水岩作用对沈府君阙表层剥落影响机制分析

2022-04-20谢振斌

西北大学学报（自然科学版） 2022年2期

赵凡,姚雪,谢振斌

(1.四川省文物考古研究院,四川成都 610041;2.西南民族大学旅游与历史文化学院,四川成都 610041)

四川省渠县素有“汉阙之乡”美誉,沈府君阙为渠县汉阙唯一双阙幸存者,属石质文物建筑,双阙形制一致,为子母阙,子阙皆毁,母阙通高约4.8 m,由阙基、阙身、阙楼、阙顶4部分组成,为整块或多块砂岩构件垒砌,阙顶四周和阙身雕刻局部缺失[1]。该汉阙造型古朴、雕刻精美,为我国地面现存时代最早、保存最完整的仿木结构建筑遗存之一,阙楼浮雕图案为研究汉代社会生产、民俗生活、精神信仰等提供了丰富的实物,阙身隶书铭刻字体瘦劲清朗、流畅飘逸，属汉代书法艺术珍品,为第一批全国重点文物保护单位。现有研究主要集中在建筑考古、秦汉历史、书法艺术等方面,文物保护领域对此未有研究。

近两千年来受各种自然营力和人为破坏影响,阙体岩石表层劣化严重,主要表现为各种形式的剥落。根据李宏松对石质文物表层剥落定义[2],该病害属于表层完整性破坏,指石材表层全部或部分在较小的外力条件下发生基本平行于壁面逐渐脱离母体的现象。该病害造成汉阙价值核心表面铭刻文字、浮雕图案等局部残损不全或漫漶不清,进一步发展将导致阙体岩石表层与内部母体不断剥落,对文物的完整性和真实性造成破坏。

对于露天保存的石质文物建筑、石窟、崖墓等石质不可移动文物而言,岩石表层劣化为一种普遍问题[3-5]。近年来国内相关学者对石质文物表层劣化开展了较多研究,通过病害现状调查及劣化模拟试验研究,普遍认为各种水的长期作用往往是导致表层劣化的主要原因,南方地区露天砂岩石质文物表层劣化受水的影响尤为显著,通常水作为对象或介质通过物理和化学作用参与岩石表层劣化过程,生物作用的影响也不容忽视。秦中等通过对乐山大佛粉砂岩样品进行化学成分分析、微侵蚀测量、硬度测试、微观结构观察等[6],指出石刻风化主要在于水、生物等环境因素对粉砂岩胶结物的破坏;李黎等在龙游石窟水环境调查基础上采用砂岩岩样进行浸沉试验[7],得出砂岩风化主因为石窟渗水与砂岩黏土矿物之间的相互作用;邵明申等对承德避暑山庄砂岩文物进行了病害调查和样品测试[8],认为钙质胶结物溶解、干湿交替和盐分结晶是砂岩风化的主因;李震等对大足石刻小佛湾造像砂岩岩样采用干湿、冻融和酸雨循环进行了模拟劣化试验[9],结果表明水对砂岩的破坏由表及里进行,酸雨循环破坏最严重、冻融循环次之、干湿循环最小;黄继忠等对云冈石窟砂岩岩样利用湿杯法开展了水汽扩散试验[10],分析了风化程度和环境相对湿度梯度对砂岩扩散特性的影响。目前此类研究主要通过病害现状调查及成因分析得出水的作用为砂岩石质文物表层劣化的主因,也有少数研究采用模拟试验对砂岩岩样劣化机理进行探索,但均未从水岩作用角度对赋存水环境中各类水与砂岩石质文物之间的作用方式、过程及结果进行较为全面的分析。

水岩作用是岩土工程等相关领域研究的重要内容,国内外学者在水和砂岩相互作用方面开展了大量研究,普遍认为水通过物理、化学、力学等综合作用导致砂岩劣化,表现出微细观结构损伤和宏观力学性能下降[11-15]。虽然目前该方面研究成果可以为砂岩劣化机理提供较多理论依据,但是对于砂岩石质文物而言,两者在研究的目的和需求、尺度和精度、内容侧重点等方面存在一定差异,还需要针对具体对象和问题,尤其是水岩作用对南方地区露天砂岩石质文物表层劣化影响等进行研究。

本文基于现有研究成果和方法,针对水岩作用对南方地区露天砂岩石质文物表层劣化影响问题,以沈府君阙典型病害表层剥落为对象,通过病害特征和赋存水环境的调查,结合新鲜岩样与表层剥落岩样微观结构、矿物成分、易溶盐等指标的对比分析,探讨了阙体水岩作用方式时空特征和表层剥落形成机制。以期为沈府君阙保护维修提供依据,深化对砂岩石质文物表层劣化的认识。

1 病害特征

调查发现,阙体表层剥落根据表现形式可分为壳状剥落、片状剥落和粉状剥落,病害特征如图1所示。

图1 表层剥落病害特征(东阙南立面)Fig.1 Diseases characteristics of surface peeling

1)壳状剥落(见图1A):主要表现为岩石表层平行岩面的壳层,厚度差异较大,大多在3～8 mm,最厚可达10 mm以上,表面致密坚硬,内部疏松粉化,局部与母岩分离形成空腔或空隙,稍用力撬动可将其剥离,剥落体呈薄板状或厚壳状,完整性较好。

2)片状剥落(见图1B):主要表现为岩石表层平行或交错的片层,一般厚度2～4 mm,结构疏松,层间结合较差,稍用力触碰便会剥落,剥落体呈薄片状或片层状,完整性差。

3)粉状剥落(见图1C):主要表现为岩石表层疏松粉化或粒化,局部表面呈盐霜现象,一般厚度1～3 mm,结构十分疏松,轻微触摸即可脱落,剥落体呈粉末状或颗粒状,完整性极差。

病害在东西两阙4个立面均有发生,主要集中在阙身下部和阙楼,壳状剥落基本都分布在阙身下部,剥落体内部新出露母岩表层往往表现为片状或粉状剥落;片状和粉状剥落主要分布在阙身下部、阙楼等处,大多相互伴生,阙楼粉状剥落区局部呈盐霜现象。各种剥落形式分布规律性较强,空间上相互伴生现象明显,时间上具有一定连续性。

2 赋存环境

2.1 地质条件

汉阙场地属构造剥蚀浅切丘陵坡积地貌单元,地势由东北向西南缓倾。地层结构简单,上覆第四系松散层,下伏侏罗系中统上沙溪庙组泥质砂岩,揭露地层由新至老依次为:第一层人工填土、第二层粉质黏土、第三层强风化泥质砂岩、第四层中风化泥质砂岩。第四系松散层最大揭露厚度2.50 m,强风化泥质砂岩层平均厚度1.69 m,两者呈不整合接触关系。根据地质剖面和力学试验统计结果,第四系地层厚度小,基岩面起伏较小,地基基础持力层力学性质较好,相邻钻孔的压缩层范围内岩土层界面坡度<10°,应视为均匀地基,未见不良地质现象。地震烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05 g,地震作用对汉阙影响不明显。

场地地表水主要为大气降水形成的径流,自然集雨面积较小,约0.03 km2,沿坡面向西南侧排泄,自然坡度5°～8°,是补给地下水主要来源。地下水埋深0.8～2.3 m,枯丰水位变幅2 m左右,主要为上层滞水、基岩风化裂隙水与构造裂隙水,前者赋存于人工填土、粉质黏土中,富水性差,渗透性中等,受大气降水及地表水补给,水量较小;后者赋存于强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩风化裂隙及构造裂隙中,赋存条件受构造裂隙分布情况和发育程度控制,富水性不稳定,渗透性中等,主要受大气降水补给及岩层倾向方向的补给,水量较小。

2.2 水环境特点

2.2.1 水的类型

1)大气降水:根据国家气象科学数据中心资料,渠县年平均降雨量1 122.8 mm,5—9月月平均降雨量均在100 mm以上,占年平均降雨量72.1%,年日降水量≥50.0 mm日数可达3.3 d,具有雨量充沛、降雨集中、暴雨频发的特点。

2)地表水:主要为雨季强降雨形成的地表径流,大多随地势沿坡面分散排泄,少数汇聚在阙基旁低洼处形成积水。调查走访发现,早期阙体周围为冬水田,阙基曾长期浸泡水中。

3)地下水:主要通过潜水面上部第四系松散层中毛细饱和带作用于阙基底板,作为水分迁移通道长期为阙体下部提供地下水补给,丰水期作用明显。

4)冷凝水:根据国家气象科学数据中心资料,渠县年平均相对湿度83.3%,10月到次年1月月平均相对湿度在85%以上,少数时段冬季夜间相对湿度可达99%(监测数据最大值)。调查期间阙体表面有结露现象。

2.2.2 水质分析取汉阙区域大气降水、地表水和地下水中代表性水样进行水质简分析(见表1)。

由表1分析可知,4组水样均呈中性,化学类型为HCO3-Na,矿化度较小。地表水和地下水相比大气降水矿化度略有增加,各离子含量也有不同程度增加,以SO42-含量增幅最大,可见大气降水、地表水和地下水三者之间补给循环条件较好,存在直接水力联系,较高的SO42-含量为阙体岩石中硫酸盐的聚集提供了有利条件。此外水样QS-S-2中NH4+含量相对偏高,初步分析可能与该处地表水受汉阙周围农田灌溉水沿坡面排泄影响有关。

表1 水样水质简分析结果Tab.1 Results of fundamental water quality analysis

3 岩样性质

3.1 岩样特征

分别取代表性新鲜岩样和表层剥落岩样,前者取自汉阙周围散落阙体残块内部风化程度轻微部分,后者取自汉阙本体表层剥落病害特征位置。岩样详情见表2,表层剥落岩样取样位置见图2。

表2 岩样详情Tab.2 Details of rock samples

图2 表层剥落岩样取样位置Fig.2 Location of surface peeling samples

3.2 薄片鉴定

取新鲜岩样进行薄片鉴定,薄片正交偏光照片见图3。

注:Qtz，石英;Pl，长石;Mdst，泥岩岩屑;Cal，方解石胶结物图3 新鲜岩样薄片正交偏光照片Fig.3 Petrography image of unweathered rock samples

根据薄片鉴定结果,新鲜岩样为钙质细粒岩屑砂岩,具有砂状结构,其中碎屑约占70%,填隙物约占30%。碎屑以次棱角状、次圆状为主, 磨圆中等,主要为细粒砂屑,分选性好,成分主要为石英,其次为长石和泥岩岩屑,还有少量白云母、水黑云母、绿泥石等。填隙物分布于碎屑间隙,起胶结作用,为方解石胶结物,呈不规则填隙状广泛分布在碎屑间隙。颗粒支撑,孔隙式胶结。

3.3 扫描电镜观察

取新鲜岩样和各类表层剥落岩样,采用日本日立公司S-480型场发射扫描电子显微镜进行测试,选取各样品结构特征典型区域进行多微区扫描观察,选择其中代表性SEM照片如图4所示。

由图4分析可知,新鲜岩样(见图4A)结构致密,颗粒粒间胶结物紧密填充,偶见少量缝隙发育,与薄片鉴定结果方解石胶结物呈不规则填隙状广泛分布在碎屑间隙一致;壳状剥落岩样(见图4B)结构较致密, 颗粒粒间胶结物部分流失形成较多空隙,有条状、片状等次生矿物包裹表面及填充空隙;片状剥落岩样(见图4C)结构较松散,颗粒粒间胶结物大部分流失形成大量空隙及空洞,有絮状次生矿物附着表面,颗粒风化蚀变较严重,边缘主要呈次棱角状;粉状剥落岩样(见图4D)结构松散, 颗粒粒间胶结物基本全部流失形成

图4 岩样SEM照片Fig.4 SEM image of rock samples

大量相互连通的缝隙和空洞,颗粒之间甚至相互分离,颗粒风化蚀变严重,边缘主要呈次圆状。整体上各类表层剥落岩样相比新鲜岩样微观结构均有不同程度改变,主要体现在结构密实程度、粒间孔隙大小、颗粒边缘形态等方面。其中壳状、片状、粉状剥落3类岩样结构密实程度不断减小,粒间胶结物流失和颗粒边缘风化蚀变程度不断增大,可见砂岩原结构破坏程度依次增大,尤其粉状剥落岩样原结构基本完全破坏,粒间失去联结,这与各类表层剥落宏观上病害特征及岩样性状基本一致。

3.4 X射线衍射分析

取全部岩样,采用日本理学公司D/max-2500型X射线衍射仪进行测试,分析岩样矿物成分种类及相对含量,结果见表3。

表3 岩样XRD分析结果Tab.3 XRD results of rock samples

相比新鲜岩样各类表层剥落岩样矿物成分中大多新增石膏、少数新增蒙脱石和赤铁矿,矿物成分相对含量均有不同程度变化,以方解石、黏土矿物、石膏等差异较为显著。其中方解石含量在片状剥落和粉状剥落岩样中大幅减少,尤其粉状剥落岩样中基本消失,壳状剥落岩样外侧略有增加,结合岩样微观结构初步分析,片状、粉状剥落岩样主要由粒间钙质胶结物大量流失所致,壳状剥落岩样与表面覆盖的带状、絮状次生矿物主要为钙质胶结物有关[16]。黏土矿物含量在各类表层剥落岩样中均有增加,片状剥落岩样增幅最大,其中岩样QS-B-4内外两侧均有少量蒙脱石生成,初步分析这主要与长石等易风化矿物蚀变有关[17-18]。石膏主要出现在片状与粉状剥落岩样中,壳状剥落岩样内侧也有少量,以粉状剥落岩样含量最高,推测石膏的生成与汉阙赋存水环境中较高的SO42-含量有关[19]。赤铁矿仅出现在壳状剥落岩样外侧,根据蔡元兴等研究[20]，这主要为岩石内部铁元素迁移富集至表面在潮湿环境下氧化形成红褐色Fe2O3所致,也解释了岩样外表面呈浅褐色。此外壳状剥落岩样内外两侧矿物成分种类及相对含量差异较明显,内侧新增石膏,外侧新增赤铁矿,外侧相比内侧方解石含量有所增加。

3.5 离子色谱分析

取全部岩样,研磨后筛分取小于0.075 mm 细颗粒,采用美国戴安公司ICS-90睿智型离子色谱仪进行测试,分析岩样易溶盐离子种类及含量,结果见图5。

图5 岩样易溶盐离子种类及含量Fig.5 Types and contents of soluble salt ions in rock samples

相比新鲜岩样各类表层剥落岩样易溶盐离子种类一致,各离子含量和总量均有不同程度增加。阴离子增幅SO42-最大、Cl-次之,阳离子增幅Na+最大、Ca2+和Mg2+次之,说明表层剥落岩样易溶盐以硫酸盐及氯盐为主,尤其粉状剥落岩样SO42-和Na+含量可占总量一半以上,可见其中有大量芒硝生成。离子总量壳状剥落岩样略有增加,粉状和片状剥落岩样大幅增加,尤其阙楼上部粉状剥落岩样QS-B-5和QS-B-6均高达8 mg/g以上,这与此病害宏观上表现形式呈盐霜现象一致。此外壳状剥落岩样内外两侧各离子含量和总量也有所差异,内侧相比外侧SO42-和Na+含量明显增加,离子总量也略有增加。

4 讨论

4.1 阙体水岩作用方式时空特征

根据汉阙形制结构、岩石性质、保存状况等以及赋存水环境特点，由各类水与阙体岩石之间相互作用关系分析,阙体水岩作用可分为直接方式和间接方式,前者为大气降水、地表水、地下水、冷凝水通过水或水汽的运移直接作用于岩石,包括面流冲蚀、雨水渗流、毛细水迁移和冷凝水润湿;后者为受各类水的影响通过含水率变化间接作用于岩石,包括干湿循环和冻融破坏。阙体水岩作用方式发生位置大致如图6所示,发生时间特点见表4。

图6 阙体水岩作用方式位置示意图Fig.6 Schematic diagram of direct water-rock interaction

结合表层剥落病害分布特征分析,各种剥落形式与水岩作用方式在空间上相关性明显,阙身下部3种剥落形式均有发生,水岩作用方式为毛细水迁移、冷凝水润湿、干湿循环、冻融破坏;阙楼主要有片状和粉状剥落发生,水岩作用方式为面流冲刷、雨水入渗、冷凝水润湿、干湿循环。由阙体水岩作用方式位置和时间特点可知,雨水渗流、降雨冲刷、毛细水迁移和干湿循环对表层剥落影响相对明显;冷凝水润湿仅作用于阙体岩石浅表层且发生频次较低,对表层剥落影响轻微;冻融破坏一般在南方地区岩土文物劣化研究中较少涉及,但是根据国家气象科学数据中心资料,渠县年日最低气温≤0℃日数为3.1 d,考虑到早期阙基在冬季曾长期浸泡在水中,阙身底部岩石处于饱和状态,其对表层剥落的影响不容忽视。

表4 阙体水岩作用方式时间特点Tab.4 Occurrence time of water-rock interaction

4.2 表层剥落形成机制

根据表层剥落病害特征和岩样性质,结合阙体水岩作用方式时空特征及对表层剥落的影响,从水岩作用角度对3种表层剥落形成机制进行了分析。

4.2.1 壳状剥落壳状剥落基本都发生在阙身下部,表现为岩石表层平行岩面的壳层,表面致密坚硬,内部疏松粉化,即岩石表层内外两侧结构差异性破坏。该区域水岩作用方式主要为毛细水迁移和干湿循环,冻融破坏的影响也不容忽视。

分析毛细水在阙身下部自下而上由岩石内部向表面迁移过程中,通过溶滤作用溶蚀方解石胶结物、易水解矿物等和水盐运移携带可溶盐向表面聚集。此过程中，一方面岩石内部不断发生胶结物流失、矿物水解等,导致粒间空隙逐渐增大;另一方面岩石表层主要发生胶结物、风化产物等的表面聚集,由表及里逐渐填塞或堆积在粒间空隙,微观结构如壳状剥落岩样(QS-B-1)所示次生矿物包裹表面及填充空隙形成较致密结构(见图4B),致使毛细水迁移原有通道受阻,胶结物、风化产物等大量向表层内侧聚集[21]。同时伴随干湿循环作用,阙身下部表层内侧聚集的大量可溶盐、膨胀性黏土矿物等不断反复结晶或膨胀体积增大造成此处结构逐渐破坏,岩石表层内外两侧结构产生差异[22]。此外阙身底部在历史时期还受冻融破坏的影响,岩石表层在饱和状态下孔隙水结冰相变体积增大加剧了此处结构破坏。同时观察发现，阙身选用砂岩石材层理构造较为显著,大致按南北两侧立面平行层理面加工,层理构造特征是砂岩表层劣化的重要因素,砂岩平行层理面颗粒之间联结作用相对较弱,往往也是劣化发生的薄弱面。由此长期作用岩石表层内外两侧结构差异不断增大,尤其内侧砂岩粒间联结减弱,外侧结构相对致密逐渐发育形成壳层,平行层理面的南北两侧立面更为明显,最终壳层在温差应力、环境震动、外力扰动等因素影响下沿某一界面分离发生剥落。

4.2.2 片状剥落片状剥落主要发生在阙身下部和阙楼,表现为岩石表层平行或交错的片层,即岩石表层结构片层状破坏。阙身下部水岩作用方式与壳状剥落相似,属壳状剥落发生以后内部出露母岩新的破坏形式;阙楼水岩作用方式主要为雨水渗流、面流冲蚀和干湿循环。

分析阙身下部前期在各种水岩作用方式及其他因素影响下岩石表层外侧壳层已经剥落,内侧出露母岩，表层结构已经一定程度破坏,且聚集大量风化产物。一方面阙楼在雨水自上而下由岩石内部向表面渗流过程中,通过溶滤作用溶蚀方解石胶结物、易水解矿物等和水盐运移携带可溶盐向表面聚集;另一方面在雨水形成面流沿阙顶表面向下冲蚀过程中,通过机械冲刷，使得表面风化产物向阙楼局部集中和化学溶蚀作用造成方解石胶结物流失。虽然上述过程中阙身下部和阙楼水岩作用方式不同,但两者作用结果基本一致,即岩石表层聚集大量风化产物,结构发生破坏,如片状剥落岩样(QS-B-3和QS-B-4)相比新鲜岩样矿物成分中黏土矿物含量显著增加,石膏和易溶盐含量也明显增大。同时伴随干湿循环作用,岩石表层聚集的大量黏土矿物、可溶盐等不断膨胀或结晶体积增大，造成此处结构进一步破坏,微观结构如片状剥落岩样(QS-B-3)所示颗粒粒间形成大量空隙及空洞(见图4C)。尤其阙楼片状剥落岩样(QS-B-4内外两侧)黏土矿物含量显著增加且有蒙脱石生成,蒙脱石吸水膨胀性大更加剧了破坏程度[23]。由此长期作用岩石表层结构严重破坏,最终在其他外界因素影响下沿砂岩层理等薄弱面分离发生剥落。

4.2.3 粉状剥落粉状剥落与片状剥落伴生,也主要发生在阙身下部和阙楼,表现为岩石表层疏松粉化或粒化,阙楼局部呈盐霜现象,即岩石表层结构粉粒状破坏。水岩作用方式与片状剥落相似,阙身下部也属壳状剥落发生以后内部出露母岩新的破坏形式。

分析粉状剥落受水岩作用的影响与片状剥落一致,区别在于岩石表层结构破坏程度更为严重,主要体现在盐风化方面。根据粉状剥落病害特征,阙楼局部呈盐霜现象,结合阙体水岩作用方式分析,主要为雨水形成面流不断溶解冲刷岩石表面聚集的可溶盐,并随水流在阙楼局部的前端润湿锋处沉积后失水结晶析出。同时由岩样易溶盐分析结果可知,粉状剥落岩样相比新鲜岩样易溶盐离子总量显著增加,尤其阙楼处粉状剥落岩样(QS-B-5和QS-B-6)高达8 mg/g以上,有大量芒硝生成,同时新增较多中溶盐石膏。根据相关研究，无水芒硝结晶形成芒硝时体积最大可增至4.18倍[24],硬石膏相变形成石膏摩尔体积增大为62.6%[25],芒硝、石膏等可溶盐在干湿循环作用下体积增大显著,导致粉状剥落相比片状剥落对砂岩结构破坏更为严重,微观结构如粉状剥落岩样(QS-B-6)所示颗粒粒间形成大量相互连通的缝隙和空洞,甚至相互分离(图4D)。由此长期作用岩石表层结构完全破坏,并局部呈盐霜现象,最终在其他外界因素影响下沿砂岩粒间薄弱处脱落。

4.3 阙体表层劣化进程

根据上述表层剥落形成机制进一步推断,各种剥落形式现阶段空间分布上的差异性,本质上应为阙体岩石表层劣化进程不同的体现,可将阙身下部和阙楼表层剥落分别概化为“阶段性”和“渐进性”2种模式。

阙身下部岩石内部在由内向外的水分迁移主导下，不断发生溶滤和水盐运移作用(见图7A),前者导致胶结物等表面聚集填塞或堆积在岩石表层粒间空隙形成壳层,后者由于前者造成水分迁移通道受阻，致使可溶盐等大量在壳层内侧富集,后期随着可溶盐活动、干湿循环、冻融破坏及层理构造影响,壳层内侧砂岩结构逐渐破坏,粒间空隙增大产生裂隙,不断发育形成断裂面(见图7B),最终第一阶段壳层沿断裂面剥落,第二阶段新出露母岩表层砂岩结构在前期破坏基础上进一步发展呈片状或粉状剥落(见图7C)。

阙楼一方面岩石内部在由内向外的水分迁移下不断发生溶滤和水盐运移作用,另一方面岩石表面在由上而下的水流冲蚀下不断发生机械冲刷和化学溶蚀作用(见图8A),两者共同作用导致岩石表层(面)聚集的胶结物和析出的可溶盐很快被溶蚀或溶解并搬运至局部沉积,后期随着可溶盐活动、干湿循环等影响，岩石表层砂岩结构逐渐破坏,粒间空隙增大产生裂纹,不断发育形成裂纹网(见图8B),最终，岩石表层砂岩结构破坏进一步发展呈片状或粉状剥落,破坏程度渐进性加深(见图8C)。