丝绸之路-崤函古道石壕段石材本体保护研究

闫海涛 杨朔 陈家昌 周双林

（1.河南省文物考古研究院 2.北京大学考古文博学院 ）

一、遗址概况

崤函古道，也称崤山古道①，位于“丝绸之路”东端中国河南境内，河南西部的豫西山区，崤与函皆为古地名。崤函古道是“襟带两京（西安、洛阳）”的锁钥，也是自古以来中原通往关中、到达西域的咽喉要道。崤函古道是从崤山峡谷中辟出的一条险道②，由于自然原因，该路段形成诸多隘口，历代多在隘口设关，如函谷、崤陵、硖石等，用以节制往来交通。

古道依巍巍崤山、临九曲黄河，昭示着数千年来的沧桑巨变，默默地为中华民族乃至世界文明的传播做出重大贡献。崤函古道所在地域属于灵宝-三门峡黄土台地地区③，这个地区位于三门峡-洛阳黄土台地丘岭区西部，包括小秦岭、崤山以北，黄河以南，西起省界，东到张茅之间的地区。地貌类型以黄土塬和黄土阶地为主，部分地区有黄土梁分布，均呈台地形态。其顶面宽阔平缓，土层深厚。黄土台地边坡陡峻，流水侵蚀十分强烈，沟壑众多。无论陆路还是水路，在历代疏凿和改造过程中，无不体现古人与自然界斗争的智慧和科学总结。古道多沿自然形成的河谷或土函中行进，以减少在当时生产力低下的环境中人力的劳动强度，而在避不开的石质路段用杂草烧石，以冷水激淬使石质疏松便于开凿，达事半功倍之利，这其中涉及营造、建筑、力学等多个学科，许多内含的科学道理至今仍为实用，具有深入研究和开发利用的重要价值④。

目前古道共有两处，其中石壕段古道保存状况较好，其因车轮长期辗轧，在路面上形成两条较深的车辙印迹而得名。古道遗存借助于山坡中部自然形成的岩石修筑，大致方向是由西北走向东南，呈“~”形，全长230 米，宽窄不等，最宽处达8.8 米，最窄处5.2 米（图一）。道上留下的车辙印迹有一车道（二条车辙印迹）、二车道（四条车辙印迹）和三车道（六条车辙印迹）。一车道是主车道，二、三车道为会车辅道。车辙印迹有宽有窄（最宽处0.40 米），深浅不一，最浅处仅有数厘米，最深可达0.41 米。两车辙印迹外宽相距一般在1.32 米，最宽可达1.56 米。两车辙印迹辙心相距1.15 米。2014 年6 月22 日，丝绸之路入选《世界遗产名录》，而崤函古道是整个丝绸之路33个申遗项目中唯一一条道路遗址。2019 年10 月，崤函古道石壕段被核定为第八批全国重点文物保护单位⑤。

图一 古道石壕段现状照片

除了正确认识、全面阐释崤函古道文物价值外，借助当代科技分析检测手段，深入研究古道本体石材理化性能，洞察其出现病害的原因，从而采取更加有效的本体保护措施，实现长期稳定的保护目标，具有重要现实意义。

二、遗址病害情况

历经千年风雨，古道已失去昔日繁华景象，变得支离破碎，遍体鳞伤。通过现场调查总结崤函古道本体的病害类型主要有岩石块状剥落、岩石开裂、植物生长等。病害的特点是病害种类少，病害严重程度高，破坏面积大。

（一）岩石块状剥落

崤函古道石壕段最严重的病害是古道本体的岩石出现块状剥落问题。现存古道遗址以坡顶为界限可分为两个区域，坡顶以南为原始裸露区，坡顶以北为近代考古发掘区。根据现场调查统计数据表明：坡顶以南区域石材块状剥落病害极其严重，剥落面积占遗址本体表层面积的90%以上；经详细辨识，可将该区域的古道遗迹划分为不连续的51 段，其余部分都已经破坏殆尽。坡顶以北区域的古道遗迹，裸露时间较短，整体状况保存良好。古道附近人工开凿出来的石壁也有同样的破坏特征。岩石的块状剥落病害，一方面受环境影响所致，另一方面与岩体本身具有细密的解理密不可分（图二）。

图二 古道石壕段附近岩壁的块状破坏

（二）岩石开裂

岩石的块状破碎是古道遗迹破坏的主要表现形式，次要病害是古道所在岩体的岩石开裂，而开裂是块状破碎的前期表现（图三）。开裂的原因可能是岩石形成过程中的天然解理在自然因素作用下逐渐扩大所导致。

（三）生物生长

崤函古道常年暴露于野外，疏于日常管理维护，为灌木、草类、地衣等植被的生长创造了有利条件。调查发现古道上滋生的生物随处可见，部分植被根系较大，延伸于岩石内部，加速了石材开裂速度；古道局部存在苔藓地衣低等植被，改变了古道表面颜色（图四、五）。

图五 崤函古道石壕段上的瓦松和地衣

（四）车辙印迹自然风化

崤函古道石材本体的自然风化病害呈零星点状分布，主要集中在夹杂有黄色疏松颗粒的岩石表面。从分布区域看，该类病害多出现在地势较低的沟底部位。暴露于自然环境中的古道遗迹，岩石本身就有许多的裂隙，在自然因素作用下很容易破坏，进而导致车辙印迹的自然风化。

首先是雨水和积雪的作用。频繁的雨水降落在地面上，沿着裂隙进入岩石内部，产生溶蚀作用，同时受水汽蒸发产生压力，进而导致岩石裂隙扩大；另一方面极端天气下暴雨水流冲击作用，会导致破碎岩石的移位，最终使得车辙印迹模糊残缺。冬季积雪融水渗入岩石裂隙，在低温情况下冻融产生巨大胀力，导致裂隙扩大，甚至岩石碎块剥离岩体。这是目前古道痕迹破坏的主要原因之一。

其次是植物的作用，包括根系对岩石本体的破坏和植物杆茎对文物环境景观的破坏。岩石本身有裂隙，伴随植物根系在岩石裂隙内部的不断生长，导致裂隙进一步扩大，进而使得岩石出现破裂、碎块脱落等病害；车辙印迹被苔藓、地衣等低等植物覆盖，改变了文物本体外观面貌，影响瞻观。

温度骤然升降循环作用也是导致岩石破碎的原因之一，伴随环境温度升降循环变化，岩石表面产生胀缩应力，将破碎的岩块挤出，在重力等作用下脱离岩体，最终导致古道表面印迹信息消失。在这些因素共同作用下古道开凿遗迹多呈断裂而不延续的片段呈现（图六）。

图六 因岩石破碎残留的古道车辙印迹

（1）石材样品体式显微照片

三、石材基本性能分析

（一）样品选择

经现场勘察对比，从崤函古道遗址附近山体上选取与古道车辙本体表面石材相同的石块作为分析检测对象，共选取8 个具有代表性的样品，样品情况见表一。

表一 样品照片及描述

表二 扫描电镜能谱分析检测结果

（二）分析检测内容及方法

1.微观形貌观察

（1）体式显微镜 M205：德国Leica。

（2）环境扫描电子显微镜Quanta 650：美国FEI。实验条件为高真空，加速电压20KV，工作距离10mm。

2.矿物组成成分检测

（1）X 射线衍射仪（XRD）：德国Bruker公司D8 型X 衍射分析仪；

测量条件：Cu 靶，工作管压40kv、管流40mA，扫面起始角10°，终止角60°，步长0.02mm。

（2）共焦显微拉曼光谱仪：英国雷尼绍公司INCIA-REFLEX 型拉曼光谱仪；

测试条件：1200I/mm 和1800I/mm 光栅，50倍共焦显微物镜，CCD 探测器。实验中使用了532nm、633nm 及785nm 激光作为激光发源，依据不同物质具体进行选择激光器、激光功率及扫描3 次。

3.岩石种类鉴定：偏光显微镜LEICADM4500

（三）分析检测结果

1.石材微观形貌

采用体式显微镜（图七）和环境扫描电子显微镜（图八）进行显微观察，目的在于获取样品微观孔隙、结构疏松程度、样品颗粒大小等基本信息，为判断遗址出现各类病害原因提供基础数据支撑。

图七 石材样品体式显微照片

图八 石材样品扫描电镜照片

（2）石材样品扫描电镜照片

通过扫描电镜可以观察样品的微观形貌（图八），帮助了解样品内部信息，进而更好地研究石材的特性。

样品1 低倍扫描电镜可以看出，其矿物结构致密，同时还有很多凹凸不平的颗粒堆积；样品2 在低倍率显微镜下表面较为平整光滑，有些许孔隙；样品3 在低倍率扫描显微镜下表面有不规则的块状堆积，同时在块状大颗粒上还混杂着一些细小颗粒；样品4 在低倍率显微镜下呈现凹凸不平状，在高倍率下可以看出大颗粒内包裹着一些细小颗粒；样品5 在低倍率下也是呈现凹凸坎坷状，整体呈现大块颗粒状，在高倍率下有小颗粒悬浮在大颗粒上；样品6 整体形貌呈颗粒状堆积，大颗粒上悬浮着许多小颗粒；样品7 在扫描显微镜下小颗粒悬浮在大颗粒上；样品8 在低倍率扫描显微镜下呈块状分布，高倍率下可以看到块状颗粒上悬浮着细小颗粒。同时采用光电子能谱对崤函古道石材样品进行元素种类及百分比含量检测，结果如表一所示。从元素种类及含量，初步判断崤函古道本体石材组成以碳酸盐为主，夹杂硅酸盐和偏铝酸盐成分。

2.石材矿物组成成分

石材矿物组成成分是决定石材本体结构稳定与否的内在因素，本研究采用X 射线衍射和激光拉曼光谱两种检测方法对样品进行分析，得出结果如下。

通过XRD 对样品进行矿物组成成分分析检测（图九），可以看出1 号样品表层红色部分为CaCO3和Fe，灰色部分为CaCO3和MgCO3；2 号样品表层红色部分为SnO 和Al2O3，内部红色部分为CaCO3和MgCO3；3 号样品成分为KAlSi3O8；4 号样品成分为Fe2O3；5 号样品成分为KAlSi3O8；6 号样品成分为CaCO3；7 号样品成分为CaCO3和MgCO3；8 号样品表层红色部分为CaCO3和MgCO3，其中含有少量的Fe，灰色部分为CaCO3、MgCO3和AlPO4，亮白色为碳酸钙。

图九 石材样品X-射线图谱

（1）石材样品X-射线图谱

（2）石材样品激光拉曼图谱

通过拉曼光谱分析（图一〇），结合X 射线衍射的结果，可以发现样品1-8 的主要成分大致可分为方解石、白云石和正长石，其中1 号样品、4 号样品和6 号样品为方解石，2 号样品、7 号样品和8 号样品为白云石，3 号样品为方解石和正长石混合物，5 号样品为正长石（表三）。

图一〇 石材样品激光拉曼图谱

3.样品岩矿鉴定

（1）选取具有代表性的样品6 和样品7，其中样品6 外观呈土黄色，孔隙相对较大，结构略显松散；样品7 外观呈灰色，结构致密。

（2）偏光显微镜下观察

样品6 基质成分主要是方解石，有少量粘土矿物、长英碎屑、云母碎屑。方解石粒径一般小于0.05 mm，泥晶结构为主。基质中洞穴较发育，被方解石充填（图一一），其中方解石结晶颗粒稍大，粒径达0.1 mm。粘土矿物分布不均匀。长英碎屑呈棱角状，粒径0.01～0.1 mm。

图一一 样品6 偏光显微照片

样品7 白云石呈半自形- 他形粒状（图一二），粒径0.05～0.3 mm，细晶结构为主，闪突起显著，高级白干涉色；方解石呈网脉状分布；褐铁矿一部分完全交代黄铁矿呈其假象，粒径0.01～0.5 mm，稀疏浸染状分布；另一部分呈细网脉状分布。

图一二 样品7 偏光显微照片

四、病害原因分析

通过现状调查与样品分析检测结果可知，古道遗址出现病害的原因可归结为内因和外因两个方面。具有解理容易破碎的岩石，使开凿古道变得容易可行，但古人行车走路对易碎岩石造成的损伤，是岩体出现各类病害的首要因素；古道废弃后露天保存的千百年来，其在自然因素作用下更是加速了病害发展速度。

古道虽然能够保留至今，但是破损严重，说明岩石自身是有缺陷的。从岩石成分上看，崤函古道的岩石为碳酸盐，这种岩石从材质上看性质稳定，空隙率小，较耐风化，仅有缓慢的水溶现象，酸雨对其有腐蚀。虽然碳酸盐从微观上看稳定致密，但是从崤函古道岩石的宏观结构看，保存状况极差，古道所在的山体岩石分为多层，岩石破碎严重，内部有细密的层状解理，解理多平行于地面，也有褶皱现象，说明岩石在形成之初就产生了许多的缺陷。细密的解理为岩石的破损创造了内部条件，而古道多数是在解理较多的岩层上开凿，如北坡，坡顶和南坡的古道遗迹，其主要的矿物成分为钙质胶结灰岩质砾岩，质地疏松，车辙痕迹基本无存。宏观上看，岩石的组成又很不均匀，有些部分以细晶白云岩质地为主要矿物组成，解理少岩石坚硬耐磨，有些部分以钙质胶结灰岩质砾岩质地为主要矿物组成，解理多很容易破碎。总的来说，石材的基本性能很大程度上影响了遗迹的保存状况。

五、结 论

（一）崤函古道石材矿物成分主要是以方解石和白云石为主组成的碳酸盐类；具体可分为钙质胶结灰岩质砾岩和细晶白云岩两大类，其结构以砂状与细晶状为主，多为层状构造。

（二）细晶白云岩质地硬脆，不易出现风化病害，但受机械外力作用后瞬间即可出现开裂、崩解等病害；钙质胶结灰岩质砾岩质地疏松，极易受环境影响，在短时间内出现风化、粉碎、植物滋生等常见病害。

（三） 针对细晶白云岩质地硬脆的古道本体，应采取覆土回填或加盖保护棚的保护措施，避免太阳的高温照射或暴雨冲刷或饱水后低温冻融，从而在石材内部产生机械应力，进而造成古道本体开裂、崩解等病害；针对钙质胶结灰岩，应采取疏通排水和及时杀灭植被的保护措施，避免雨水冲刷、植被根系膨胀导致灰岩本体内部结构进一步疏松酥粉，进而导致古道本体支离破碎。

（四）现存岩体之上的车辙印迹和凿刻遗迹是古道遗产重要的遗迹现象，具有极高的文物价值。针对坡顶处破碎的遗迹本体，建议采取粘贴修补、裂隙灌浆等保护措施进行保护修复。针对坡底处遗迹本体保存状况较好的部分，建议加盖保护措施，进行密切监测、做好日常维护工作，对公众开放展示充分发挥其社会价值。

（五）针对整个古道本体的保护，应采取适当的环境控制措施，如修筑保护棚或覆土回填保护等。同时需要做好病害定期监测，包括灰尘积聚、生物生长、风化酥粉破坏速度、降雨降雪后遗址表层的变化情况等。由于遗址非常脆弱，还应做好预防性保护措施，避免极端天气对遗址本体造成灾害性破坏。