地质损伤作用.

2.3 云冈石窟环境的差异性地质损伤分析

云冈石窟周围被煤矿包围，煤矿的开采与停产周期性的变化加剧了石雕的地质损伤.煤矿开采及燃煤使空气中煤的粉尘较多，据监测数据表明：云冈石窟地区冬季5日粉尘含量平均值为0.359 mg/m3，根据国家二级标准计算，超标率为 100%；夏季 5日粉尘含量平均值为0.323 mg/m3，超标率为80%[9].粉尘吸附空气中的SO2气体，因此佛龛表面有大量SO2的粉尘，而SO2性质活泼，在光照条件下转化为SO3，SO3遇水则生成硫酸