宗靜婷,王淑麗,張忠永

(1.西安文理學院旅游與環(huán)境系,陜西西安710065;2.西北大學地質學系,陜西西安710069; 3.西北有色地質研究院,陜西西安710065;4.西北有色地質勘查局,陜西西安710061)

0 引言

石窟造像是一種精細的藝術,風化作用從其表面細微處毀損,使其緩慢破壞卻無法逆轉,造成造像失去本真色彩乃至科學藝術價值[1-4]。廣元千佛崖摩崖石窟是中國首批文物保護單位,賦存于四川省廣元市城外的陡峭巖壁上,歷經百年滄桑,季節(jié)交替,風雨剝蝕,多一半已經脫落無存或殘缺不全,汶川5·12特大地震后,保護和修復愈顯重要。

從環(huán)境地質角度來研究石質文物破壞與保護是一個趨勢,也是由摩崖造像的特性決定的。摩崖造像雕刻在石壁上,而巖石材料是地質作用的產物,巖石的變形和破壞不但與巖石的復雜成因和結構密切相關,而且還受溫度、圍壓、孔隙水等環(huán)境因素影響[5-11]。因此,對摩崖石質文物風化病害機理的分析應當對地質與環(huán)境進行勘察,了解它所依存的巖石與當地環(huán)境因子的關系,分析環(huán)境條件對巖石風化的影響。從窟室內外溫濕度變化、造像巖體溫度變化、造像巖石滲水性和巖石學特征的角度對千佛崖石窟造像表面風化現象進行詳細勘察并分析風化形成機理,為石質文物的保護提供科學依據。

1 環(huán)境因素

溫濕度是影響石窟造像風化的主要環(huán)境因子。為了解廣元千佛崖窟室內外溫濕度和窟龕巖壁表層溫度的變化,在巖壁表層和窟龕內外均做了溫濕度的原位測試。

1.1 窟室內外溫濕度測試

本次勘察在206窟、308窟、400窟、512窟、744窟等5個窟室放置高級WS2020溫度和濕度計,每天8:00、13:00、20:00各觀測一次。測試結果表明:底層洞室溫度較大,當窟室進深較大時,內外溫度相差2℃～4℃,濕度相差10%～20%;濕度大,在溫度下降時會形成凝結水(圖1、2)。

1.2 巖體受日照溫度變化測試

圖1 2009年7月窟室內外溫度變化Fig.1 Changes of Temperature of G rotto Inside and Outside in July,2009

圖2 2009年7月窟室內外濕度變化Fig.2 Changes of Humidity of G rotto Inside and Outside in July,2009

本次勘察在柏堂寺左上方巖壁鉆微型孔5個,深度分別為20、40、60、80、200 mm,通過TP3001多功能高穩(wěn)定性高準確度溫度計測孔底溫度,測試結果表明:0～40 mm深的溫度變化與孔外溫度較為接近,相關度較高;40～80 mm深孔底溫度維持在28.8℃左右,變化較小;孔深大于或等于200 mm的孔底溫度不受外界溫度影響。

1.3 巖面和文物本體溫度測試

本次勘察采用DT8380紅外線溫度測試儀先后對巖石不同部位和大小不同文物表面進行溫度測試。測試結果表明:巖石不同角度溫度不同,相差1℃～3℃;有地衣藻類植物處,溫度較低;體積小的文物升溫較快,其溫度比體積大的文物的溫度高2℃～4℃;文物本體中,手肢處溫度高于軀體;洞室進深淺的文物比進深大的文物溫度高。

2 千佛崖巖石原位水和滲水實驗

2.1 巖石自然狀態(tài)下水滲透性原位實驗

本次勘察于保護區(qū)內采取同類巖塊1件,尺寸為350 mm×400 mm×400 mm,并將樣品放在室內風干 3 d,然后在巖層頂面用橡膠泥圍成一個200 mm×200 mm滲水坑,在坑中注堿性水溶液約5 mm深(相當于中雨),2 h后切開巖石檢查水滲透深度,實驗結果為20 mm/h?？梢娗Х鹧聨r層表層吸水滲透性較強,水對巖層影響較大。

2.2 滲水影響的紅外熱成像法實驗

為了調查千佛崖石窟造像病害對水的依賴關系,選擇千佛崖308窟、411窟以及689窟等,采用NECTH7700SP紅外熱像儀進行全面熱成像檢測(圖3)。檢測日期為2008年9月 8日15:00至16:30,氣象條件為雨后初晴。

從紅外檢測圖像可以看出,造像及窟龕巖石的含水率與佛像的損害程度呈顯著對應關系,損害程度高的地方含水率高。但308窟佛像損壞最嚴重的部位,紅外檢測顯示其含水率反而不高;現場勘察分析發(fā)現,這些部位已經嚴重風化酥粉,大小裂隙縱橫分布,巖石疏松,雨水很快進入巖石內部,因此表面水分反而較小。411窟佛像左手的凈瓶容易受雨淋,其含水率明顯偏高,這個部位的損壞也明顯嚴重得多;689窟內頂部有一較大的橫向裂隙,水沿裂隙下滲,使窟內正面巖體表面含水率要高很多,底部角落出現積水坑,因此越靠底部含水率也越高。

3 千佛崖石窟造像巖石特征

3.1 千佛崖巖石落片偏光顯微鏡鑒定

在千佛崖巖體風化剝落的殘塊表面和石塊中分別采集了2個風化層樣品(樣品1和2)和2個巖芯樣本(樣品3和4),運用LEICAMPS 60偏光顯微鏡進行巖相分析(圖4)。

圖3 不同窟的含水率分布Fig.3 Distribution of Water Moisture in Different G rottoes

結果表明:風化層樣品呈黃褐色、砂狀結構、塊狀構造、質地疏松。砂屑粒徑0.2～0.5 mm,主要物相成分為長石、巖屑、石英、黑云母等;顆粒支撐,顆粒之間及空隙內膠結物為氧化鐵和黏土礦物。

巖芯樣品分析表明:巖芯呈土褐色、砂狀結構、塊狀構造。碎屑粒徑0.1～1.2 mm,碎屑體積分數約95%,以長石、巖屑、石英、黑云母等為主。膠結物主要為氧化鐵質和泥質,四壁常見鐵質膜。

3.2 千佛崖巖石落片礦物組分X衍射分析

對千佛崖巖體采樣用D/MAX-rA-X衍射儀進行礦物成分測試,利用衍射峰強度值查JCPDF卡片進行物相鑒定,通過強度值、峰位和峰寬計算物相的含量,結果與偏光顯微鏡鑒定結果相符。風化層樣品礦物平均體積分數為:石英67%、斜長石17%、正長石5%、伊利石3%、蒙脫石3.5%、硬石膏2%、綠泥石1.5%,其他未檢出1%;巖芯樣品礦物平均體積分數為:石英72%、斜長石12%、正長石8%、伊利石3%、蒙脫石3%、硬石膏1%,其他未檢出1%。X衍射分析圖譜見圖5。

3.3 可溶鹽離子分析

圖4 樣品的偏光顯微鏡巖相照片Fig.4 Photos of Lithofacies of Samples with Petrographic Microscope

多數巖壁、窟龕及造像表層都有可溶鹽的浸潤,使表層酥堿、沙化以及彩繪粉化等(圖6、7),是造成巖壁龕窟造像病害最常見和最主要的原因之一。對千佛崖石窟像區(qū)可溶鹽的種類及分布情況進行調查分析,在千佛崖的不同部位分別采集石材表面風化粉樣,檢測其中可溶鹽含量,樣品采集點位及陰、陽離子的分析結果見表1。

表1表明,千佛崖窟的可溶鹽離子主要有Na+、K+、Mg2+、Ca2+5種陽離子以及 F-、Cl-種陰離子 。從333窟和崖壁一層不同高度可溶鹽的分布可以看出,陽離子主要以Ca2+、Mg2+含量相對較高,陰離子以含量為最高,其他離子的含量均比較低。結果表明,千佛崖石窟的可溶鹽主要以硫酸鹽和硝酸鹽為主。

4 石窟造像表層風化病害分析

4.1 溫度影響

通過實驗測試數據可以看出,石窟造像表層溫度隨氣溫的變化顯著。夏天千佛崖氣溫達35℃～36℃,遭曝曬的石雕,表面溫度達50℃～60℃,特別是那些沒有生物體覆蓋、易被曬透的小型佛像和佛像手指等與外界多方位接觸的部位,溫度會更高。而暴雨過后,溫度急劇下降,巖石膨脹產生的擠壓力和冷卻收縮產生的拉力會產生破壞作用,在石窟造像表面形成微裂隙;同時,暴雨面狀流動和線狀流動都具有強大沖刷能力,降雨強度越大,沖刷巖壁表層的微裂隙越強,在溫差反復變化和晴雨交替過程中,微裂隙逐漸增多增大,那些溫度稍高的棱角部位和小型造像,風化速度要明顯快于其他部位,就會出現疏松、起殼、鱗片剝落等病害現象。

4.2 水-巖相互作用的風化破壞

千佛崖巖石具有很強的吸水性,水對千佛崖造像的毀壞主要表現為可溶鹽離子表聚、彩繪層空鼓、酥堿、沙化和色素粒子沿微裂隙銹染等,使造像失去原真。

4.2.1 水合壓力和結晶壓力

影響千佛崖造像表層侵蝕的因素除了降雨就是凝結水,廣元地區(qū)降雨量大特別是夏秋季節(jié),降雨過后空氣濕度也增大,早、晚就會在窟室內造像表面凝結,水沿微裂隙下滲,巖石中的膨脹性礦物遇水膨脹,如硬石膏水化成石膏時,體積增大31%,同時產生0.15 MPa的膨脹壓力[1];蒙脫石吸水后體積可膨脹10～30倍[2]。破壞石刻巖體顆粒間的連結和巖石表層與里層的連結,使造像表層疏松產生裂縫,最終導致巖壁表層孔隙、空穴起殼剝落等。

4.2.2 水化學作用-可溶鹽離子形成

千佛崖巖石成分中含有較多的斜長石、鉀長石、云母等易水合水化作用的礦物,在水以及水中溶解的SO2、NO2等酸性成分的作用下(式(1)、(2)),水化作用的速度會加快,形成可溶鹽性陽離子 K+、Na+、Ca2+、Mg2+以及陰離子 SO2-4、NO-3等,這些可溶鹽離子溶出后,表層巖石成分遭到破壞,巖石內部結構疏松,特別是其中的Fe2+氧化后,會形成銹染,導致造像沿裂隙變色。

4.2.3 可溶鹽離子活動規(guī)律

圖5 巖石樣本X衍射分析圖譜Fig.5 X-ray Diffraction Patterns of Rock Samples

圖6 400窟頂的鹽類結晶Fig.6 Salt Crystallization on the Ceiling of G rotto 400

圖7 689窟造像的鹽類結晶Fig.7 Salt Crystallization on the Statues of G rotto 689

研究表明水誘發(fā)酥堿的機理是一種單純的物理過程[3]。當巖體中有水的運動,巖體以及地下水中的可溶鹽會隨著毛細水的上升移動到石窟造像表層而結晶,但是蒸發(fā)又促使毛細水不斷上升,當水分再經過表層時這些鹽又重新溶解并隨著水分的遷移而遷移。千佛崖上、中部的巖壁、龕窟和造像受雨水漂淋的部位,可溶鹽流失,而在雨水匯集部位,水分蒸發(fā)后可溶鹽富集在表層。千佛崖底層部位以及水泥棧道以上部位,往往是以降雨積水及地下水的影響為主,可溶鹽會隨著毛細水的上升移動到巖壁、龕窟和石窟造像的表層并結晶。當再一次的雨水漂淋或沖濕表層時這些鹽又重新溶解并隨著水分遷移,即巖石表面的鹽常常處于“溶解→結晶→再溶解→再結晶”的過程。溶解-結晶使石質體積發(fā)生膨脹,緩慢的侵蝕造像,最終導致造像表層疏松脫落,對文物本體造成病害。

5 減緩石窟造像表面風化的措施

減緩廣元千佛崖石窟造像表面溫差風化的破壞效應,可以在窟龕上面加蓋窟檐。這種窟檐既可減少陽光對石窟造像的直射,改變石窟造像隨氣溫的變化速度和頻率,又可減少雨水對石窟造像表面的直接漂淋。針對窟龕的頂部滲水,在崖頂開挖排水溝槽,使大氣降水能夠迅速通過排水溝槽疏干。針對立面坡表面存在的一些水量集中并且流經窟龕的現象,宜適當改造微地形,在局部適當刻槽或修建小擋水坎,將水流引導到窟龕之外,減少水巖作用的時間。

表1 千佛崖風化層可溶鹽陰陽離子質量分數Tab.1 Mass Fraction of Anion and Cation of Soluble Salts in the Weathering of Qianfoya

6 結語

(1)廣元千佛崖石窟造像溫度在表層40 mm內的變化與外界氣溫變化相關性很高,特別是陽光直射的部位以及窟室淺的石窟造像和小的石窟造像溫度變化較快,熱脹冷縮的頻率和幅度均大于進深大的石窟造像,巖石膨脹產生的擠壓力和冷卻收縮產生的拉力會在石窟造像表面形成微裂隙,更有利于溫差風化作用。

(2)千佛崖風化層孔隙率和疏松程度均高于巖芯層,巖石吸水性和透水性均高,雨水和凝結水均能從表層進入造像內部,有利于水-巖相互作用,吸水性相對高的地方風化嚴重。

(3)可溶鹽離子沿巖石裂隙和孔隙在毛細作用下從內部遷移于表層,并在表層反復發(fā)生“溶解→結晶→再溶解→再結晶”過程,造成造像表層酥堿、粉化、結殼和色素粒子銹染等。

(4)廣元千佛崖石窟造像表面風化的保護可采取在石窟造像上面加蓋窟檐以降低石窟造像表面溫差變化和雨水的漂淋入滲,同時采取疏排水措施防止水從地面下滲到石窟造像和流進窟室,改變石窟造像的小環(huán)境,達到減緩風化的目的。

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